Численное моделирование работы опорного подшипника с помощью прямого сопряжения систем Abaqus и FlowVision-HPC

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

А. С. Шишаева1'2, С. В. Жлуктав1, К. Е. Кузнецов1'-3, А. А. Аксенов1'2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ОПОРНОГО ПОДШИПНИКА С ПОМОЩЬЮ ПРЯМОГО СОПРЯЖЕНИЯ СИСТЕМ АБАОТО И FLOWVISION-HPC
'-ООО «ТЕСИС»
2Московский физико-технический институт (государственный университет)
3Московский авиационный институт (государственный технический университет)
nsh@tesis. com. ru, sz@tesis. com. ru, kk@tesis. com. ru, andrey@tesis. com. ru
В данной работе численно решается задача о возникновении подъемной силы, действующей на пяту вала ротора в опорном подшипнике скольжения. Используется прямое сопряжение системы Abaqus, рассчитывающей напряженно-деформированное состояние элементов конструкции подшипника, и системы FlowVision-HPC, рассчитывающей течение масла в зазоре между пятой вала и опорой. Определены толщина и форма этого зазора, распределение температуры в нем, а также момент силы трения на валу.
Ключевые слова: моделирование, взаимодействие жидкости и конструкции, Abaqus, FlowVision НРС, подшипник скольжения.
A. S. Shishaeva, S. V. Zhluktov, K.E. Kuznetsov, A. A. Aksenov
NUMERICAL SIMULATION OF FRICTION BEARING OPERATION USING DIRECT COUPLING BETWEEN SYSTEMS ABAQUS AND FLOWVISION-HPC
Onset of the lift force in a slide support bearing is discussed in the given paper. The problem is solved numerically. Direct coupling between finite-element system Abaqus calculating stress and strain state of the bearing parts and finite-volume system FlowVision-HPC calculating the oil flow in the gap between a collar and a shoe of a bearing is used. The shape of the gap between the shoe and the collar, the clearance value, the moment of the friction force, and the temperature distribution over the clearance are determined.
Key words: modeling, fluid structure interaction, Abaqus, FlowVision HPC, friction bearing.
Подшипники скольжения широко применяются в автомобилестроении, машиностроении, энергетике, добывающей промышленности [1]. Характеристики работающих подшипников определяются посредством теоретических расчетов [2], математического моделирования с использованием авторских программ [3, 4] и расчетов в прикладных системах [5, 6]. В данной статье представлена методика определения параметров работающего опорного подшипника скольжения, основанная на прямом сопряжении систем Abaqus и FlowVision НРС [7]. Новизна метода заключается в том, что он позволяет учитывать взаимное влияние движения и разогрева смазки и тепловой деформации опоры. Моделируется течение масла в опорном подшипнике, у которого клиновидный зазор между элементом опоры и пятой вала формируется в процессе работы вследствие теплового расширения элемента опоры. Опорные
подшипники такого типа широко применяются для вертикально стоящих роторов турбин и генераторов, установленных на различных электростанциях. Предлагаемый метод расчета позволяет определить толщину и форму зазора, распределение температуры в нем, а также момент силы трения, действующий на вал ротора.
Рассматриваемый подшипник состоит из восьми неподвижных элементов, жестко закрепленных на общей основе (см. рис. 1). На элементах опоры расположена пята вала, вращающаяся со скоростью 6. 66 рад/с. Пространство между элементами опоры и пятой вала заполнено маслом. В процессе работы масло в зазорах между элементами опоры и пятой вала разогревается за счет трения. При этом область ниже по течению масла оказывается более нагретой за счет тепла, выделившегося выше по течению.
УУ = 0
Уравнение Навье-Стокса для несжимаемой
жидкости:
дУ т
р--------+ рУ (У ® У) = -УР + Уц (УУ + (У У) т)
дt
Уравнение теплопереноса в жидкости:
д (рк) тл ч с1Р (Л ^
+ У (рУН) = - + У
д^ Л
-УН
С
Рис. 1. Схема устройства подшипника
Нагрев масла создает неравномерный нагрев опоры, приводящий к ее неравномерному тепловому расширению. Вследствие этого зазор между пятой вала и элементом опоры приобретает клиновидную форму, что обеспечивает возникновение подъемной силы, действующей на пяту вала. Равновесие системы наступает, когда подъемная сила становится равной весу вала (80 кН) и он начинает левитировать. Основными характеристиками работы подшипника являются форма опоры и момент силы трения, действующий на пяту вала. Экспериментально измерить форму опоры и момент силы трения практически невозможно из-за малости зазора (микрометры). Поэтому для решения данной задачи целесообразно применять численное моделирование.
Есть два возможных пути решения задачи. Первый — расчет подшипника с учетом движения пяты вала под действием силы тяжести и подъемной силы, в результате чего находится стационарное положение пяты. Второй — проведение серии расчетов с фиксированным положением пяты вала, получение зависимости подъемной силы от величины начального зазора и определение толщины зазора, при которой подъемная сила равна весу вала, путем интерполяции полученных данных. В данной работе задача решается вторым способом.
Моделирование работы подшипника проводится посредством прямого сопряжения систем Abaqus и FlowVision-HPC. Нагрев и тепловое расширение опоры моделируются в системе Abaqus, основанной на методе конечных элементов. Вращение пяты вала, движение и нагрев масла в зазоре моделируются в системе FlowVision-HPC, основанной на методе конечных объемов. При моделировании численно интегрируются следующие уравнения:
Уравнение неразрывности для несжимаемой жидкости:
Здесь t — время, р — плотность жидкости, ц -вязкость, X — теплопроводность, Ср — удельная теплоемкость, У — скорость, Р — давление, Н -удельная энтальпия, О™ — источник тепловыделения за счет трения.
В силу того, что элементы опоры одинаковые, достаточно рассчитать движение масла в зазоре между одним из элементов опоры и пятой вала. Также, поскольку в пространстве между опорами масло практически полностью останавливается и охлаждается специальным образом до температуры 40 °C, взаимным влиянием зазоров можно пренебречь.
Расчетная область в системе Abaqus соответствует элементу опоры. При моделировании используются элементы типа С3Б4Т. Нижняя и боковые границы расчетной области имеют постоянную температуру 40 °C. Нижняя граница расчетной области жестко закреплена. Верхняя граница расчетной области контактирует с маслом, движущимся в зазоре. Расчетная область во FlowVision-HPC представляет из себя зазор между пятой вала и элементом опоры. На верхней стенке расчетной области задано вращение. Скорость вращения стенки равна скорости вращения пяты вала. На входе и выходе из зазора давление равно атмосферному, температура равна 40 °C. Снизу расчетная область ограничена геометрией элемента опоры, импортируемого из системы Abaqus.
Для ускорения расчета моделирование во FlowVision-HPC проводится с использованием модели зазора. Модель зазора позволяет автоматически рассчитывать параметры ламинарного течения в каналах, размеры которых совпадают с размером расчетной ячейки. Ячейки, содержащие такие каналы, определяются автоматически. Уравнения Навье-Стокса и энергии для таких ячеек модифицируется в предположении того, что в них реализуется предопределенный профиль скорости, являющийся линейной комбинацией профилей Пуазейля и Куэт-та [2]. Исходя из этого, скорость течения в /-й ячейке зазора восстанавливается по формуле:
У = _ У2 + Уw1
'- 3 ц Лх 2
Сила, с которой жидкость действует на стенку канала в данной ячейке, определяется по формуле:
— У, + ^ + Уw2)
К = -6ц--------2------------5
/ Н
Тепловыделение в канале за счет трения определяется по формуле:
Я™ =
4И2
У — ±(уы + гк2) ^ + (- уы)2
Здесь И — полуширина канала в ячейке -, У, -средняя (сеточная) скорость в --й ячейке зазора, У"і, У"2 — скорости стенок канала, — площадь
стенки. Использование модели зазора сокращает размерность задачи и время расчета более чем в десять раз.
Из Ио-^^юп-НРС в АЬадш передаются значения теплового потока, вычисленные на поверхности опоры. Из АЬадш во Р1о-^УІ8Іоп-НРС передается геометрия деформированного элемента опоры и значения температуры на поверхности опоры.
В процессе работы проводится серия расчетов при различных начальных значениях толщины зазора, получается зависимость величины подъемной силы, действующей на пяту вала, от начальной толщины зазора (см. рис. 2). По полученной зависимости интерполированием определяются толщина зазора (18,3 мкм), при которой подъемная сила, действующая на пяту вала, равна весу вала. Эта толщина соответствует режиму работы подшипника при весе ротора 80 кН в расчете на одну опору.
На рис. 3 показана форма зазора между пятой и опорой подшипника, являющаяся результатом теплового расширения опоры при нагрузке 80 кН на опору.

. 5


X



17 .5 1 8 1? .5 1 & lt-]," 9 19.5 20 20 осм
На рис. 4 показано распределение температуры в зазоре для этого случая. Расчет показывает, что значение монента силы трения, действующего на пяту вала при таком весе ротора, составляет 25,3 Нм в расчете на одну опору.
Зазор, мкм
Рис. 3. Форма зазора
Рис. 2. Зависимость подъемной силы (К!), действующей на пяту вала, от начальной величины зазора (Л)
Рис. 4. Распределение температуры в зазоре
Таким образом, предлагаемый в данной работе метод численного моделирования работы опорного подшипника скольжения позволяет определить причину возникновения подъемной силы в подшипнике, рассчитать толщину и форму зазора, распределение температуры в нем и определить момент силы трения, действующий на пяту вала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чернавский, С. А. Подшипники скольжения. — М. МАШГИЗ, 1963, 244 с.
2. Лойцянский, Л. Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для вузов. — 7-у изд., испр. — М.: Дрофа, 2003, 840 с.
3. Пожбелко, В. И. Динамическое моделирование и нелинейная безразмерная аналитическая характеристики сил вязкого трения гидродинамических опор скольжения /
В. И. Пожбелко // Проблемы машиностроения, Известия Челябинского научного центра. — 2003. вып. 1 (18), С. 71−75.
4. Нагайцева, Н. А. Математическая модель нестационарных движений вала в гидродинамическом подшипнике /
Н. В. Еркаев, Н. А. Нагайцева // Прикладная механика и техническая физика. — 2003. — Т. 44. № 5. — С. 118−127.
5. Petrushina, M. Thermomechanical Analysis of the Turbo-Compressor Sliding Bearing Mount Units / M. Petrushina,
S, Klambozki, O. Tchij // 9-th International LS-DYNA User Conference. Simulation Technology, 4−6 June 2006, Dearborn, MI (USA): book of Abstracts = [тез. докл.] / Dearborn, 2006. — C. 1324−1339.
6. Боровков, А. И. Конечно-элементное моделирование и определение динамических характеристик гидродинамических подшипников электрического центробежного погруж-
ного насоса / Боровков А. И., Артамонов И. А., Гаев А. В. // Труды III Российской научно-практической конференции «Методы компьютерного проектирования и расчета нефтяного и газового оборудования». — 2006. — Тюмень, Тюменский государственный нефтегазовый университет. 2006.
7. Aksenov, A. «Drop-Test» FSI simulation with Abaqus and FlowVision based on the direct 2-way coupling approach / A. Aksenov, D. Korenev, A. Shishaeva, D. Vucinic, Z. Mravak // 2008 Abaqus Users' Conference, 19−22 May 2008, Newport, Rhode Island (USA): book of Abstracts = [тез. докл.] / Newport, Rhode Island, 2008. — C. 611−624. Англ.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой