DSc in Engineering
д.т.н.
The purpose of the paper is to perform a comparative analysis of the strength properties of impellers made of a composite material with strength properties of impellers made of aluminum alloy. The main method of this study is the finite element method. Pre-and post-processor Femap was used to prepare the model and process the research results. The calculations were performed using a linear solver NX Nastran. Calculations are carried out for two wheel sizes (two diameters) and two calculated cases (for maximum working angular velocity and for destructive velocity). During research stress-deformed states of impellers were obtained. Stress distribution is qualitatively identical in all design options. Redistribution of stresses in impellers due to different materials stiffness is absent. Strength factor as a result of replacement of materials for the 1st and 2nd sizes fell by 7.8 and 5 %, respectively (absolute values - 1.06 and 1.16 respectively). Stress-deformed states obtained during strength calculation can be used for the subsequent manufacture of an impeller made of an anisotropic material. The calculation of frequencies and forms of free oscillations showed a decrease in the frequencies of free vibrations of impellers made of composite material, but it should be noted that even the «lowest» frequencies have approximately twice the maximum frequencies of the working range of the turbocharger. The results of the analysis show the promise of replacing materials in order to improve reliability. Strength calculation showed the need for additional experimental studies of impellers made of composite materials.
Целью работы является проведение сравнительного анализа прочностных качеств рабочих колес, изготовленных из композитного материала, с прочностными качествами рабочих колес, изготовленных из аллюминие-вого сплава. Основним методом данного исследования является метод конечных элементов. Для подготовки модели и обработки результатов исследования использован пре- и постпроцессор Femap. Расчеты выполнены при помощи линейного решателя NX Nastran. Расчеты проведены для двух типоразмеров колес (двух диаметров) и двух расчетных случаев (для максимальной рабочей угловой скорости и разрушающей). В ходе работы получены напряженно-деформированные состояния рабочих колес. Распределение напряжений качественно идентично во всех расчетных вариантах. Перераспределение напряжений в рабочих колесах вследствие различной жесткости материалов отсутствует. Коэффициенты запасов прочности в результате замены материалов для 1-го и 2-го типоразмера снизились на 7,8 и 5 % соответственно (абсолютные значения -1,06 и 1,16 соответственно). Напряженно-деформированные состояния, полученные при прочностном расчете, могут быть использованы для последующего изготовления рабочего колеса из анизотропного материала. Проведенный расчет частот и форм свободных колебаний показал уменьшение значений частот свободных колебаний рабочих колес, изготовленных из композиционного материала, однако стоит отметить, что даже самые «низшие» частоты имеют значения приблизительно в два раза больше максимальных значений частот рабочего диапазона турбокомпрессора. Результаты проведенного анализа указывают на перспективность замены материалов с целью повышения надежности. Прочностной расчет показал необходимость дополнительных экспериментальных исследований рабочих колес, изготовленных из композиционных материалов.