Abaqus在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

2016-12-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

發(fā)動(dòng)機(jī)是飛行器的心臟,它每個(gè)部件的性能、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣好壞對(duì)于飛行器而言都是很重要的,因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)零部件進(jìn)行有限元分析是非常必要的。

軸系

軸系在工作中承受的主要載荷有:

扭矩
軸向載荷
慣性載荷
不平衡彎曲載荷

主要涉及彈塑性、靜動(dòng)力分析、疲勞分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等有限元分析類型。

Abaqus具有多種塑性和蠕變本構(gòu)模型,從而方便準(zhǔn)確地進(jìn)行軸系的熱彈塑性計(jì)算。

Abaqus模態(tài)分析功能可以方便地同時(shí)計(jì)算出軸系預(yù)應(yīng)力下的模態(tài)及自振頻率,通過頻率優(yōu)化進(jìn)行錯(cuò)頻,可以避免軸系發(fā)生共振現(xiàn)象。

Fe-safe疲勞分析能方便地輸入如載荷譜等復(fù)雜的載荷邊界條件,允許各種方式的載荷組合,含有多種疲勞損傷模型,提供了豐富的材料庫,并允許用戶方便地?cái)U(kuò)充和修改,完全能滿足軸系疲勞計(jì)算的要求。

主軸產(chǎn)生疲勞斷裂的部位,常在局部高應(yīng)力區(qū),如臺(tái)肩、圓角、齒槽、螺紋和小孔附近,是故障常見區(qū)域,進(jìn)行疲勞強(qiáng)度分析對(duì)主軸的設(shè)計(jì)有重要意義,Abaqus對(duì)此提供了全面的分析工具。

盤系

盤系承受的主要載荷有:

旋轉(zhuǎn)引起的離心載荷和葉片對(duì)它施加的徑向載荷
溫度場(chǎng)引起的熱載荷(尤其對(duì)渦輪盤)
機(jī)動(dòng)載荷
氣動(dòng)載荷

Abaqus的彈塑性、粘塑性分析可以進(jìn)行盤系的靜力計(jì)算和模態(tài)計(jì)算和動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算等;Abaqus/Explicit提供了顯式求解器,它可有效地完成瞬態(tài)動(dòng)力分析。

渦輪盤處在高溫、高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷的工作環(huán)境,蠕變計(jì)算變得非常重要,尤其是當(dāng)盤的局部進(jìn)入塑性時(shí),蠕變疲勞交互作用對(duì)渦輪盤的壽命具有很大的影響。Abaqus軟件提供了顯示、隱式蠕變模型,用戶還可以通過用戶子程序建立自己的蠕變本構(gòu)模型。

除無約束、無阻尼模態(tài)分析外,Abaqus還提供了預(yù)應(yīng)力模態(tài)和復(fù)模態(tài)(有阻尼)分析的功能,可深入地研究盤系、軸系的動(dòng)力特性。針對(duì)渦輪盤結(jié)構(gòu)形式具有周期對(duì)稱的特點(diǎn),Abaqus還提供了循環(huán)對(duì)稱模態(tài)分析功能,只需取一個(gè)扇區(qū)進(jìn)行計(jì)算,后處理中可方便地得到整個(gè)渦輪盤的振型,并繪制出振型圖,而且不需要對(duì)沉面的節(jié)點(diǎn)匹配。

Abaqus斷裂力學(xué)分析,可以進(jìn)行裂紋區(qū)域的模擬和計(jì)算斷裂參數(shù),裂紋區(qū)域的模擬包括2D和3D斷裂模型,可以計(jì)算的斷裂參數(shù)有應(yīng)力強(qiáng)度因子、J積分和能量釋放率等?？梢詤f(xié)助完成對(duì)盤系的損傷容限分析。

對(duì)于某些帶有很小冷卻孔的盤或葉片,在進(jìn)行盤、葉片或盤葉整體計(jì)算分析時(shí),由于規(guī)模比較大,在Abaqus軟件中可以進(jìn)行子模型結(jié)構(gòu)分析,先進(jìn)行整體“粗網(wǎng)格計(jì)算”,然后根據(jù)粗網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果選出關(guān)心的部位。再建立關(guān)心部位的局部模型,對(duì)局部模型進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分,通過整體模型得到局部模型邊界條件,進(jìn)行局部模型的求解。Abaqus的子模型分析功能可自動(dòng)從整體計(jì)算結(jié)果中取出細(xì)分區(qū)域邊界上的位移結(jié)果,并自動(dòng)插值施加在子區(qū)模型的邊界上。

對(duì)帶有冷卻孔的盤,冷卻分析也十分重要。利用Abaqus分析可以得到它的溫度場(chǎng)情況。

葉片

葉片在發(fā)動(dòng)機(jī)里,是最重要的部件,它的受力在發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件里是最惡劣的。承受的主要載荷有:

旋轉(zhuǎn)引起的離心載荷
熱載荷
隨機(jī)載荷
氣動(dòng)力
交變力

在新型的發(fā)動(dòng)機(jī)里,單晶材料和定向結(jié)晶材料等新型材料已廣泛地應(yīng)用于渦輪葉片上,Abaqus可以計(jì)算上述各向異性材料,并且可以考慮材料主軸與總體坐標(biāo)不一致的情況。

Abaqus/Standard的結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析可以進(jìn)行葉片的模態(tài)計(jì)算和動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算等。

Abaqus/Explicit提供了顯式求解器,它可以使用戶有效地完成動(dòng)態(tài)分析,模擬發(fā)動(dòng)機(jī)吸入飛鳥和異物時(shí),對(duì)葉片撞擊分析。

在進(jìn)行葉片蠕變計(jì)算時(shí),Abaqus可以同時(shí)考慮材料的各向異性。

對(duì)于葉片而言,熱疲勞是非常關(guān)鍵的,Abaqus可以輸入隨時(shí)間變化的溫度載荷和離心力,使常規(guī)疲勞和熱疲勞的計(jì)算變得容易和準(zhǔn)確。

對(duì)于渦輪葉片榫頭,要準(zhǔn)確地計(jì)算葉片榫頭的應(yīng)力場(chǎng),就必須考慮葉片榫頭與盤榫齒的接觸。Abaqus強(qiáng)大的接觸計(jì)算能力支持點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-面、面-面接觸,并且有多種摩擦模型可供選擇。接觸收斂問題是困繞計(jì)算分析人員的一大難題,Abaqus默認(rèn)的接觸參數(shù)設(shè)置,可以讓分析人員通過最小的干預(yù),得到計(jì)算結(jié)果。

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣

發(fā)動(dòng)機(jī)靜子和機(jī)匣承受的主要載荷有:

氣動(dòng)載荷
溫度載荷
地面吊運(yùn)載荷
隨機(jī)振動(dòng)

Abaqus的彈塑性分析可以解決限制載荷、極限壓力、疲勞和變形等問題,蠕變分析功能可以準(zhǔn)確地進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣蠕變計(jì)算分析。

轉(zhuǎn)子包容性設(shè)計(jì)是機(jī)匣設(shè)計(jì)當(dāng)中重要的一環(huán)。Abaqus/Explicit顯式動(dòng)力求解功能可有效地進(jìn)行包容性分析,模擬發(fā)動(dòng)機(jī)吸入飛鳥等各類異物時(shí),異物與葉片的撞擊、葉片的破碎及對(duì)機(jī)匣的撞擊。

Abaqus的動(dòng)力分析可以準(zhǔn)確的進(jìn)行模態(tài)分析和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析,通過計(jì)算結(jié)果可以對(duì)機(jī)匣進(jìn)行剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)。

燃燒室/加力燃燒室/推進(jìn)劑

燃燒室和加力燃燒室是發(fā)動(dòng)機(jī)部件中溫度環(huán)境最高的,承受的主要載荷有:

氣動(dòng)載荷
溫度載荷
質(zhì)量慣性力

Abaqus的結(jié)構(gòu)分析能解決燃燒室和加力燃燒室設(shè)計(jì)中遇到的下列問題:

彈塑性
熱力分析(2000K左右的高溫環(huán)境)
疲勞蠕變交互作用
優(yōu)化設(shè)計(jì)

燃燒室和火焰筒等高溫部件的熱設(shè)計(jì)對(duì)保證其正常工作是至關(guān)重要的,另外還有熱應(yīng)力、熱疲勞、靜力等分析內(nèi)容,Abaqus產(chǎn)品系列可對(duì)其進(jìn)行全面的計(jì)算分析。

發(fā)動(dòng)機(jī)鳥撞分析

據(jù)概略統(tǒng)計(jì),全球每年大約發(fā)生1萬次鳥撞飛機(jī)事件,國際航空聯(lián)合會(huì)已把鳥害升級(jí)為“A”類航空災(zāi)難。鳥撞對(duì)航空器尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)的破壞是災(zāi)難性的:一只0.45千克重的飛鳥與時(shí)速500公里的飛機(jī)相撞時(shí),沖擊力為8000多公斤,足以使發(fā)動(dòng)機(jī)葉片或外罩等嚴(yán)重變形或斷裂,造成災(zāi)難性后果。因此,航空發(fā)動(dòng)機(jī)的抗鳥撞性能一直是設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo),現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)研制時(shí)都要進(jìn)行鳥撞物理試驗(yàn),從最初的每只0.8公斤的單鳥撞擊到現(xiàn)在的每只3.6公斤的多鳥撞擊試驗(yàn),通常要求發(fā)動(dòng)機(jī)在鳥撞后仍保持足夠的推力和能夠繼續(xù)飛行約20分鐘。對(duì)于現(xiàn)代設(shè)計(jì)來說,由于鳥撞物理試驗(yàn)費(fèi)用昂貴、周期長、難以提供足夠的信息,因而通常都只是驗(yàn)證性的試驗(yàn),在研究過程中,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元仿真模擬的技術(shù)得到廣泛的采用,并成為主要的研究手段。

由于極高的撞擊速度,此過程中飛鳥肌體將發(fā)生流動(dòng)變形和解體而四處拋灑,發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)亦將產(chǎn)生大變形,甚至發(fā)生破壞,例如發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片斷裂等

發(fā)動(dòng)機(jī)一般是在運(yùn)行過程中收到鳥類的沖擊,運(yùn)行過程中本身就會(huì)使得葉片產(chǎn)生離心力,對(duì)于離心力分析,不能直接采用顯示分析,必須使用隱式分析。但是在撞擊的過程是一個(gè)非常短暫的過程,必須使用顯式分析。Abaqus既提供顯式求解器,也提供了隱式求解器,這樣為發(fā)動(dòng)機(jī)的撞擊提供了非常好的平臺(tái)。目前在世界范圍內(nèi),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)鳥撞進(jìn)行分析仿真中,Abaqus得到了廣泛采用。

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噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片剝離模擬

葉片剝離是一種嚴(yán)重事故,同時(shí)從力學(xué)上講是高度動(dòng)態(tài)和高度非線性問題。

發(fā)動(dòng)機(jī)外殼必須防止脫離的葉片擊穿
發(fā)動(dòng)機(jī)還要能在葉片剝離導(dǎo)致的不平衡力作用下繼續(xù)工作

由于實(shí)驗(yàn)消耗很大, 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證可以采用Abaqus/Explicit來進(jìn)行模擬。

Abaqus /Explicit 特性:

非線性材料本構(gòu)
強(qiáng)健的接觸算法
通用接觸
并行運(yùn)算來減小分析時(shí)間

渦輪風(fēng)扇模型

14,670 板殼單元
轉(zhuǎn)速:10,000 rpm
殼體直徑: 900 mm

應(yīng)用 Abaqus/Standard分析勻轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)扇的狀態(tài),將上述分析結(jié)果為基礎(chǔ)在Abaqus/Explicit 中進(jìn)行后續(xù)的動(dòng)態(tài)分析

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發(fā)動(dòng)機(jī)撞擊分析

發(fā)動(dòng)機(jī)在撞擊過程中的響應(yīng)問題,一直是大家所關(guān)注的,Abaqus強(qiáng)大的非線性碰撞功能,可以對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的碰撞問題進(jìn)行很好的模擬,某公司采用Abaqus/Explicit對(duì)波音747的發(fā)動(dòng)機(jī)撞擊鋼筋混凝土墻進(jìn)行了模擬。

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