Стремясь сделать летательные аппараты легче и снизить шум, разработчики модернизируют строение авиадвигателей. Например, используют полимерные композиционные материалы (они легче стандартных металлов и сплавов) и экспериментируют со звукопоглощающими конструкциями (увеличивают их площадь, приближают к источнику шума и т.д.). Однако внесение изменений в такую конструкцию меняет частоты ее колебаний и может вызвать эффект резонанса, а это в свою очередь провоцирует появление повреждений, например, микротрещин, в деталях авиадвигателя и со временем приводит к разрушению всей конструкции. Ученые ПНИПУ и специалисты завода «Машиностроитель» изучили, как характеристики звукопоглощающей конструкции влияют на ее собственные частоты. На основе этого они разработали методику проектирования, которая позволит заблаговременно просчитывать возникновение резонанса и принимать меры по борьбе с ним (например, менять геометрию или материал конструкции). Это поможет защитить самолеты и другие летательные аппараты от резонансных разрушений.
Исследование опубликовано в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника», № 73, 2023. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Ученые исследовали звукопоглощающую конструкцию — панель вентилятора авиадвигателя семейства ПС-90А. Она выполнена из перфорированных слоев полимерного тканого композиционного материала и трубчатого заполнителя, при этом содержит большое количество отверстий.
Обладая достаточно сложной формой, панель вентилятора, как любое физическое тело, характеризуется спектром частот собственных колебаний. Дополнительно на конструкцию действуют внешние динамические нагрузки, вызванные работой вентилятора, турбины, других механизмов и систем авиадвигателя. Если частоты собственных и внешних колебаний совпадут, возникнет резонанс, резкий рост амплитуды колебаний, который может привести к существенной деформации и даже разрушению деталей авиадвигателя. Звукопоглощающие элементы конструкции авиационного двигателя, оказывая значительное влияние на спектр собственных частот, позволяют подавить резонансные явления и снизить акустическое воздействие, в том числе, и на окружающую среду.
При проектировании звукопоглощающих конструкций важно уметь моделировать динамическое поведение и условия возникновения резонанса. Чтобы упростить и ускорить этот процесс, ученые построили расчетную модель динамического поведения звукопоглощающей конструкции из полимерного композитного материала. Все расчёты они провели на специализированном программном обеспечении.
Построенная модель позволила исследовать, как частоты колебаний панели вентилятора зависят от ее формы и упругих характеристик. Ученые выяснили, что изменение толщины, жесткости материала и способа закрепления конструкции значительно влияет на спектр собственных частот, увеличивая или уменьшая их значение. А вот изменение конфигурации перфорирования, схем армирования или структуры пакетов слоистого композита, из которого выполнена конструкция, а также создание в детали предварительных напряжений на частотном спектре сказывается в меньшей мере.
— Данная модель учитывает ключевые параметры: сложную и многосвязную форму, существенную неоднородность и реальное закрепление конструкции, а также микроструктуру композитного материала. Рациональное проектирование изделий достигается благодаря оптимизации по соотношению скорости, затрат вычислительных ресурсов, точности и сходимости расчетов, что и позволяет получить верифицированный результат. Испытания перфорированной композитной панели вентилятора с трубчатым наполнителем подтвердили результаты моделирования колебаний звукопоглощающей конструкции, — отмечает доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ Андрей Чекалкин.
Методика проектирования звукопоглощающих конструкций позволит заблаговременно определять и предотвращать резонансные явления как внутри авиационного двигателя, так и снижать акустическое воздействие на окружающую среду. Как поясняют ученые, построена не только модель динамического поведения конструкции с учетом различных особенностей от микроструктуры материала до способа закрепления конструкции, но и система верификации модели по результатам экспериментов и испытаний. Все это позволяет провести расчет частот звукопоглощающей конструкции, исследовать условия возникновения резонансных явлений и внести рациональные изменения параметров конструкции для устранения резонанса на рабочих режимах.
Результаты исследования будут полезны на стадии проектирования звукопоглощающих конструкций перспективных авиадвигателей и энергетических установок из полимерных композитов и при их модернизации. Применение разработанной методики и определенных в работе зависимостей значительно упростит и ускорит эти процессы. При этом стадия отработки экспериментальных образцов также станет проще и короче — чем точнее и качественнее моделирование, тем меньше объемы стендовых испытаний.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн. рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % — региональные университеты.