搜索ANSYS的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)組合壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子仿真分析
2013-06-20 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種解決設(shè)計(jì)約束問(wèn)題的數(shù)學(xué)方法,它是在結(jié)構(gòu)形狀比較定型時(shí),用一組參數(shù)來(lái)約定尺寸的關(guān)系,然后通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)達(dá)到改變結(jié)構(gòu)形狀的目的。參數(shù)化設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的建模中 。近年來(lái)開始將參數(shù)化的思想融入到有限元分析中,提出了基于結(jié)構(gòu)參數(shù)化的有限元分析 。但是,由于只能進(jìn)行幾何模型的參數(shù)化,參數(shù)化程度比較淺。于是,提出了全參數(shù)驅(qū)動(dòng)的有限元分析方法,即對(duì)有限元分析的前、后處理進(jìn)行參數(shù)化,包括幾何模型、有限元網(wǎng)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(shù)化,自動(dòng)化程度高,具有發(fā)展前途。
ANSYS是目前少數(shù)幾種支持參數(shù)化設(shè)計(jì)的有限元分析軟件之一。ANSYS功能強(qiáng)大、通用性好,同時(shí)還具有良好的開放性,用戶可以根據(jù)具體需要在其標(biāo)準(zhǔn)版本上開發(fā)出具有行業(yè)分析特點(diǎn)的專用系統(tǒng)。ANSYS提供了三種二次開發(fā)工具:參數(shù)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(APDL),通過(guò)該語(yǔ)言編制參數(shù)化有限元分析程序,實(shí)現(xiàn)有限元分析過(guò)程的全參數(shù)化驅(qū)動(dòng);用戶界面設(shè)計(jì)語(yǔ)言(UIDL),通過(guò)該語(yǔ)言編寫或改造ANSYS圖形界面,使其更符合行業(yè)分析特點(diǎn);用戶程序特性(UPFs),通過(guò)該語(yǔ)言可以從開發(fā)程序源代碼的級(jí)別上擴(kuò)充ANSYS的功能。本文渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)組合壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)化有限元分析分析系統(tǒng),其核心內(nèi)容是參數(shù)化模型的定義和可變參數(shù)的有限元分析程序的編制,然后利用UIDL語(yǔ)言開發(fā)系統(tǒng)操作界面,將各零部件的參數(shù)化有限元程序集成于ANSYS環(huán)境。
2 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)
渦軸發(fā)動(dòng)機(jī),是一種輸出軸功率的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。法國(guó)是最先研制渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)家。50年代初,透博梅卡公司研制成世界上第一臺(tái)航空渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī),定名為“阿都斯特—l”。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)形式,從純軸流式、單級(jí)離心、雙級(jí)離心到軸流與離心混裝一起的組合式壓氣機(jī)。當(dāng)前,直升機(jī)的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用的是若干級(jí)軸流加一級(jí)離心所構(gòu)成的組合壓氣機(jī)。例如,國(guó)產(chǎn)渦軸6、渦軸8發(fā)動(dòng)機(jī);“黑鷹”直升機(jī)上的T700發(fā)動(dòng)機(jī)。渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的軸流壓氣機(jī)大量采用整體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,零組件數(shù)量少。如將轉(zhuǎn)子葉片和輪盤做成一體,形成葉盤結(jié)構(gòu)。法國(guó)阿赫耶發(fā)動(dòng)機(jī),美國(guó)T700發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)。
壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反復(fù)修正、協(xié)調(diào)、計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。從壓氣機(jī)氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖[6]中可以看出在兩個(gè)過(guò)程中都存在著大量的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的內(nèi)容。此外,從流程圖中還可以看出設(shè)計(jì)流程存在大量的反復(fù)性。作為航空渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),如果每一次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的調(diào)整和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析都是一個(gè)新的過(guò)程,其中的重復(fù)勞動(dòng)量將是非常巨大的。于是,我們將參數(shù)化的設(shè)計(jì)分析方法引入到渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)組合壓氣機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中,使得設(shè)計(jì)分析工作主要是各類零件結(jié)構(gòu)形式的選擇和具體參數(shù)的調(diào)整,以及對(duì)每種設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。這樣可以減少工作人員的工作量,縮短壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)周期。
3 參數(shù)化有限元分析模型的定義
對(duì)于渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)組合壓氣機(jī)這種復(fù)雜的非標(biāo)準(zhǔn)件,我們首先對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,在定義幾何參數(shù)時(shí)具有一定的難度,這樣我們引入了特征結(jié)構(gòu)的概念,按特征結(jié)構(gòu)對(duì)其定義參數(shù)。對(duì)葉盤結(jié)構(gòu)進(jìn)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(huán)槽及篦齒等[7]?；谶@種思想我們對(duì)某軸流葉盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究(圖1),在滿足分析要求的條件下,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化并提取結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)(表1)。
圖1 某軸流葉盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
表1 結(jié)構(gòu)特征參數(shù)表
表2有限元分析參數(shù)表
4 APDL參數(shù)化有限元分析方法
ANSYS參數(shù)化有限元分析程序設(shè)計(jì)方法與步驟:
(1) 利用參數(shù)化設(shè)計(jì)思想, 根據(jù)模型的幾何結(jié)構(gòu)抽象出描述模型的特征參數(shù), 并對(duì)實(shí)際模型在不影響精度的情況下適當(dāng)簡(jiǎn)化。同時(shí),設(shè)置單元類型、單元網(wǎng)格精度、材料參數(shù)等有限元分析參數(shù)。
(2) 用APDL語(yǔ)言編制包含實(shí)體建模、分析過(guò)程、結(jié)果處理過(guò)程的有限元分析程序。
(3) 引入設(shè)計(jì)分析參數(shù), 構(gòu)成可變參數(shù)的有限元分析程序。
(4) 根據(jù)設(shè)計(jì)分析要求,將參數(shù)賦予具體的特征值,進(jìn)行有限元分析。
圖2 參數(shù)化有限元設(shè)計(jì)分析流程
這樣,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析時(shí)只需重復(fù)(4) 就可不斷獲得新的結(jié)果, 對(duì)于具體使用人員甚至無(wú)需了解有限元的具體分析過(guò)程與方法, 就可得到有限元分析結(jié)果。另外,根據(jù)設(shè)計(jì)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(fā)新的功能模塊與ANSYS集成,如開發(fā)新的優(yōu)化算法程序等。
5 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)組合壓氣機(jī)參數(shù)化仿真實(shí)例
在進(jìn)行復(fù)雜零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)分析時(shí),首先,將復(fù)雜零部件按特征分解;然后引入模塊拼合關(guān)系作為約束,建立零部件參數(shù)間函數(shù)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜三維零部件實(shí)體模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)分析。基于上述思想我們實(shí)現(xiàn)了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)組合壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的參數(shù)化仿真,其由三級(jí)軸流式,一級(jí)離心式葉盤組成。
圖3 UIDL開發(fā)的系統(tǒng)界面
圖4軸流葉片有限元分析模型
圖5軸流輪盤參數(shù)化有限元分析模型
圖6軸流葉盤參數(shù)化有限元分析模型
圖7 軸流葉盤參數(shù)化有限元分析等效應(yīng)力
圖8組合壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)化有限元分析模型
圖9 參數(shù)化有限元分析等效應(yīng)力
6 結(jié)論
(1)將參數(shù)化設(shè)計(jì)思想引入到渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)組合壓氣機(jī)整體葉盤的設(shè)計(jì)分析中,設(shè)計(jì)人員每次只需調(diào)整具體結(jié)構(gòu)參數(shù)及有限元分析參數(shù),進(jìn)行有限元計(jì)算。而無(wú)需進(jìn)行重復(fù)建模,這樣,節(jié)省了大量時(shí)間,可以縮短組合壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)周期。
(2)參數(shù)化設(shè)計(jì)思想引入,使得設(shè)計(jì)人員,可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)各分結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,如各級(jí)葉片、各級(jí)輪盤、各級(jí)葉盤等的有限元分析。
(3)在基于結(jié)構(gòu)參數(shù)化的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)人員可以方便的進(jìn)行結(jié)構(gòu)的2D/3D優(yōu)化設(shè)計(jì)。
(4)隨著我們各種結(jié)構(gòu)形式葉盤參數(shù)化模型庫(kù)的豐富,設(shè)計(jì)人員只需根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇某種結(jié)構(gòu),進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,即可組合成整個(gè)壓氣機(jī)進(jìn)行分析,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)分析的半自動(dòng)化。
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