В сердце реактивного двигателя вращается массивный металлический стержень – вал. Он передает колоссальный крутящий момент, удерживая на себе вес лопаток и сопротивляясь раскручивающим, растягивающим и центробежным силам. Во время маневрирования воздушного судна добавляются гироскопические эффекты, создающие дополнительное давление на узлы крепления. Традиционные методы проектирования рассматривают эти факторы по отдельности, суммируя их для общего запаса прочности. Такой подход вынуждает инженеров намеренно утяжелять детали, чтобы гарантированно перекрыть все возможные риски, что ведет к перерасходу топлива.
Специалисты ПНИПУ применили иной метод. Была создана высокоточная цифровая модель вала со всеми геометрическими параметрами. Затем суперкомпьютер провел разбиение объекта на десятки тысяч конечных элементов, имитируя полный цикл полета: от взлета и набора высоты до крейсерского режима и посадки. Численный эксперимент позволил увидеть картину целиком, во взаимосвязи всех сил.
– Моделирование выявило неравномерное распределение механических напряжений. Пиковые нагрузки концентрируются в нескольких поперечных сечениях – в местах изменения геометрии, закрепления и контакта сопряженных деталей, – комментирует Елена Кузнецова, кандидат технических наук, доцент кафедры «Динамика и прочность машин» ПНИПУ. – Именно эти участки становятся очагами микротрещин. Их практически невозможно точно оценить при классическом аналитическом расчете.
Полученные количественные данные дают конструкторам точный инструмент для точечного усиления лишь самых уязвимых фрагментов вместо глобального утолщения всей детали. Применение методов топологической оптимизации позволит облегчить конструкцию без потери надежности. Это напрямую конвертируется в экономию миллионов тонн авиационного керосина ежегодно. Разработка актуальна не только для гражданской авиации, но и для наземных газотурбинных электростанций. Результаты работы представлены в научном издании «Механика в новых материалах, конструкциях, технологиях».
