Search academic texts

Registration Number

0825U002411, PhD dissertation

Status

Доктор філософії, 142, Енергетичне машинобудування

Date

02-07-2025

popup.evolution

.

Title

A determination method of the characteristics of dynamics and strength of aircraft gas turbine engine structural elements made of composite materials

Author

Andrii Morozov,

popup.head Igor F. Kravchenko
popup.opponent Mykola A. Dolhov
popup.opponent Natalia V. Smetankina
popup.review Ihor M. Taranenko
popup.review Oleksandr V. Shorinov

Description

Дисертаційна робота присвячена актуальному питанню розробки методу визначення характеристик динаміки і міцності авіаційних конструкцій, виготовлених з полімерних композиційних матеріалів (КМ) тривимірно армованої структури. В роботі виконано аналіз проблеми впровадження деталей із композиційних матеріалів в конструкцію авіаційних двигунів на прикладі широкохордної лопатки вентилятора та лопаті повітряного гвинта (ПГ). Маючи низку переваг, у порівнянні з традиційними металевими конструкційними матеріалами, композити мають анізотропні властивості, що призводить до значного збільшення обсягу кваліфікаційних досліджень матеріалу. Визначення характеристик матеріалу, які використовуються в розрахунках на міцність конструкцій від дії статичних та динамічних навантажень реалізується за двома підходами – феноменологічним та теоретичним. Проведено обґрунтування використання теоретичних методів визначення характеристик пружності та міцності в композитах складної структури армування. Розроблено чисельний метод визначення ефективних пружних характеристик тривимірно армованих композиційних матеріалів за відомими властивостям структурних компонентів. Процедура гомогенізації базується на математичному моделюванні представницького елемента об’єму, для якого визначено граничні умови. За допомогою проведення серії чисельних експериментів знайдено ефективні пружні характеристики гомогенного ортотропного матеріалу, еквівалентного тривимірно армованому КМ. Створено аналітично-чисельний метод визначення параметрів квадратичного критерію міцності ортотропного тіла, який ураховує різницю меж міцності при розтягу та стиску. Розроблена процедура базується на математичному моделюванні представницького елемента об’єму тривимірно армованого КМ. Дев’ять з дванадцяти констант критерію однозначно визначаються по результатам одновісних експериментів на розтяг (стиск) та чистий зсув. Останні три константи розраховуються такими, щоб автоматично виконувалася умова існування поверхні міцності еліпсоїдного типу. За допомогою проведення серії чисельних експериментів визначено всі границі міцності та коефіцієнти критерію міцності гомогенного ортотропного матеріалу, еквівалентного тривимірно армованому КМ. Описано загальну математичну постановку задачі теорії пружності для аналізу динамічних характеристик конструкцій. Проведено геометричне моделювання лопатки вентилятора та лопаті ПГ. Сформульовано повну систему рівнянь, що описує механічний стан тіла в межах підходу механіки суцільних середовищ. Методом скінчених елементів визначено напружено-деформований стан моделей лопатки й лопаті. Пружні характеристики матеріалу для моделей визначено чисельним методом по відомим властивостям компонентів композиту. Виконано верифікацію моделі представницького елемента об’єму тривимірно армованого КМ шляхом проведення випробувань натурних зразків на розтяг і чистий зсув. Більша різниця у верифікації чисельного та експериментального дослідження становить – для модулів пружності 7,57 % (Ex), для границь міцності 6,13 % (y+). Здійснено верифікацію моделі лопаті ПГ за допомогою експериментального дослідження перших п’яти власних форм і частот коливань натурної лопаті ПГ. Більша різниця у верифікації чисельного й експериментального дослідження становить 4,11 % для частоти четвертої форми коливань. Наукова новизна дисертаційної роботи: 1. Розроблено новий метод визначення ефективних пружних характеристик композиційних матеріалів за відомими пружними властивостями структурних компонентів, який базується на математичному моделюванні представницьких елементів об’ємів для композиційних матеріалів різних структур армування. Визначено ефективні пружні сталі тривимірно армованого композиційного матеріалу. 2. Створено новий метод визначення параметрів критерію міцності композиційних матеріалів, який враховує різницю меж міцності на розтяг та стиск і базується на чисельно-аналітичному аналізі локальних напружень окремо для волокон і матриці. Визначено розрахункові границі міцності та коефіцієнти критерію міцності тривимірно армованого композиційного матеріалу. 3. Набув подальшого розвитку метод аналізу характеристик динаміки та міцності роторних деталей авіаційних газотурбінних двигунів виготовлених із композиційних матеріалів. Особливістю методу є те, що ефективні пружні характеристики композиційних матеріалів визначаються чисельним методом та використовуються для роторних деталей в якості розрахункових характеристик еквівалентного гомогенного ортотропного матеріалу, властивості якого задаються в локальних системах координат скінчених елементів в напрямку просторової геометрії конструкції.

popup.nrat_date

2025-06-19