ANSYS渦軸發(fā)動機(jī)組合壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)化仿真系統(tǒng)

2013-08-11 by:廣州有限元培訓(xùn)實(shí)踐中心來源:仿真在線

1 前言

參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種解決設(shè)計(jì)約束問題的數(shù)學(xué)方法,它是在結(jié)構(gòu)形狀比較定型時,用一組參數(shù)來約定尺寸的關(guān)系,然后通過尺寸驅(qū)動達(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)動的有限元分析方法,即對有限元分析的前、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)語言(APDL),通過該語言編制參數(shù)化有限元分析程序,實(shí)現(xiàn)有限元分析過程的全參數(shù)化驅(qū)動;用戶界面設(shè)計(jì)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(yè)分析特點(diǎn);用戶程序特性(UPFs),通過該語言可以從開發(fā)程序源代碼的級別上擴(kuò)充ANSYS的功能。本文渦軸發(fā)動機(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)動機(jī),是一種輸出軸功率的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)。法國是最先研制渦軸發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī),定名為“阿都斯特—l”。渦軸發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)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(jī)。當(dāng)前,直升機(jī)的渦軸發(fā)動機(jī)大多采用的是若干級軸流加一級離心所構(gòu)成的組合壓氣機(jī)。例如,國產(chǎn)渦軸6、渦軸8發(fā)動機(jī);“黑鷹”直升機(jī)上的T700發(fā)動機(jī)。渦軸發(fā)動機(jī)的軸流壓氣機(jī)大量采用整體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單,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)。法國阿赫耶發(fā)動機(jī),美國T700發(fā)動機(jī)均采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)。

壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)過程是一個氣動設(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)的過程。從壓氣機(jī)氣動、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖[6]中可以看出在兩個過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)動機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子這樣一個復(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)度的分析都是一個新的過程,其中的重復(fù)勞動量將是非常巨大的。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)動機(jī)組合壓氣機(jī)設(shè)計(jì)過程中,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

對于渦軸發(fā)動機(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)對其定義參數(shù)。對葉盤結(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?；谶@種思想我們對某軸流葉盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,在滿足分析要求的條件下,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化并提取結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)(表1)。

表1 結(jié)構(gòu)特征參數(shù)表

ANSYS渦軸發(fā)動機(jī)組合壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)化仿真系統(tǒng)ansys分析案例圖片1

表2有限元分析參數(shù)表

ANSYS渦軸發(fā)動機(jī)組合壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)化仿真系統(tǒng)ansys圖片圖片2

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), 并對實(shí)際模型在不影響精度的情況下適當(dāng)簡化。同時,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語言編制包含實(shí)體建模、分析過程、結(jié)果處理過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。

    這樣,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析時只需重復(fù)(4) 就可不斷獲得新的結(jié)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(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,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)動機(jī)組合壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的參數(shù)化仿真,其由三級軸流式,一級離心式葉盤組成。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才