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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Auswirkungen von Fremdkörperschädigungen und Blending Reparaturen auf das aeroelastische Systemverhalten einer modernen Hochdruckverdichter Blisk. Mittels einer vollautomatisierten Prozesskette zur Untersuchung parametrisch definierter Schadensfälle erfolgt eine detaillierte Analyse der Korrelationsbeziehungen zwischen den Schädigungsparametern und deren Einfluss auf die hochzyklische Ermüdungsfestigkeit der Komponente. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse fließen in ein Regressionsmodell zur Erstellung von Sensitivitätsplots ein, um eine schnelle Beurteilung der Kritikalität von Schadensfällen im Flottenbetrieb zu ermöglichen. Im Rahmen der aeroelastischen Analysen sind vor allem die Auswirkungen von Blending Reparaturen auf typische Kenngrößen wie die aerodynamische Dämpfung und Anregung von Interesse. Am Beispiel einer im Betrieb hoch ausgelasteten Schwingform wird eine potentielle Überlagerung mehrerer, für die Betriebssicherheit der Komponente kritischer, Effekte dargestellt. Um die Rechenzeiten für derartige Vorhersagen künftig zu verringern, werden zudem unterschiedliche Ansätze zur Reduktion der Simulationsaufwände verglichen.
The development of computer technologies allows using numerical simulations in the early stages of aircraft design more and more often. The role of both wind tunnels and initial test flights used to validate of solutions seems to be diminishing. Big systems for three-dimensional simulations of Fluid-Structure Interactions (FSI) constitute highly specialized and costly software. Most of the codes are based on many simplifications. One of them is the assumption of linearity of the structural model being in contradiction with real-life situations. The postdoctoral dissertation presents the results of simulations for complex, multi-scale objects and non-linear structure models and extended structure testing in relation to damage in macroscale analysis. What is crucial for carrying out the assumed analyses is to extend a numerical tool comprising a flow and a structural program and a space grid deformation model for a system allowing to take into consideration the non-linearity of the structure. The point of reference for testing the suggested approaches are the existing solutions of the aeroelastic linear problems. Results of the recent research might be applied for the construction of increasingly common unmanned aerial vehicle (UAV). Modern structure is a key element that affects the basic parameters as mass or range of these vehicles. Until now the research and development of the aeroelastic calculation algorithm for commonly used materials in the framework of linear geometry and linear-elastic material behavior was used. The current developments of materials for light-weight design common use of 3D printing technology causes the increasingly widespread use of new alternative materials in the aviation industry. This is particularly true for the design and construction of UAV, where the basic requirements are the lightness of the structure and the maximum range. Unfortunately, the fulfillment of the above criteria means that the materials used are often loaded not only in a elastic range but also more often above this limit. In case of analyzing aeroelastic phenomena for a loaded structure we should take a closer look at the behavior of the material outside the elastic range in which the damage occurs. The process of destroying in the face of such dangerous phenomena as flutter in aircraft constructions requires a deeper analysis of the mechanics of materials, in particular for new materials and their manufacturing techniques. As part of joint experiments and numerical simulations, detailed research was carried out to describe the behavior of printed materials, which will be increasingly used in the design of aircraft structures. Extending the postdoctoral dissertation with the research carried out at BTU will allow further development of the existing FSI algorithm, taking into account the structural behavior more accurately and the possibility of predicting damage processes.
Diese Bachelorarbeit präsentiert die Implementierung und Validierung einer Partitionierungsstrategie mit graphentheoretischem Ansatz für aeroelastische Berechnungen in thermischen Turbomaschinen für den Rolls-Royce plc. (RR) firmeneigenen Strömungslöser AU3D. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der effizienten Parallelisierung von reduzierten und dennoch akkuraten aeroelastischen Rechenmodellen der SPMR-Methode und der SAMR-Methode. Mit der momentanen Partitionierungsmethode kann das Potenzial dieser Modelle aufgrund des besonderen geometrischen Aufbaus nicht ausgenutzt werden und eine erfolgreiche Integration in den Entwurfsprozess ist nicht möglich. Durch die exakte Darstellung der im Strömungslöser auftretenden Kommunikation mittels eines Graphen und der Einbindung des externen Graphenpartitionierers Metis können nun auch reduzierte Modelle erfolgreich parallelisiert werden. Zuerst werden alle Gitterpunkte anhand der Gitterstruktur in einen Graphen transformiert. Zusätzliche Verbindungen werden in Abhängigkeit des jeweilig vorliegenden Modells bestimmt und als zusätzliche Information im Graphen abgespeichert. Anschließend wird mit Hilfe eines externen Graphenpartitionierers eine Partitionstabelle erstellt. Im Anschluss werden alle Paare, welche auf Grund des Strömungslösers in einer Partition sein müssen, kontrolliert und falls notwendig verändert. Die so produzierten Partitionen zeigen eine ausgeglichene Punkteverteilung und es können die geometrischen Besonderheiten in den getesteten Modellen verarbeitet werden. Unter Berücksichtigung der noch ausstehenden Validierungsarbeiten bezüglich des parallelen Strömungslösers kann mit der neuen Partitionierungsmethode ein SPMR-Modell zur Berechnung von erzwungenen Schwingungen in weniger als 7 Stunden, statt in zweieinhalb Tagen, absolviert werden. Somit ist eine Integration von aeroelastischen Rechnungen in den Entwurfsprozess zukünftiger Triebwerksentwicklungen möglich. Die vielseitige Anwendungsmöglichkeit für alle Arten von aeroelastischen Modellen konnte während der Laufzeit-Validierung gezeigt werden. Es wurde nachgewiesen, dass die neue Partitionierungsstrategie um eine Größenordnung weiter skaliert als die bisherigen Methoden. Somit können auch zukünftige Modellgrößen und Computercluster effizient genutzt werden und auch Vollmodelle innerhalb von 24 Stunden berechnet werden.