Тепловой расчет конструкций

Введение. Рассмотрен тепловой расчет объемной конструкции с использованием метода конечных элементов. По планам Министерства энергетики РФ в стране в ближайшие годы будет создана мощная индустрия ветровой энергетики. В связи с этим расчеты при производстве строительных конструкций ветроэнергетических установок в настоящее время приобретают большое значение. Производство таких конструкций из стеклопластика представляет собой сложный термохимический процесс, включающий полимеризацию связующего при строго заданных тепловых режимах. Целью работы является разработка методики трехмерного конечно-элементного расчета нестационарного режима нагрева составной конструкции сложной формы.

Материалы и методы. Определение полей температур конструкции сложной формы, выполненной из неоднородных материалов, приводит к необходимости применения численных методов и, в первую очередь, метода конечных элементов. Конечно-элементное моделирование поведения композиционных материалов при формовании до настоящего времени остается незавершенным. Для частичного ее решения выполнена адаптация известного уравнения теплопроводности для конкретной задачи на основе первого закона термодинамики. Предложены новые конечно-элементные модели, описывающие тепловые поля в конструкции при ее изготовлении. Определена точность моделирования тепловых процессов. Проведено численное моделирование нагрева.

Результаты исследования. Решение задачи выполнено в многофункциональном программном комплексе ANSYS с реализацией методики расчета на языке параметрического программирования APDL. Рассчитаны поля температуры лопастных элементов ветроэнергетических установок на этапе их изготовления, что позволило выявить характерные особенности технологического процесса производства данных конструкций и получить рекомендации по уточнению процесса их склейки.

Обсуждение и заключения. Полученные результаты могут быть использованы в тепловых расчетах элементов строительных слоистых конструкций сложной формы из композиционных материалов в ветроэнергетике, машиностроении, авиастроении, судостроении, приборостроении и т. д.

1. Chawla, N. Thermal expansion anisotropy in extruded SiC particle reinforced 2080 aluminum alloy matrix composites / N. Chawla, X. Deng, D.R.M. Schnell // Material Science and Engineering A. — 2006. — Vol. 426 (1). — P. 314–322. 10.1016/j.msea.2006.04.054

2. Chawla, K. K. Thermal Shock Behavior of Ceramic Matrix Composites / K. K. Chawla, N. Chawla / Encyclopedia of Thermal Stresses. — John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey. — 2014. — P. 370–374. https://doi.org/10.1007/978-94-007-2739-7_94

3. Boguszewski, T. Design rules for optimizing microstructures of composite for thermal management / T. Boguszewski, L. Ciupinski, K. Kurzydlowski // In: Proc. Int. Conf. on Advanced Processing for Novel Functional Materials. — APNFM 2008. — 2012. URL: https://moam.info/1-design-rules-for-optimising-microstructures-ofcomposite-for-thermal-_5b2bfd3e097c47717f8b459d.html (accessed: 29.04.2019).

4. Maligno, A. Finite element investigations on the microstructure of fibre-reinforced composites / A. Maligno, N. A. Warrior // eXPRESS Polymer Letters. — 2008. — Vol. 2 (9). — P. 665–676. 10.3144/expresspolymlett.2008.79

5. Xu, Y. J. Microstructure modeling and prediction of effective elastic properties of 3D multiphase and multilayer braided composite / Y. J. Xu, W. H. Zhang, M. Domaszewski // Materials Science and Technology. — 2011. — Vol. 27 (7). — P. 1213–1221.

6. Modeling Anisotropic Multiphase Heterogeneous Materials via Directional Correlation Functions: Simulations and Experimental Verification / Sudhanshu S. Singh, Yang Jiao, Jason J. Williams, Nikhilesh Chawla // Metallurgical and Materials Transactions A. — 2012. — Vol. 43 (12). — P. 4470–4474. 10.1007/s11661-012-1451-7

7. Yazzie, K. E. The Asymmetric Growth Behavior of Intermetallic Compound Layers During Extended Reflow of Sn-rich Alloy on Cu / Kyle E. Yazzie, Jonathan Topliff, Nikhilesh Chawla // Metallurgical and Materials Transactions A. — 2012. — Vol. 43. — P. 3442–3446.

8. Three-dimensional (3D) Microstructure-Based Modeling of Interfacial Decohesion in Particle Reinforced Metal Matrix Composites / J. J. Williams, J. Segurado, J. LLorca, N. Chawla // Materials Science and Engineering: A. — 2012. — Vol. 557. — P. 113–118. 10.1016/j.msea.2012.05.108

9. Cyclic Indentation Behavior of Metal-Ceramic Nanolayered Composites / Y.-L. Shen, C. B. Blada, J. J. Williams, N. Chawla // Materials Science and Engineering: A. — 2012. — Vol. 557. — P. 119–125. 10.1016/j.msea.2012.05.103

10. Finite Element Simulation of Swelling-Induced Crack Healing in Gels / J. Zhang, Y. An, K. E. Yazzie [et al.] // Soft Matter. — 2012. — Iss. 31. — P. 8107–8112.

11. High Temperature Nanoindentation Behavior of Al/SiC Multilayers / S. Lotfian, J. M. Molina-Aldareguia, K. E. Yazzie [et al.] // Philosophical Magazine Letters. — 2012. — Vol. 92 (8). — P. 362–367. 10.1080/09500839.2012.674220

12. Environmental Effects on Fatigue Crack Growth in 7075 Aluminum Alloy / A. Bonakdar, F. Wang, J. J. Williams, N. Chawla // Metallurgical and Materials Transactions A. — 2012. — Vol. 43 (8). — P. 2799–2809. 10.1007/s11661-011-0810-0

13. Walters, J. L. Influence of Thermal Aging on the Microstructure and Mechanical Behavior of Sintered Dual Phase Stainless Steels / J. L. Walters, J. J. Williams, N. Chawla // Metallurgical and Materials Transactions A. — 2012. — Vol. 43. — P. 124–135.

14. Шевцов, С. Н. Повышение производительности обработки и качества отверстий в слоистом армированном титаном стеклопластике за счет снижения виброактивности процесса сверления / С. Н. Шевцов, В. В. Сибирский, Е. Г. Чигринец // Вестник Донского государственного технического университета. — 2016. — Т. 16, № 1. — С. 119–126. https://doi.org/10.12737/18273