Численное моделирование гидродинамического нагружения ковшей водозаборного устройства самолёта БЕ-200ЧС

О проекте

  • Численное моделирование гидродинамического нагружения ковшей водозаборного устройства самолёта БЕ-200ЧС
  • ТАНТК им. Г. М. Бериева
  • Аэрокосмос
  • 2016 год

Численное моделирование гидродинамического нагружения ковшей водозаборного устройства самолёта БЕ-200ЧС

Разработанный в ТАНТК им. Г. М. Бериева самолет Бе-200ЧС является одним из наиболее необычных многоцелевых самолетов. Система специального пожарного оборудования (ССПО) позволяет на режиме глиссирования меньше чем за 20 секунд заполнить водяные баки 12 тоннами воды. Составной частью ССПО является водозаборное устройство (ВЗУ). Такого рода устройства не являются стандартным авиационным оборудованием, поэтому их сертификация требует проведения детальных расчётов, стендовых, наземных и лётных испытаний. Сертификация ВЗУ проведена для типовой конструкции, однако в ходе эксплуатации, для улучшения мореходных характеристик самолёта на режимах забора воды, конструкция ковшей ВЗУ была изменена на предмет уменьшения проходного сечения. Для использования уже имеющихся данных об экспериментальном подтверждении выносливости конструкции ВЗУ необходимо было установить эквивалент между новыми условиями нагружения и предыдущими, с которыми были проведены ресурсные стендовые испытания. При проведении стендовых испытаний поля давлений на ковш ВЗУ заменяются суммарными сосредоточенными нагрузками, а при лётных испытаниях регистрируются значения локальных напряжений в различных элементах конструкции ВЗУ. Восстановление суммарных нагрузок по локальным напряжениям является отдельной нетривиальной задачей. Вместо этого был предложен другой подход: компанией «МЦД» совместно с ТАНТК им. Г. М. Бериева было проведено численное моделирование обтекания выпущенного ковша ВЗУ при заборе воды, в ходе которого были определены как локальные напряжения, так и суммарные гидродинамические силы, действующие на ковш ВЗУ в старом и новом варианте.

ВЗУ расположено на днище лодки корпуса самолета, за реданом. Его основными элементами являются корпус с валами, кронштейн крепления, и выпускаемый ковш.

Для сокращения времени расчетов рассматривалась только часть днища лодки длиной около 9 м (полная длина самолета Бе-200ЧС составляет 32 м). С помощью встроенного сеткогенератора Ansys Fluent были построены расчетные сетки для двух вариантов конструкции ВЗУ, содержащие около 6,5 млн тетраэдральных и призматических элементов каждая. Кроме того, дополнительно была построена расчетная сетка для модели без ВЗУ, объемом около 3 млн. элементов.

Детали поверхностной расчётной сетки в районе ВЗУ
Рисунок 1. Детали поверхностной расчётной сетки в районе ВЗУ

Расчет в Ansys Fluent производился в нестационарной постановке (задача на установление) в два этапа. На первом этапе проводился расчёт для модели без заборного устройства с целью установления начального распределения скоростей и давлений и положения свободной поверхности. На втором этапе полученные результаты использовались в качестве начального поля для старта расчёта с заборным устройством.

Для моделирования двухфазного течения «воздух-вода» использовался метод Volume of Fluid (VOF) – модель сплошных несмешивающихся фаз. Течение считалось полностью турбулентным, для моделирования турбулентности использовалась модель k-ω SST с демпфированием турбулентности у свободной поверхности.

В расчете воспроизводятся все характерные детали течения: основная волна, формируемая глиссирующей частью днища лодки, брызговые струи, струя воды, создаваемая ковшом ВЗУ.

Основным результатом расчетов были распределения избыточного давления на поверхности ковша ВЗУ. Интегрирование этих распределений позволяет определить силы, действующие на ковш ВЗУ. Кроме того, эти распределения затем экспортировались в Ansys Mechanical для определения напряжённо-деформированного состояния кронштейна ВЗУ.

Распределение избыточного давления на поверхности ковша ВЗУ

Расчет напряжённо-деформированного состояния кронштейна ВЗУ проводился для сравнения напряжений в контрольных точках с напряжениями, записанными в этих же контрольных точках с помощью тензодатчиков на опытном самолёте Бе-200ЧС в ходе лётных испытаний.

Конечно-элементная сетка для расчета напряженно-деформированного состояния была построена в Ansys Workbench Meshing и преимущественно состояла из тетраэдров второго порядка с серединными узлами (это было обусловлено большим количеством криволинейных поверхностей и тонких рёбер). Построенная расчётная конечно-элементная сетка содержала около 270 тысяч элементов.

Подвижные элементы, такие как соединение «ухо-вилка», связь тяги с осью на стенке ковша и связь вала ковша со втулками, моделировались шарнирными связями с одной отпущенной вращательной степенью свободы.

Отдельную проблему представляло сопоставление результатов расчетов в Ansys Mechanical с результатами измерений с помощью тензодатчиков. Тензодатчик представляет собой тонкое основание с закреплённым на нем первичным преобразователем (тензорезистором). Так как продольные размеры первичного преобразователя намного больше чем поперечные, то тензодатчик воспринимает только деформации растяжения-сжатия, не учитывая при этом изгибных деформаций. Поэтому для определения напряжений в тензодатчиках была предложена оригинальная методика. В местах установки тензодатчиков, были созданы оболочечные тела малой толщины. Для данных тел задан тип конечного элемента SHELL181 с определением только мембранной жесткости. Это позволяет учитывать поверхностные усилия растяжения-сжатия, игнорируя изгибную составляющую. Кроме этого, на каждом оболочечном теле тензодатчика был создан только один конечный элемент, что позволяет выводить осреднённые напряжения по всей поверхности чувствительного элемента.

По результатам сравнительного анализа расчётной модели первого приближения было выявлено, что отклонение расчетных данных от экспериментальных составляет 15-28%. Такая погрешность является неприемлемо высокой. Для модернизации расчетной модели было пересмотрено взаимодействие подвижных элементов ВЗУ. В частности, было изменено шарнирное соединение вала ковша со втулками, установленными в кронштейне ковша. В первоначальном варианте поведение данного соединения было определено как жесткое. В доработанной расчетной модели шарнирное соединение было определено как деформируемое. Это существенно повлияло на расчетное напряженно-деформированное состояние элементов конструкции ВЗУ.

После доработки расхождение между расчетными и экспериментальными значениями напряжений уменьшилось до приемлемых 12-15% для большинства контрольных точек. Исключение составили контрольные точки на тяге уборки-выпуска ковша, для которых расхождение составило 18%. Это связано с упрощениями геометрической и конечно-элементной модели тяги. В реальности она представляет собой сборную конструкцию из нескольких элементов с резьбовыми соединениями, в то время как в расчетной модели тяга была представлена единым твердым телом.

Таким образом, настройка расчётной модели привела к удовлетворительному согласованию расчетных и экспериментальных данных, что позволяет сделать вывод об адекватности модели расчета гидродинамических сил, созданной в Ansys Fluent. Степень отличия полученных на основе этой модели суммарных гидродинамических сил между двумя вариантами конструкции ковша ВЗУ стала основанием для установления эквивалентов по повреждаемости между проведёнными стендовыми испытаниями и эксплуатацией ковшей ВЗУ изменённой конструкции.

Есть подобная задача? Звони!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00