Инженерами АО «ЦИФРА» реализован проект по подбору и замене традиционного материала вентиляторной лопасти на композиционный. Этот вопрос актуален в отрасли проектирования лопаточных машин: турбин, компрессоров, вентиляторов, импеллеров и пропеллеров.

Одной из ключевых задач замены материала лопасти композиционным материалом является минимизация массы детали при удовлетворении прочностных ограничений в рамках заданных условий эксплуатации. Поскольку в импеллере имеется большое количество лопастей, то снижение массы одной лопасти позволит значительно уменьшить вес конструкции в целом.

Снижение массы конструкции и увеличение удельной прочности материалов, из которых она собрана, — важнейшие задачи, стоящие сегодня перед конструкторами и материаловедами. Целью снижения массы является улучшение её эксплуатационных характеристик и повышение экономической эффективности. В поисках решения этой проблемы для проектирования и производства импеллера применяются композиционные материалы, превосходящие по многим параметрам традиционные (сталь, алюминий). Композиты имеют ряд преимуществ: небольшой вес, высокую прочность, не подвержены коррозии, а вопрос возможности замены ими традиционных материалов очень актуален и исследуется на протяжении многих лет.

В настоящее время на рынке доступно большое количество композиционных материалов, и для того, чтобы определить, какие их них подходят для производства определённой конструкции, необходимо провести оценку свойств и выбор материала. Большую сложность, связанную с этим, представляет собой сопоставление свойств материалов – не всегда они представлены в открытых источниках, а наряду со свойствами немаловажным вопросом является оценка стоимости материалов. Решить все эти проблемы возможно, используя специальное программное обеспечение, например Ansys Granta Selector. Инженеры АО «ЦИФРА» решили такую задачу для вентиляторной лопасти аэротрубы.

Рисунок 1 – Лопасти вентилятора аэротрубы и аэротруба

CAD-модель лопасти импеллера, для которой проведён отбор композиционных материалов, показана на рисунке 2. Лопасть изготовлена из стали 20Л.

Рисунок 2 – CAD-модель лопасти вентилятора

Выбор подходящего материала – комплексная задача, которая требует участия специалистов различного профиля: материаловедов, конструкторов, экологов и экономистов, поскольку необходимо учесть большое количество факторов: прочностные характеристики материала, условия эксплуатации конструкции, стоимость материала. Также необходимо учесть доступный способ переработки выбранного материала и оценить связанные с этим затраты. 

При выполнении данного проекта специалистами АО «ЦИФРА» учтены все вышеперечисленные факторы. Критерии отбора определены исходя из основных требований к эксплуатационным характеристикам лопасти: вентилятор работает в среде с температурой, достигающей 80C, а материал, из которого изготовлены его детали, должен обладать стойкостью к горючести. Также при отборе учтена стоимость материала. В качестве верхней границы диапазона допустимых цен выбрана нижняя граница диапазона рыночной стоимости стали 20Л – диапазон цен варьируется в диапазоне от 400 000 до 449 000 рублей за кубический метр материала, в зависимости от производителя.

С использованием вышеперечисленных критериев проведён отбор композиционных материалов в базе данных ПО Ansys Granta Selector – MaterialUniverse среди термопластичных и термореактивных композитов.

В результате первичного отбора получен следующий список композитов: Полибутилентерефталат (PBT) с 50% содержанием стекловолокна; Полибутилентерефталат (PBT) (50% длинного стекловолокна); Полибутилентерефталат (PBT) (60% длинного стекловолокна); Поликарбонат (PC) (20-30% длинного стекловолокна); Поликарбонат (PC) (40% длинного стекловолокна); Поликарбонат (PC) (50% длинного стекловолокна); Полифениленсульфид (PPS) (65% стеклянных и минеральных волокон).

Следующий шаг заключается в том, что необходимо определить, какой из отобранных материалов является наиболее эффективным для вентиляторной лопасти. С этой целью необходимо провести ранжирование полученного списка в зависимости от предъявленных к конструкции требований с учётом следующих условий: функция, цель и ограничения. Основной механической функцией вентиляторной лопасти при подборе материала является способность выдерживать действующее на неё давление. В качестве целей выступают минимизация массы и стоимости, максимизация прочности и жёсткости. Неизменными величинами являются габаритные размеры лопасти. Эти требования и ограничения формируют собой условия выбора материала. 

Количественно учесть вид и характер нагружения и поставленные цели позволяет специальная величина - индекс эффективности. Индексы эффективности представляют собой выражения, включающие в себя требования и ограничения для конкретного рассматриваемого случая нагружения детали. Для того, чтобы выразить индекс эффективности для конкретного случая, необходимо задаться функцией и видом нагружения объекта (например, стержень, работающий на растяжение; балка, работающая на изгиб; колонна, работающая на сжатие), определить цель (минимальная стоимость, минимальный объем, и др.) и ограничения (например, габаритные размеры, жёсткость и др.). Для основных случаев индексы эффективности уже выведены и готовы к использованию [1]. Выразить индекс эффективности для лопасти можно рассмотрев лопасть как пластину, работающую на изгиб. Индекс эффективности, определяющий стоимость за единицу жёсткости, в случае работы пластины на изгиб вычисляется по формуле.

где Cm – стоимость материала, руб/кг

ρ – плотность материла, кг/м3;

Ef – модуль упругости при изгибе, ГПа.

Индекс эффективности, определяющий отношение массы и жёсткости, в случае работы пластины на изгиб, вычисляется по формуле.

где ρ – плотность материла, кг/м3;

Ef – модуль упругости при изгибе, ГПа.

На рисунке 3 показан результат ранжирования отобранных композиционных материалов в виде пузырьковой диаграммы Эшби. Поскольку у разных производителей свойства одного и того же материала могут отличаться, материалы на диаграмме представлены овалами, которые означают собой разброс механических свойств для каждого материала. Чем ближе материал к левому нижнему углу диаграммы, тем более эффективным будет его применение для рассматриваемой конструкции. В данной задаче таким материалом является Полибутилентерефталат с 50% содержанием стекловолокна – он обозначен на диаграмме зелёным цветом. Серый овал соответствует стали 20Л.

Рисунок 3 – Результат ранжирования отобранных композитов

Ниже приведены в сравнении физико-механические свойства стали 20Л и PBT (50% стекловолокна).

Для проверки применимости выбранного в результате ранжирования отобранных композиционных материалов проведён расчёт прочности лопасти под действием давления. В качестве граничных условий задано распределение давления по поверхности лопасти, центробежная сила (количество оборотов в минуту равно 744). Поля распределённых нагрузок из выполненного CFD-расчета переданы в виде табличных данных. Граничные условия приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 – Граничные условия

На рисунке 5 представлено сравнение перемещений, возникающих в лопасти, изготовленной из стали, и лопасти, изготовленной из выбранного в результате ранжирования композита PBT (50% стекловолокна) – перемещения в лопасти из композиционного материала возрастают в 2,5 раза пропорционально уменьшению жёсткости.

Рисунок 5 – Перемещения, возникающие в лопасти из стали 20Л и из PBT (50% стекловолокна)

Сравнение напряжений, возникающих в стальной лопасти и лопасти, изготовленной из композита, показано на рисунке 6. Напряжения в лопасти из композиционного материала ниже, поскольку основной вклад в напряжённо-деформированное состояние вносит инерционная нагрузка, которая определяется величиной центробежной силы и плотностью материала. У композита PBT (50% наполнения стекловолокном) плотность в 4,5 раза ниже, чем у стали. Максимальное напряжение, возникающее в лопасти из стали 20Л составляет 81 МПа и не превышает предела текучести для материала (265 МПа), а в лопасти из PBT (50% стекловолокна) 17 МПа (предел текучести PBT (50% стекловолокна) составляет 114 МПа). Минимальный коэффициент запаса выше для лопасти из композиционного материала. Для лопасти из PBT (50% стекловолокна) минимальный коэффициент запаса составляет 6,7, а для стальной лопасти 3,3.

Рисунок 6 – Напряжения, возникающие в стальной лопасти и лопасти из PBT (50% стекловолокна)

На графике 7 проанализирована и стоимость производства лопасти из PBT (50% стекловолокна) в зависимости от размера партии, то же сделано и для лопасти из стали 20Л. При размере партии производства в 80-120 штук стоимость лопасти из Полибутилентерефталата (50% стекловолокна) и стоимость лопасти из стали 20Л одинакова.

Рисунок 7 – Стоимость производства лопасти из стали 20Л и PBT (50% стекловолокна) в зависимости от размера партии

В результате проделанной работы инженерам АО «ЦИФРА» удалось выбрать материал, который соответствует всем требованиям, является наиболее эффективным с точки зрения стоимости производства из него и наиболее эффективным по массе и жёсткости. Расчётным способом подтверждено, что прочность конструкции из выбранного композиционного материала обеспечена.


Источники:

1. Ashby M. Materials selection in mechanical design. 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1999.