O impacto das mudanças geométricas no desempenho e na durabilidade
Engenheiros e projetistas de turbomáquinas enfrentam um desafio significativo quando se trata de lidar com as mudanças geométricas que ocorrem entre condições operacionais descarregadas e carregadas. Essas mudanças não só impactam a eficiência e a potência das turbomáquinas, mas também afetam sua durabilidade e vida útil. Para prever e representar com precisão o comportamento de um motor real, engenheiros e projetistas devem considerar essas mudanças geométricas e (ou seja, transformações de frio para quente em turbomáquinas) ao projetar componentes afetados.
Além dos desafios típicos de design, a digitalização e integração de threads digitais oferecem um potencial ainda maior para personalizar e otimizar componentes de turbomaquinaria de acordo com as especificações do cliente. O thread digital serve como base e estrutura para um processo de desenvolvimento de motor mais integrado e conectado, começando pelos requisitos iniciais e especificações arquitetônicas e continuando até que o motor esteja em operação. Ao longo de cada estágio de desenvolvimento, dados valiosos são gerados. Ao conectar e analisar esses dados de forma significativa, os engenheiros podem obter insights adicionais e identificar áreas para melhoria.
Transformações digitais de frio para quente desempenham um papel na turbomáquina
Um exemplo prático pode ser visto na estreita conexão entre design, fabricação e operação.
Modelo CAD nominal de uma turbina e variações de varreduras de lâminas
Devido a condições ambientais ou outros fatores externos, os componentes finais fabricados podem se desviar de sua forma ideal projetada digitalmente. Esses desvios podem cair dentro dos limites especificados ou excedê-los significativamente. Componentes que estão fora ou no limite de tolerância podem ter efeitos desconhecidos no desempenho e durabilidade do motor. No caso de peças críticas, a solução típica é descartá-las. No entanto, o que acontece com os componentes que estão na fronteira da tolerância?
Às vezes, o impacto desses desvios só é descoberto durante os testes de desempenho final, o que geralmente é tarde demais e requer desmontagem para substituir peças relacionadas. Não seria valioso antecipar o possível impacto com antecedência? Além disso, não seria ainda mais benéfico alavancar esses desvios e ajustar a montagem final escolhendo seletivamente peças para melhor atender aos requisitos finais?
A abordagem de transformação de frio para quente centrada em CAD em turbomaquinários
Na indústria de motores aeronáuticos, é prática comum inspecionar e escanear componentes críticos, especialmente aqueles sujeitos a rotação ou cargas térmicas, após a fabricação e armazenamento dos dados coletados. Seria benéfico alavancar esses dados conectando-os ao processo de design para explorar virtualmente componentes da vida real que podem se desviar ligeiramente de suas contrapartes digitais.
Para conseguir isso, pode-se começar virtualizando a peça física “conforme fabricada” e comparando-a com seu gêmeo digital “conforme projetado”. Ao capturar medições de um componente fisicamente fabricado por meio de técnicas de digitalização ou manuais, pode-se ajustar manualmente a representação CAD da peça ou utilizar técnicas de engenharia reversa, como transformar um arquivo CAD para corresponder ao conjunto de dados STL digitalizado.
A etapa subsequente envolve uma transformação de frio para quente em turbomaquinário, que envolve transformar a condição “fria” descarregada do componente para seu estado operacional carregado (“quente”). Isso permite uma avaliação digital e avaliação do desvio de desempenho em comparação com os resultados obtidos durante as fases de projeto.
O portfólio Simcenter, uma parte da plataforma de negócios Siemens Xcelerator, fornece um método rápido e eficiente para determinar as mudanças geométricas que ocorrem ao transitar de uma condição descarregada para uma condição operacional carregada (transformação de frio para quente). Essa abordagem segue uma estratégia de transformação centrada em CAD, garantindo que o CAD transformado resultante retenha seus atributos e características, incluindo convenções de nomenclatura. Isso permite integração perfeita em fluxos de trabalho de simulação existentes, como análises mecânicas e aerodinâmicas.
O processo começa com uma representação CAD fria “como fabricado” do componente e conclui com uma representação CAD carregada “como operado”. A abordagem segue uma metodologia não linear, que permite a consideração do comportamento não linear do material, deformação viscoelástica e condições de contato não lineares.
Complexidade de transformação de frio para quente em turbomaquinário
Ao considerar tal não linearidade, torna-se possível simular com precisão transformações geométricas complexas, como lâminas envoltas com contatos que restringem a deformação. Isso garante que as representações geradas imitem de perto o comportamento real de uma peça fabricada sob condições operacionais reais. A abordagem centrada em CAD permite a integração perfeita da representação do componente deformado em conjuntos de dados de simulação, incluindo aqueles obtidos durante as fases de projeto. Como resultado, uma exploração virtual abrangente da peça real fabricada pode ser conduzida.
Em nosso exemplo, a transformação CAD de frio para quente é realizada usando o software Siemens NX, utilizando a funcionalidade de deformação global do NX ou o aplicativo OmniFree adicional. Para habilitar a transformação CAD, a deformação deve ser conhecida. Isso é obtido por meio de uma abordagem numérica acoplada iterativa envolvendo Simcenter STAR-CCM+, Simcenter 3D e Simcenter Nastran, garantindo a mais alta fidelidade dos resultados.
Demonstração de fluxo de trabalho com o Rotor 67 da NASA
Fluxo de trabalho de simulação iterativa: transformação de frio para quente, aplicado exemplarmente ao Rotor 67 da NASA
Para ilustrar o fluxo de trabalho, podemos usar o amplamente reconhecido NASA Rotor 67 como exemplo. A geometria e as condições de contorno para este rotor foram obtidas de fontes de literatura aberta. O processo começa com a transferência de uma peça CAD fria do Siemens NX diretamente para o Simcenter STAR-CCM+. No Simcenter STAR-CCM+, fluido operacional e cargas térmicas são aplicadas ao modelo CAD. Como resultado inicial, cargas aerotérmicas e aerodinâmicas atuando na lâmina podem ser obtidas.
Simulação aerodinâmica do Rotor 67 da NASA no Simcenter STAR-CCM+ para obter cargas aerodinâmicas e aerotérmicas em condições operacionais
Essas cargas de lâmina são subsequentemente utilizadas como condições de contorno para a próxima etapa do processo, que envolve conduzir uma análise estrutural não linear de elementos finitos usando o Simcenter 3D. A análise é realizada usando o solucionador não linear Nastran SOL 401, permitindo o cálculo da deformação do componente.
Simulação de elementos finitos não lineares no Simcenter 3D e Simcenter Nastran para obter deformação operacional
A saída da análise de elementos finitos não lineares produz informações valiosas sobre a malha deformada. Essas informações são então exportadas como um arquivo STL do ambiente de pós-processamento Simcenter 3D e transferidas para o software CAD Siemens NX. No software CAD Siemens NX, a transformação CAD é realizada pela transformação da representação CAD fria inicial para corresponder à deformação da malha quente obtida.
Transformação CAD no Siemens NX
O resultado desse fluxo de trabalho é uma representação CAD deformada, que pode ser utilizada posteriormente como uma parte CAD em um processo CAE centrado em CAD. Por meio desse fluxo de trabalho CAE totalmente incorporado, o Simcenter capacita engenheiros a conduzir estudos de sensibilidade e comparativos rápidos e precisos. Ele também permite melhorias e acelera fluxos de trabalho de multidesign e otimização dentro das fases de design de componentes de motores de turbina.
Para ilustrar isso, um desvio artificial foi introduzido no Rotor 67 da NASA manipulando o ângulo de escalonamento da lâmina em 2 graus. A representação CAD recém-gerada "conforme fabricada" foi então submetida à abordagem de simulação iterativa para avaliar rapidamente o desvio de desempenho sob as mesmas condições operacionais do projeto originalmente projetado. Este processo não requer a configuração de novas simulações; a única etapa necessária é substituir a peça CAD e executar novamente as simulações. Todas as configurações, condições de contorno, pós-processamento e etapas de conectividade do fluxo de trabalho podem ser automatizadas. Isso permite uma mudança perfeita na geometria com apenas um toque de botão, utilizando HEEDS para orquestrar o fluxo de trabalho da simulação.
Desempenho aerodinâmico impactado no Rotor 67 da NASA por um desvio de fabricação aplicado artificialmente
O fluxo de trabalho apresentado oferece a engenheiros, designers e analistas um método rápido e preciso para executar a transformação de frio para quente de geometria centrada em CAD em turbomaquinário, ao mesmo tempo em que considera condições de contorno realistas e características de deformação da vida real. Ele fornece uma abordagem rápida e precisa para atingir a representação mais precisa do processo de transformação de geometria.
O Simcenter oferece um portfólio abrangente de soluções de simulação projetadas especificamente para aplicações de turbomáquinas
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