Integration of finite element analysis for lifing in a design and analysis platform for gas turbines

Paramassivam, Nadia (2020). Integration of finite element analysis for lifing in a design and analysis platform for gas turbines. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Gas turbine design is a multifaceted process that requires designing many disciplines as aerothermal, performance, Secondary Air System (SAS), Finite Element Analysis (FEA) and lifing. Working in multi-expertise fields requires non-value-added tasks such as data transmission between software or data management but also tedious tasks among pre-processing, processing and post-processing especially repetitive and similar which requires valuable time. The objective of the Design and Analysis (D&A) platform is to regroup all disciplines using multiple gas turbine software and integrated them into a Multidisciplinary Design Optimization (MDO) context through automation.

This thesis presents the integration of Finite Element Analysis (FEA) tool for lifing into a Design and Analysis (D&A) platform. An automated tool has been deployed integrating finite element software used at Siemens, SC03, that solves the structural, thermal and thermo-mechanical gas turbine model. This platform is designed and tested for Mechanical Integrity (MI) and Whole Engine Thermal Modelling (WETM) engineers. Both need different data from the FEA, so a workflow has been created that allows the user to pre-process, process and postprocess FEA. Implementation of this workflow was made possible with this platform thanks to automation.

The tool created in the digital platform includes the analysis automation for the whole engine thermal model (WETM). The user can generate a huge amount of inputs of engine cycle definition, namely the Basic Design Data (BDD) and the results of numerical simulation analyses namely the Finite Element Model (FEM), for different engines configurations. After the analysis is done, a step of extraction of values will occur to facilitate the post-processing. For that, a user interface is displayed, and stakeholders can choose the quantities needed such as displacements, stresses, temperatures. This multidisciplinary application and platform aim to reduce design cycle time and cost while at the same time improving design process quality and robustness.

Titre traduit

Intégration de l’analyse par éléments finis pour le lifing dans une plateforme de conception et d’analyse pour les turbines à gaz

Résumé traduit

La conception des turbines à gaz est un processus à multiples facettes qui nécessite l’interaction de plusieurs disciplines comme l’aérothermique, la performance, le système d’Air Secondaire (SAS), l’analyse par éléments finis (FEA) et le lifing. Travailler dans des domaines multiexpertises exige des tâches sans valeur ajoutée comme la transmission ou la gestion des données entre les logiciels mais également des tâches fastidieuses parmi le pré-traitement, le traitement et le post-traitement notamment répétitifs et similaires ce qui demande un temps important. L'objectif de la plateforme de conception et d’analyse est de regrouper toutes les disciplines utilisant plusieurs logiciels pour les turbines à gaz et de les intégrer dans un contexte d’Optimisation et de conception Multidisciplinaire (OMD) grâce à l'automatisation.

Cette thèse porte sur l’intégration de l’outil d’analyse par éléments finis (FEA) afin d’évaluer la durée de vie des composants du moteur dans une plateforme de conception et d’analyse. Un outil automatisé a été développé intégrant le logiciel par éléments finis utilisé par Siemens, SC03, qui résout le modèle de turbine à gaz en mode structurel, thermique et thermomécanique. Cet outil est principalement conçu et testé pour les ingénieurs d’intégrité mécanique et de modélisation thermique du moteur. Ces derniers ont besoin de données différentes des analyses, pour cela, un flux de travail a été créé permettant à l’utilisateur de faire du pré-traitement, du traitement et du post-traitement. L’implémentation du flux de travail a été rendu possible grâce à l’automatisation.

L’outil créé dans la plateforme digitale inclut l’automatisation des analyses du moteur thermique. L’utilisateur peut générer une quantité importante de données d’entrée qui définissent le cycle du moteur soit Basic Design Data (BDD) et les résultats des analyses de simulation numérique soit Finite Element Model (FEM) pour différentes configurations de moteur. À la suite des analyses, une étape d’extraction a été mise en place ainsi qu’une interface utilisateur pour faciliter le post-traitement ce qui permet aux utilisateurs de choisir les quantités voulues comme les déplacements, contraintes et températures. Cette plateforme et application multidisciplinaire a pour but de réduire le temps du cycle et les coûts de conception tout en améliorant la qualité et la robustesse du procédé de conception.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in aerospace engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 73-75).
Mots-clés libres:	automatisation, intégration, analyse par éléments finis, basic design data, gain de temps
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Moustapha, Hany
Codirecteur:	Codirecteur Garnier, François
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	01 févr. 2022 20:57
Dernière modification:	01 févr. 2022 20:57
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2528

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