RU2475834C1 - Method of providing vibration strength of components - Google Patents
Method of providing vibration strength of components Download PDFInfo
- Publication number
- RU2475834C1 RU2475834C1 RU2011137925/08A RU2011137925A RU2475834C1 RU 2475834 C1 RU2475834 C1 RU 2475834C1 RU 2011137925/08 A RU2011137925/08 A RU 2011137925/08A RU 2011137925 A RU2011137925 A RU 2011137925A RU 2475834 C1 RU2475834 C1 RU 2475834C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nodes
- determined
- static
- component
- observation
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к способам обеспечения вибрационной прочности деталей сложной геометрической формы, испытывающих переменные нагрузки, и может найти применение в различных отраслях машиностроения, в частности в авиадвигателестроении, для обеспечения вибрационной прочности дисков роторов и рабочих лопаток газотурбинных двигателей (ГТД), которые являются наиболее нагруженными и уязвимыми элементами при их изготовлении, доводке и ремонте.The present invention relates to methods for providing vibrational strength of parts of complex geometric shapes experiencing variable loads, and may find application in various industries, in particular in aircraft engines, to provide vibrational strength of rotor disks and rotor blades of gas turbine engines (GTE), which are the most loaded and vulnerable elements in their manufacture, refinement and repair.
Известен способ определения элементов низкой точности модели конструкции (заявка РФ на изобретение №2005140706, опубл. 20.07.2007).A known method of determining the elements of low accuracy of the structural model (RF application for the invention No. 2005140706, publ. 20.07.2007).
Известен способ определения элементов низкой точности модели конструкции (В.В.Воинова, А.А.Лысенко, А.Л.Михайлов. Оценка качества построения конечно-элементных моделей по критерию точности расчетов напряженно-деформированного состояния упругих тел программным комплексом ANSYS. Вестник РГАТА №3(18), 2010 г., г.Рыбинск: РГАТА. - С.100-105).A known method of determining the elements of low accuracy of the structural model (VVVoinova, A.A. Lysenko, A.L. Mikhailov. Assessing the quality of the construction of finite-element models by the criterion of accuracy of calculations of the stress-strain state of elastic bodies by the ANSYS software package. Herald of the RSAA No. 3 (18), 2010, Rybinsk: RGATA. - S.100-105).
Известен способ обеспечения вибрационной прочности детали сложной геометрической формы (конструкции), при котором расчетным путем определяют ее вибрационные характеристики, частотные спектры и основные формы колебаний с учетом силовых нагрузок и температур, воздействующих на деталь при ее работе. Затем определяют эти характеристики экспериментально путем прямого тензометрирования в составе двигателя. В случае расхождения данных корректируют их изменением геометрии детали, за счет чего изменяют спектр частот собственных колебаний и отстраивают деталь от возможных резонансов с большими переменными нагрузками на основных рабочих режимах (Михайлов А.Л. Проектирование и вибродиагностика деталей ГТД на основе исследования объемного напряженно-деформированного состояния / Под ред. доктора техн. наук, профессора В.М.Чепкина. - Рыбинск: РГАТА, 2005. - С.132-134).There is a method of providing vibrational strength of a part of a complex geometric shape (structure), in which its vibrational characteristics, frequency spectra and main vibration modes are determined by calculation taking into account power loads and temperatures acting on the part during its operation. Then these characteristics are determined experimentally by direct strain gauging in the engine. In case of discrepancy, the data is corrected by changing the geometry of the part, due to which the frequency spectrum of natural vibrations is changed and the part is tuned from possible resonances with high variable loads in the main operating modes (Mikhailov A.L. Design and vibration diagnostics of gas turbine engine parts based on the study of volumetric stress-strain conditions / Under the editorship of the doctor of technical sciences, professor V.M. Chepkin. - Rybinsk: RSAA, 2005. - S.132-134).
Недостатком способа является то, что результаты расчета хорошо согласуются с экспериментальными значениями только в конкретных частных случаях для определенных конструкций деталей и в большинстве случаев необходима корректировка геометрии детали, но конкретное место, требующее корректировки, таким способом определить невозможно.The disadvantage of this method is that the calculation results are in good agreement with experimental values only in specific particular cases for certain parts designs, and in most cases it is necessary to adjust the geometry of the part, but it is impossible to determine the specific place that needs to be adjusted in this way.
Наиболее близким по количеству сходных признаков является способ обеспечения вибрационной прочности детали сложной геометрической формы, при котором экспериментально-расчетным путем определяют вибрационные характеристики ее элементов, накладывают на них граничные условия с учетом силовых нагрузок и температур, воздействующих на деталь при ее работе. Затем строят конечно-элементные модели с различным числом конечных элементов, определяют собственные частоты колебания элементов модели, сравнивают их и выбирают модель, где погрешность определения частоты колебания меньше величины ее максимального отклонения от среднего значения, определенного экспериментальным путем. Такое отклонение говорит о наличии отклонений в геометрии изделия, лежащих в пределах поля допуска при его изготовлении, и обеспечивает требуемую вибрационную прочность (Михайлов А.Л. Проектирование и вибродиагностика деталей ГТД на основе исследования объемного напряженно-деформированного состояния / Под ред. доктора техн. наук, профессора В.М.Чепкина. - Рыбинск: РГАТА, 2005. - С.134-140.)The closest in number of similar features is the way to ensure the vibrational strength of a part of complex geometric shape, in which the vibrational characteristics of its elements are determined experimentally and by calculation, impose boundary conditions on them, taking into account power loads and temperatures acting on the part during its operation. Then, finite element models are constructed with a different number of finite elements, the eigenfrequencies of the elements of the model are determined, they are compared, and a model is selected where the error in determining the frequency of the vibration is less than the maximum deviation from the average value determined experimentally. Such a deviation indicates the presence of deviations in the geometry of the product lying within the tolerance field during its manufacture, and provides the required vibration strength (Mikhailov A.L. Design and vibration diagnostics of gas turbine engine parts based on the study of volumetric stress-strain state / Ed. By Doctor of Engineering. sciences, professors V.M. Chepkin. - Rybinsk: RGATA, 2005. - S.134-140.)
Недостатком данного способа является то, что в случае значительного расхождения значений частот собственных колебаний делают вывод о наличии отклонений в геометрии детали, лежащих за пределами поля допуска при ее изготовлении, снижающих ее вибрационную прочность. В этом случае требуется корректировка геометрии детали, но, как и в предыдущем способе, место на детали, требующее корректировки, не определено.The disadvantage of this method is that in the case of a significant discrepancy between the frequencies of natural vibrations, they conclude that there are deviations in the geometry of the part lying outside the tolerance field during its manufacture, reducing its vibrational strength. In this case, a correction of the geometry of the part is required, but, as in the previous method, the place on the part that requires adjustment is not defined.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является определение конкретного места на детали, геометрия которого подлежит корректировке, для обеспечения требуемых вибрационных характеристик.The technical result to which the invention is directed is to determine a specific place on the part, the geometry of which is subject to adjustment, to ensure the required vibrational characteristics.
Заявленный технический результат достигается тем, что при реализации способа обеспечения вибрационной прочности детали сложной геометрической формы расчетно-экспериментальным путем определяют ее вибрационные характеристики и накладывают граничные условия с учетом силовых нагрузок и температур, воздействующих на деталь при ее работе, Затем строят конечно-элементные модели с различным числом конечных элементов, выполняют их модальный анализ. При проведении модального анализа определяют частоты собственных колебаний моделей и выбирают модель, где погрешность определения частоты колебания детали меньше величины ее максимального отклонения от среднего значения, определенного экспериментальным путем.The claimed technical result is achieved by the fact that when implementing the method of providing vibrational strength of a part of complex geometric shape, it is calculated and experimentally determined by its vibrational characteristics and imposed boundary conditions taking into account the power loads and temperatures acting on the part during its operation. Then, finite element models are constructed with different numbers of finite elements, perform their modal analysis. When conducting a modal analysis, the frequencies of the natural oscillations of the models are determined and a model is selected where the error in determining the frequency of oscillation of the part is less than the value of its maximum deviation from the average value determined experimentally.
Новым в предлагаемом способе является то, что на выбранной конечно-элементной модели выбирают узлы наблюдения и узлы возбуждения, прикладывают в узлах возбуждения сосредоточенные силы, определяют перемещения узлов наблюдения под действием приложенных сил и определяют значения статической податливости в узлах наблюдения путем модального анализа, затем дополнительно определяют значения статической податливости конструкции путем статического анализа в этих же узлах наблюдения, что и при модальном анализе, производят сравнение значений статической податливости, полученных путем модального и статического анализов, определяют узлы наблюдения, где полученные значения статической податливости различны, сопоставляют конечно-элементную модель с деталью, определяют на детали области, соответствующие расположению этих узлов, и корректируют вибрационные характеристики детали путем изменения ее геометрии в областях, содержащих эти узлы наблюдения.New in the proposed method is that on the selected finite element model, observation nodes and excitation nodes are selected, concentrated forces are applied at the excitation nodes, the displacements of the observation nodes under the action of the applied forces are determined, and the values of static compliance in the observation nodes are determined by modal analysis, then additionally determine the values of static compliance of the structure by means of static analysis in the same observation nodes as in the case of modal analysis; static compliance obtained by modal and static analyzes, determine the observation nodes, where the obtained values of static compliance are different, compare the finite element model with the part, determine on the part the areas corresponding to the location of these nodes, and adjust the vibration characteristics of the part by changing its geometry in areas containing these observation nodes.
На прилагаемом чертеже схематично изображена конечно-элементная модель исследуемых образцов.The attached drawing schematically depicts a finite element model of the studied samples.
Заявляемый способ реализуется следующим образом.The inventive method is implemented as follows.
Экспериментальным путем определяют вибрационные характеристики: частоты и формы собственных колебаний детали, например лопатки газотурбинного двигателя, путем прямого тензометрирования в составе двигателя. Накладывают граничные условия с учетом силовых нагрузок и температур, воздействующих на нее при работе. При помощи процедур, входящих в состав вычислительного комплекса (например, ANSYS), строят конечно-элементные модели с различным числом конечных элементов и выполняют их модальный анализ. При проведении модального анализа определяют первые n частот собственных колебаний моделей, сравнивают эти частоты и выбирают модель, где погрешность определения частоты колебания детали меньше величины ее максимального отклонения от среднего значения, определенного экспериментальным путем.The vibrational characteristics are determined experimentally: the frequencies and forms of the natural vibrations of the part, for example, the blades of a gas turbine engine, by direct strain gauging in the engine. They impose boundary conditions taking into account power loads and temperatures acting on it during operation. Using the procedures included in the computing complex (for example, ANSYS), finite element models with various numbers of finite elements are constructed and their modal analysis is performed. When conducting a modal analysis, the first n frequencies of the natural oscillations of the models are determined, these frequencies are compared and a model is selected where the error in determining the vibration frequency of the part is less than the maximum deviation from the average value determined experimentally.
На выбранной конечно-элементной модели выбирают узлы наблюдения и узлы возбуждения, прикладывают в узлах возбуждения сосредоточенные силы, определяют перемещения узлов наблюдения под действием приложенных сил и определяют значения статической податливости конструкции в одних и тех же узлах наблюдения.On the selected finite element model, observation nodes and excitation nodes are selected, concentrated forces are applied at the excitation nodes, the displacements of the observation nodes are determined by the applied forces, and the values of the static compliance of the structure at the same observation nodes are determined.
Сначала определяют статическую податливость путем модального анализа по формуле:First, determine the static compliance by modal analysis according to the formula:
где 
колебаний конструкции, k - номер формы колебаний, i - номер узла возбуждения (узла приложения сосредоточенной силы), j - номер узла наблюдения (узла, в котором определяется перемещение конструкции под действием сосредоточенной силы).structure vibrations, k is the number of the waveform, i is the number of the excitation node (the site of application of concentrated force), j is the number of the observation site (the site in which the movement of the structure under the action of the concentrated force is determined).
Затем определяют статическую податливость путем статического анализа по формуле:Then determine the static compliance by static analysis according to the formula:
где yj - перемещение j-узла под действием сосредоточенной силы Pj, приложенной к j-узлу.where y j is the movement of the j-node under the action of a concentrated force P j applied to the j-node.
Затем производят сравнение значений статической податливости, полученных путем модального и статического анализов, определяют узлы наблюдения, где полученные значения статической податливости различны, сопоставляют конечно-элементную модель с деталью, вибрационные характеристики которой требуют корректировки, определяют на детали области, соответствующие расположению этих узлов, и корректируют вибрационные характеристики детали, для чего изменяют ее геометрию в этих областях и приводят вибрационные характеристики в соответствие с нормированными запасами прочности. Изменение геометрии выполняют путем съема металла или его добавлением, например наплавкой, напайкой.Then, the values of static compliance obtained by modal and static analyzes are compared, the observation nodes are determined where the obtained values of static compliance are different, the finite element model is compared with the part whose vibrational characteristics require adjustment, the areas corresponding to the location of these nodes are determined on the part, and they correct the vibrational characteristics of the part, for which they change its geometry in these areas and bring the vibrational characteristics in accordance with normalized safety factors. Change of geometry is carried out by removal of metal or its addition, for example by surfacing, by soldering.
Для проверки данного изобретения был выполнен эксперимент.To verify this invention, an experiment was performed.
В качестве образцов были выбраны 3 консольно-закрепленных бруса в форме прямоугольного параллелепипеда длиной 1,2 м, шириной 0,05 м с различной толщиной: образец 1 толщиной 0,01 м; образец 2 - 0,009 м; и образец 3 переменной толщины от 0,01 м до 0,0095 м.As samples, 3 cantilevered timber in the form of a rectangular parallelepiped 1.2 m long, 0.05 m wide with various thicknesses were selected: sample 1 0.01 m thick; sample 2 - 0.009 m; and sample 3 of variable thickness from 0.01 m to 0.0095 m.
Были созданы три конечно-элементные модели для каждого из рассматриваемых образцов.Three finite element models were created for each of the considered samples.
Был проведен модальный анализ моделей и определены частоты собственных колебаний моделей. Частоты собственных колебаний по третьей форме модели 1 составили 99,5 Гц; модели 2 - 102, 1 Гц; модели 3 - 100,7 Гц.A modal analysis of the models was carried out and the natural frequencies of the models were determined. The natural frequencies in the third form of model 1 were 99.5 Hz; models 2 - 102, 1 Hz; Model 3 - 100.7 Hz.
Было принято, что образец 1 удовлетворяет условиям вибрационной прочности и не содержит областей, где необходима корректировка геометрии.It was accepted that sample 1 satisfies the conditions of vibrational strength and does not contain areas where a geometry adjustment is necessary.
На всех конечно-элементных моделях были выбраны узлы наблюдения 1, 2, 3, 4, 5 и узел возбуждения 6, который располагался на оси симметрии верхней грани бруса на его правом конце, левый конец бруса был жестко закреплен. Узлы 1, 2, 3, 4 и 5, наблюдения располагались на этой же оси.On all finite element models, the observation nodes 1, 2, 3, 4, 5 and the excitation node 6, which was located on the symmetry axis of the upper edge of the beam at its right end, were chosen, the left end of the beam was rigidly fixed. Nodes 1, 2, 3, 4 and 5, observations were located on the same axis.
В узле возбуждения 6 прикладывали сосредоточенную силу Р=46,8Н. Направление возбуждения (направление действия сосредоточенной силы) во всех численных экспериментах совпадало с направлением наблюдения: 1) параллельно длинным ребрам; 2) параллельно средним ребрам; 3) параллельно коротким ребрам бруса.At the excitation unit 6, a concentrated force P = 46.8 N was applied. The direction of excitation (the direction of action of the concentrated force) in all numerical experiments coincided with the direction of observation: 1) parallel to long ribs; 2) parallel to the middle ribs; 3) parallel to the short edges of the beam.
Затем определяли статическую податливость путем модального и статического анализов.Then, static compliance was determined by modal and static analyzes.
Полученные значения приведены в следующей таблице.The values obtained are shown in the following table.
Погрешности определения статической податливости образцаErrors in determining the static compliance of the sample
кий анализStatic
cue analysis
Затем произвели сравнение значений статической податливости, полученных путем модального и статического анализов, и определили узлы наблюдения, где полученные значения статической податливости различны.Then we compared the values of static compliance obtained by modal and static analyzes, and determined the nodes of observation, where the obtained values of static compliance are different.
У образца 1 значения статической податливости, определенные по его конечно-элементной модели путем модального и статического анализов, одинаковы.In sample 1, the values of static compliance, determined by its finite element model by modal and static analyzes, are the same.
У модели 2 во всех узлах наблюдения значения статической податливости оказались различны, что говорит о том, что образец 2 не обеспечивает вибрационную прочность и требуется корректировка геометрии во всех областях, содержащих узлы наблюдения 1, 2, 3, 4, 5, т.е. увеличение толщины бруса до 0,01 м, чтобы частоты собственных колебаний модели соответствовали заданным.In model 2, the values of static compliance turned out to be different in all observation nodes, which suggests that sample 2 does not provide vibrational strength and that geometry correction is required in all areas containing observation nodes 1, 2, 3, 4, 5, i.e. an increase in the thickness of the timber to 0.01 m, so that the natural frequencies of the model correspond to the specified ones.
У модели 3 значения статической податливости различны в областях, содержащих точки наблюдения 1, 2, 5, что говорит о том, что геометрия данного образца не обеспечивает требуемую вибрационную прочность и требуется ее корректировка в областях, содержащих точки наблюдения 1, 2, 5.In model 3, the values of static compliance are different in areas containing observation points 1, 2, 5, which suggests that the geometry of this sample does not provide the required vibrational strength and requires adjustment in areas containing observation points 1, 2, 5.
Сопоставляли конечно-элементную модель 3 с натурным образцом, определяли области, соответствующие точкам 1, 2, 5 модели, корректировали геометрию образца путем наплавки металла до толщины 0,01 м. Затем проверяли вибрационные характеристики образца. Они соответствовали заданным нормам.The finite element model 3 was compared with the full-scale sample, the regions corresponding to points 1, 2, 5 of the model were determined, the geometry of the sample was adjusted by welding to a thickness of 0.01 m. Then, the vibrational characteristics of the sample were checked. They met the set standards.
Таким образом, предлагаемое решение позволяет определить на детали место, требующее корректировки геометрии, что позволит сократить брак при изготовлении и производить ремонт работавших деталей.Thus, the proposed solution allows you to determine the place on the part that requires a geometry adjustment, which will reduce the marriage in the manufacture and repair of working parts.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011137925/08A RU2475834C1 (en) | 2011-09-14 | 2011-09-14 | Method of providing vibration strength of components |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011137925/08A RU2475834C1 (en) | 2011-09-14 | 2011-09-14 | Method of providing vibration strength of components |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2475834C1 true RU2475834C1 (en) | 2013-02-20 |
Family
ID=49121132
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011137925/08A RU2475834C1 (en) | 2011-09-14 | 2011-09-14 | Method of providing vibration strength of components |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2475834C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2207522C2 (en) * | 2001-07-16 | 2003-06-27 | Волгоградский государственный технический университет | Apparatus for measuring vibrations |
| US20060195305A1 (en) * | 2005-02-28 | 2006-08-31 | Honeywell International, Inc. | Low vibration rectification in a closed-loop, in-plane MEMS device |
| US20070061023A1 (en) * | 1991-12-23 | 2007-03-15 | Hoffberg Linda I | Adaptive pattern recognition based controller apparatus and method and human-factored interface therefore |
| RU2376556C1 (en) * | 2005-09-20 | 2009-12-20 | Майкро Моушн, Инк. | Measurement electronics and methods for producing excitation signal for vibration flow metre |
| RU2376555C2 (en) * | 2005-05-20 | 2009-12-20 | Майкро Моушн, Инк. | Measuring electronic device and methods of quick determination of mass fraction of components of multiphase fluid according to coriolis flow metre signal |
-
2011
- 2011-09-14 RU RU2011137925/08A patent/RU2475834C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070061023A1 (en) * | 1991-12-23 | 2007-03-15 | Hoffberg Linda I | Adaptive pattern recognition based controller apparatus and method and human-factored interface therefore |
| RU2207522C2 (en) * | 2001-07-16 | 2003-06-27 | Волгоградский государственный технический университет | Apparatus for measuring vibrations |
| US20060195305A1 (en) * | 2005-02-28 | 2006-08-31 | Honeywell International, Inc. | Low vibration rectification in a closed-loop, in-plane MEMS device |
| RU2376555C2 (en) * | 2005-05-20 | 2009-12-20 | Майкро Моушн, Инк. | Measuring electronic device and methods of quick determination of mass fraction of components of multiphase fluid according to coriolis flow metre signal |
| RU2376556C1 (en) * | 2005-09-20 | 2009-12-20 | Майкро Моушн, Инк. | Measurement electronics and methods for producing excitation signal for vibration flow metre |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Witek | Simulation of crack growth in the compressor blade subjected to resonant vibration using hybrid method | |
| Witek et al. | Fatigue analysis of compressor blade with simulated foreign object damage | |
| Motahar et al. | Nonlinear vibration of the bevel gear with teeth profile modification | |
| RU2670575C1 (en) | Method of predicting breaks, break predicting device, program, recording medium and method for calculating break recognition criterion | |
| RU2006127494A (en) | METHOD FOR REPAIR OF A TURBO MACHINE BLOCKED WITH A BLADES, TURBO MACHINE, AND AN EXPERIENCED SAMPLE FOR IMPLEMENTING THE INDICATED METHOD | |
| Shukla et al. | An experimental and FEM modal analysis of cracked and normal steam turbine blade | |
| US9182379B2 (en) | Method of carrying out a vibratory fatigue test of a mechanical part | |
| US9829420B2 (en) | Apparatus and method for optimizing a test bed that is utilized for testing low cycle and high-cycle fatigue including modifying a support | |
| US10190595B2 (en) | Gas turbine engine blade platform modification | |
| CN104102778A (en) | Crankshaft kinetic analysis method | |
| Melcher et al. | A novel rotor blade fatigue test setup with elliptical biaxial resonant excitation | |
| Biancolini et al. | Radial basis functions mesh morphing for the analysis of cracks propagation | |
| RU2475834C1 (en) | Method of providing vibration strength of components | |
| CN116541970B (en) | Energy method-based compressor blade vibration reduction optimization design evaluation method | |
| CN105301113A (en) | Metal ultrasonic fatigue testing method of uniform cross section segment-containing plate-shaped sample | |
| Batailly et al. | Minimising clearance consumption: a key factor for the design of blades robust to rotor/stator interactions? | |
| Gao et al. | Notch fatigue behavior of a titanium alloy in the VHCF regime based on a vibration fatigue test | |
| Weser et al. | Advanced experimental and analytical investigations on combined cycle fatigue (CCF) of conventional cast and single-crystal gas turbine blades | |
| Poursaeidi et al. | Failure investigation of an auxiliary steam turbine | |
| Zinkovskii et al. | Influence of the local surface damage parameters on the natural frequencies of vibration of structural elements | |
| US20160047709A1 (en) | Method of testing | |
| CN116542095A (en) | Method for acquiring turbine blade life assessment model and life assessment method | |
| Praisach et al. | A new approach for imperfect boundary conditions on the dynamic behavior | |
| RU2496989C1 (en) | Method of linear friction welding of vanes with disc to make blisk | |
| Ang et al. | Study on failure analysis of crankshaft using finite element analysis |