搜索ANSYS的渦軸發動機組合壓氣機轉子仿真分析
2013-06-20 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
參數化設計是一種解決設計約束問題的數學方法,它是在結構形狀比較定型時,用一組參數來約定尺寸的關系,然后通過尺寸驅動達到改變結構形狀的目的。參數化設計廣泛應用于機械產品的建模中 。近年來開始將參數化的思想融入到有限元分析中,提出了基于結構參數化的有限元分析 。但是,由于只能進行幾何模型的參數化,參數化程度比較淺。于是,提出了全參數驅動的有限元分析方法,即對有限元分析的前、后處理進行參數化,包括幾何模型、有限元網格劃分、約束邊界條件、載荷、材料性能、單元類型、分析類型和后處理類型的參數化,自動化程度高,具有發展前途。
ANSYS是目前少數幾種支持參數化設計的有限元分析軟件之一。ANSYS功能強大、通用性好,同時還具有良好的開放性,用戶可以根據具體需要在其標準版本上開發出具有行業分析特點的專用系統。ANSYS提供了三種二次開發工具:參數化程序設計語言(APDL),通過該語言編制參數化有限元分析程序,實現有限元分析過程的全參數化驅動;用戶界面設計語言(UIDL),通過該語言編寫或改造ANSYS圖形界面,使其更符合行業分析特點;用戶程序特性(UPFs),通過該語言可以從開發程序源代碼的級別上擴充ANSYS的功能。本文渦軸發動機組合壓氣機轉子參數化有限元分析分析系統,其核心內容是參數化模型的定義和可變參數的有限元分析程序的編制,然后利用UIDL語言開發系統操作界面,將各零部件的參數化有限元程序集成于ANSYS環境。
2 渦軸發動機壓氣機結構特點和設計特點
渦軸發動機,是一種輸出軸功率的渦輪噴氣發動機。法國是最先研制渦軸發動機的國家。50年代初,透博梅卡公司研制成世界上第一臺航空渦輪軸發動機,定名為“阿都斯特—l”。渦軸發動機的壓氣機結構形式,從純軸流式、單級離心、雙級離心到軸流與離心混裝一起的組合式壓氣機。當前,直升機的渦軸發動機大多采用的是若干級軸流加一級離心所構成的組合壓氣機。例如,國產渦軸6、渦軸8發動機;“黑鷹”直升機上的T700發動機。渦軸發動機的軸流壓氣機大量采用整體結構,結構簡單,零組件數量少。如將轉子葉片和輪盤做成一體,形成葉盤結構。法國阿赫耶發動機,美國T700發動機均采用了整體葉盤結構。
壓氣機的設計過程是一個氣動設計和結構設計反復修正、協調、計算與實驗的過程。從壓氣機氣動、結構設計流程圖[6]中可以看出在兩個過程中都存在著大量的結構強度分析的內容。此外,從流程圖中還可以看出設計流程存在大量的反復性。作為航空渦軸發動機壓氣機轉子這樣一個復雜的系統,如果每一次結構設計方案的調整和結構強度的分析都是一個新的過程,其中的重復勞動量將是非常巨大的。于是,我們將參數化的設計分析方法引入到渦軸發動機組合壓氣機設計過程中,使得設計分析工作主要是各類零件結構形式的選擇和具體參數的調整,以及對每種設計方案的結構強度分析。這樣可以減少工作人員的工作量,縮短壓氣機的設計周期。
3 參數化有限元分析模型的定義
對于渦軸發動機組合壓氣機這種復雜的非標準件,我們首先對其進行結構分解,可分為軸流輪盤、軸流葉片、離心輪盤、離心大小葉片。我們知道葉盤結構非常復雜,在定義幾何參數時具有一定的難度,這樣我們引入了特征結構的概念,按特征結構對其定義參數。對葉盤結構進行特征分析,各種形式的輪盤都具有輪緣、腹板和輪轂三大基本特征,稱之為基盤,其余形狀則為輔助特征包括突緣、鼓筒、軸徑、安裝邊、均布孔或安裝孔、環槽及篦齒等[7]。基于這種思想我們對某軸流葉盤結構進行研究(圖1),在滿足分析要求的條件下,對結構進行適當簡化并提取結構的幾何參數(表1)。
圖1 某軸流葉盤結構簡圖
表1 結構特征參數表
表2有限元分析參數表
4 APDL參數化有限元分析方法
ANSYS參數化有限元分析程序設計方法與步驟:
(1) 利用參數化設計思想, 根據模型的幾何結構抽象出描述模型的特征參數, 并對實際模型在不影響精度的情況下適當簡化。同時,設置單元類型、單元網格精度、材料參數等有限元分析參數。
(2) 用APDL語言編制包含實體建模、分析過程、結果處理過程的有限元分析程序。
(3) 引入設計分析參數, 構成可變參數的有限元分析程序。
(4) 根據設計分析要求,將參數賦予具體的特征值,進行有限元分析。
圖2 參數化有限元設計分析流程
這樣,在進行結構設計分析時只需重復(4) 就可不斷獲得新的結果, 對于具體使用人員甚至無需了解有限元的具體分析過程與方法, 就可得到有限元分析結果。另外,根據設計要求我們可以增加各種分析功能和后處理功能,也可自己開發新的功能模塊與ANSYS集成,如開發新的優化算法程序等。
5 渦軸發動機組合壓氣機參數化仿真實例
在進行復雜零部件參數化設計分析時,首先,將復雜零部件按特征分解;然后引入模塊拼合關系作為約束,建立零部件參數間函數關系,從而實現了復雜三維零部件實體模型的參數化設計分析。基于上述思想我們實現了渦軸發動機組合壓氣機轉子的參數化仿真,其由三級軸流式,一級離心式葉盤組成。
圖3 UIDL開發的系統界面
圖4軸流葉片有限元分析模型
圖5軸流輪盤參數化有限元分析模型
圖6軸流葉盤參數化有限元分析模型
圖7 軸流葉盤參數化有限元分析等效應力
圖8組合壓氣機轉子參數化有限元分析模型
圖9 參數化有限元分析等效應力
6 結論
(1)將參數化設計思想引入到渦軸發動機組合壓氣機整體葉盤的設計分析中,設計人員每次只需調整具體結構參數及有限元分析參數,進行有限元計算。而無需進行重復建模,這樣,節省了大量時間,可以縮短組合壓氣機的設計周期。
(2)參數化設計思想引入,使得設計人員,可以根據設計要求對各分結構進行有限元分析,如各級葉片、各級輪盤、各級葉盤等的有限元分析。
(3)在基于結構參數化的基礎上,設計人員可以方便的進行結構的2D/3D優化設計。
(4)隨著我們各種結構形式葉盤參數化模型庫的豐富,設計人員只需根據設計要求選擇某種結構,進行參數調整,即可組合成整個壓氣機進行分析,可以實現設計分析的半自動化。
[參考文獻]
[1] 王 堅,黃金國,向文等.參數化特征造型系統FMT[J].高技術通訊,1994.(7).
[2] 平雪良,朱廣平,周來水.一種新的參數化設計方法[J].東南大學學報,1997.27(5).
[3] 陳德人.參數化設計模型與方法[J].浙江大學學報,1995.29(2).
[4] 陳 偉,何 飛,溫衛東.基于結構參數化的有限元分析方法[J].機械科學與技術,2003.6.
[5] 黃菊花等.材料成形計算機模擬中的參數化有限元法[J].中國機械工程,2003.1.
[6] 航空發動機設計手冊(壓氣機分冊).北京:航空工業出版社,2000.
[7] 馬 枚等.并行工程環境下基于約束的葉盤結構建模與分析[J].航空動力學報,1998.10.
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