搜索ANSYS對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真方案
2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線(xiàn)
第三章航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿真方案
1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)概況
1903年12月17日,美國(guó)萊特兄弟實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)歷史上首次有動(dòng)力、載人、持續(xù)、穩(wěn)定和可操作的重于空氣飛行器的飛行。這使得幾千年來(lái)由少數(shù)人從事的飛行探索事業(yè)在后來(lái)的百年中發(fā)展成為對(duì)世界政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和技術(shù),甚至人們的生活方式都有重要影響的航空業(yè)。
因此,從狹義上說(shuō),航空發(fā)動(dòng)機(jī)是航空器飛行的動(dòng)力,是航空器的“心臟”;從廣義上說(shuō),航空發(fā)動(dòng)機(jī)是航空事業(yè)發(fā)展的推動(dòng)力,對(duì)航空器的性能和研制有著決定性的影響。
1.1.世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展歷史
航空發(fā)動(dòng)機(jī)百余年的發(fā)展歷史大致可分為兩個(gè)時(shí)期:第一個(gè)時(shí)期從萊特兄弟的首次飛行開(kāi)始到二次世界大戰(zhàn)結(jié)束為止。這個(gè)時(shí)期內(nèi),活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)統(tǒng)治了40年左右的時(shí)間。第二個(gè)時(shí)期是從二次世界大戰(zhàn)結(jié)束至今,燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)取代了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī),居航空動(dòng)力的主導(dǎo)地位,開(kāi)創(chuàng)了噴氣時(shí)代。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的60多年發(fā)展歷程中,大致經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代:
第一代是單轉(zhuǎn)子亞音速?lài)姎獍l(fā)動(dòng)機(jī)。這一代發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)在20世紀(jì)30~40年代研制,40年代末50年代初投入使用。壓氣機(jī)采用離心式和軸流式兩種,總增壓比在5左右,單管燃燒室,單級(jí)渦輪;推重比3左右。有代表性的機(jī)種有:美國(guó)的J47(TG-190)、前蘇聯(lián)的VK-1和法國(guó)的阿塔(Atar)發(fā)動(dòng)機(jī)。
第二代是超聲速渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。這些發(fā)動(dòng)機(jī)在第一代發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上有了許多創(chuàng)新,大都在50年代研制。主要技術(shù)特點(diǎn)是:雙轉(zhuǎn)子、進(jìn)口導(dǎo)流葉片可調(diào)、超聲速壓氣機(jī)、高溫渦輪、推重比達(dá)到5左右。用這一代發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的飛機(jī)都是超聲速戰(zhàn)斗機(jī)。代表機(jī)種有:美國(guó)的J79和前蘇聯(lián)的R11-300R。
第三代是超聲速渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。這一代發(fā)動(dòng)機(jī)的研制始于60年代,主要技術(shù)特點(diǎn)是:渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、核心機(jī)技術(shù),2D設(shè)計(jì)、環(huán)形燃燒室、氣冷渦輪、結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)、新材料、推重比8。這一代發(fā)動(dòng)機(jī)的成長(zhǎng)得益于全世界各種大型試驗(yàn)設(shè)備的建設(shè)、計(jì)算技術(shù)和制造技術(shù)的發(fā)展。用這一代發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的飛機(jī)都是高性能超聲速戰(zhàn)斗機(jī)。代表機(jī)種有:美國(guó)的F404和F100、前蘇聯(lián)的AL31F和RD33、英國(guó)的RB199和法國(guó)的M88-2。
第四代是先進(jìn)技術(shù)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。這一代從80年代中期開(kāi)始發(fā)展,目前仍處于研制階段。主要技術(shù)特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,抗撞擊能力強(qiáng),具有良好的耐久性可維護(hù)性;增加了不加力條件下的持續(xù)超聲速巡航能力、采用2D噴管的有限矢量推力能力和隱身能力。第四代發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比為9~10。代表機(jī)種有:美國(guó)的F119、前蘇聯(lián)的AL-41F和英國(guó)的EJ200。
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在60多年的發(fā)展歷史中經(jīng)歷了眾多技術(shù)進(jìn)步,如表3-1-1所示:
表3-1-1航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)進(jìn)步
目前,美、英第一、二代均已退役,第三代是現(xiàn)役主力機(jī)種。由于其性能先進(jìn),且還在不斷改進(jìn)改型,服役期比第一、二代長(zhǎng)很多,估計(jì)將使用到2010年左右,俄、法、日、印、韓等國(guó)第二、第三代并存,以第三代為主。
第四代戰(zhàn)斗機(jī)是美、蘇冷戰(zhàn)對(duì)抗時(shí)期開(kāi)始研制的,原計(jì)劃90年代中期裝備部隊(duì)。自蘇聯(lián)和華約解體后,是否還需要繼續(xù)發(fā)展,在美國(guó)和西歐開(kāi)展了一場(chǎng)大辯論。許多國(guó)會(huì)議員提出,將F15、F16經(jīng)現(xiàn)代化改裝后,就可以達(dá)到應(yīng)付未來(lái)“地區(qū)沖突”的要求。在此影響下,德國(guó)曾一度退出歐洲戰(zhàn)斗機(jī)EF2000發(fā)展計(jì)劃。但辯論的結(jié)果認(rèn)為:F15、F16經(jīng)改裝后,不能跨越“代”的鴻溝。為了滿(mǎn)足“全球到達(dá),全球力量”的戰(zhàn)略目標(biāo),發(fā)展第四代戰(zhàn)斗機(jī)是必須的。這場(chǎng)辯論使第四代戰(zhàn)斗機(jī)的裝備時(shí)間推遲了十年左右。第四代戰(zhàn)斗機(jī)具有隱身、過(guò)失速機(jī)動(dòng)、不加力超聲速巡航、短距起降、超視距多目標(biāo)攻擊和裝備更先進(jìn)的航空電子與武器系統(tǒng)等許多特點(diǎn),較之第三代具有全面優(yōu)勢(shì)。據(jù)報(bào)道,F22與F15相比,每飛行小時(shí)的維修工時(shí)降低約70%,其綜合作戰(zhàn)效能提高近10倍。但由于F22太貴,難以大量裝備部隊(duì),又決定同時(shí)研制裝單臺(tái)F119發(fā)動(dòng)機(jī)(推力增大型)的JSF聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī),已有近10個(gè)國(guó)家參與該項(xiàng)計(jì)劃。該機(jī)三種型別(常規(guī)型、短距起飛/垂直降落型和垂直起降型)的意向訂貨量高達(dá)3300架左右,總價(jià)達(dá)1800億美元的訂單已被馬丁公司所得。美國(guó)將以聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)JSF和F22這兩種第四代戰(zhàn)斗機(jī)輕重搭配跨入21世紀(jì),從2003年起陸續(xù)裝備部隊(duì),全面取代現(xiàn)役的第三代戰(zhàn)斗機(jī),成為美國(guó)、部分西方國(guó)家、甚至我國(guó)部分周邊國(guó)家和地區(qū)21世紀(jì)上半葉的主戰(zhàn)機(jī)種。
西方各國(guó)對(duì)航空動(dòng)力技術(shù)的預(yù)先研究一向給予極大重視,開(kāi)展了一系列大型研究計(jì)劃。如美國(guó)軍方早從50年代中期就開(kāi)始實(shí)施航空推進(jìn)技術(shù)探索發(fā)展計(jì)劃;70年代初至80年代又相繼實(shí)施了先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃(ATFE)、先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器計(jì)劃(ATEGG)和飛機(jī)推進(jìn)分系統(tǒng)綜合計(jì)劃;70年代末以來(lái),美國(guó)政府(由NASA主持)也先后實(shí)施了發(fā)動(dòng)機(jī)部件改進(jìn)計(jì)劃、高效節(jié)能發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃(E3)、先進(jìn)螺旋槳計(jì)劃和發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件技術(shù)計(jì)劃(HOST)。正是這些研究計(jì)劃,為各種先進(jìn)軍、民用發(fā)動(dòng)機(jī)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),才使得美國(guó)達(dá)到了當(dāng)今世界的領(lǐng)先水平,使軍、民用發(fā)動(dòng)機(jī)跨上了一個(gè)又一個(gè)技術(shù)新臺(tái)階。航空動(dòng)力行業(yè)已成為世界各航空強(qiáng)國(guó)的軍事工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。
美國(guó)在研制第四代F119發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí),從1988年起的15年內(nèi)又投入50億美元巨資,由軍方與政府聯(lián)合主持實(shí)施“綜合高性能發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)計(jì)劃”(即IHPTET計(jì)劃);英國(guó)則著手進(jìn)行先進(jìn)軍用核心發(fā)動(dòng)機(jī)第II階段計(jì)劃(ACME-II)。其共同目標(biāo)是利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、燃燒、傳熱、新材料、新工藝、電子調(diào)節(jié)和計(jì)算機(jī)仿真等方面的最新成就,使推進(jìn)系統(tǒng)的能力在現(xiàn)有基礎(chǔ)上翻一番,預(yù)計(jì)2020年后有可能研制出第五代推重比為15~20的發(fā)動(dòng)機(jī)。這意味著他們用15年左右的時(shí)間,在推重比、耗油率、成本等方面取得的技術(shù)進(jìn)步,相當(dāng)于過(guò)去30~40年的成就,充分表明世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢(shì)。
1.2.我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展歷史
我國(guó)航空動(dòng)力行業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的建設(shè),從無(wú)到有,由小到大,在維護(hù)修理、測(cè)繪仿制、批量生產(chǎn)、改進(jìn)改型、民機(jī)開(kāi)發(fā)等方面均取得很大成績(jī)。新機(jī)研制和預(yù)先研究也取得可喜進(jìn)展,共生產(chǎn)了近60000萬(wàn)臺(tái)各型發(fā)動(dòng)機(jī),為建立一支強(qiáng)大的人民空軍、海軍和陸軍航空兵,保障國(guó)家安全和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了重大貢獻(xiàn)。
但是,航空動(dòng)力長(zhǎng)期在測(cè)繪仿制中徘徊,走了不少?gòu)澛?與加速發(fā)展的世界先進(jìn)水平相比,我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)大大落后了。我國(guó)現(xiàn)役軍機(jī)大量使用的發(fā)動(dòng)機(jī),大都是仿制前蘇聯(lián)的產(chǎn)品或者是其改進(jìn)改型,推重比為5~5.5左右,僅相當(dāng)于國(guó)外早已淘汰的第二代水平;民機(jī)動(dòng)力方面,目前生產(chǎn)的仍是仿制前蘇聯(lián)50~60年代的中小型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī),干線(xiàn)民航機(jī)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)基本上還是空白;在航改燃機(jī)方面,80年代在成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上改型了6種型號(hào),生產(chǎn)了百余臺(tái),但僅占我國(guó)近800萬(wàn)千瓦燃機(jī)總裝機(jī)容量的5%左右;從80年代初開(kāi)始的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研,雖取得一定進(jìn)展,但距工程應(yīng)用還有一段較長(zhǎng)的路要走;80年代中期開(kāi)始研制的某發(fā)動(dòng)機(jī),雖已實(shí)現(xiàn)首飛,但距設(shè)計(jì)定型尚需時(shí)日。綜合評(píng)估我國(guó)航空動(dòng)力的總體技術(shù)水平,較國(guó)外相差一代半,落后約25~30年,而且這種差距還有進(jìn)一步拉大的危險(xiǎn)。我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)落后,已成為嚴(yán)重制約整個(gè)航空工業(yè)快速發(fā)展的“瓶頸”,這是不爭(zhēng)的事實(shí)。造成這種局面的原因很多,“冰凍三尺,非一日之寒”,客觀(guān)上航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)十分復(fù)雜,研制難度很大,花錢(qián)多,周期長(zhǎng),我國(guó)工業(yè)和技術(shù)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱,預(yù)研和型號(hào)經(jīng)費(fèi)投入不足;主觀(guān)上對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的復(fù)雜性和規(guī)律性認(rèn)識(shí)不足,對(duì)預(yù)研工作重視不夠,技術(shù)儲(chǔ)備少;攤子大,戰(zhàn)線(xiàn)長(zhǎng),力量分散,型號(hào)品種多。在國(guó)際形勢(shì)出現(xiàn)變化和動(dòng)力技術(shù)快速發(fā)展的新形勢(shì)下,卻未能及時(shí)進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)改造;引進(jìn)仿制機(jī)種過(guò)多,總以為測(cè)仿來(lái)得快,40多年中先后測(cè)仿了來(lái)自國(guó)外的十多種型號(hào),大都是當(dāng)時(shí)該國(guó)的二、三流產(chǎn)品;尤為失策的是對(duì)引進(jìn)技術(shù)未能很好地組織消化、吸收和創(chuàng)新,且引進(jìn)往往擠掉或消弱了國(guó)內(nèi)的新機(jī)研制;長(zhǎng)期過(guò)份強(qiáng)調(diào)型號(hào)牽引,有了型號(hào)才有錢(qián),對(duì)預(yù)先研究、打基礎(chǔ)重視不夠,預(yù)研投資強(qiáng)度太低,結(jié)果使基礎(chǔ)薄弱,技術(shù)儲(chǔ)備不足,許多關(guān)鍵技術(shù)沒(méi)有提前突破,型號(hào)研制成了“無(wú)米之炊”,久攻不下,為了滿(mǎn)足飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的需求而不得不再來(lái)一輪新的引進(jìn)、仿制,從而陷入“惡性循環(huán)”;在管理上,領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)重疊,管理分散,政出多門(mén),意見(jiàn)不一,缺乏穩(wěn)定、權(quán)威的中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃,缺乏科學(xué)的決策程序,型號(hào)和大型預(yù)研項(xiàng)目的“上馬”和“下馬”,往往因機(jī)構(gòu)調(diào)整和人事變動(dòng)而出現(xiàn)大的變化;沒(méi)有協(xié)調(diào)處理好發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)(平臺(tái))、型號(hào)與預(yù)研、全新研制與改進(jìn)改型、自行研制與國(guó)外引進(jìn)、工業(yè)部門(mén)和使用單位之間的關(guān)系;在工業(yè)基礎(chǔ)方面沒(méi)有安排好提前突破先進(jìn)的關(guān)鍵材料和制造工藝。管理上滯后和指導(dǎo)思想上的 不適應(yīng),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展有時(shí)甚至比技術(shù)上落后的影響更大。
事實(shí)上,早在上世紀(jì)60年代,周恩來(lái)總理就指出:我們的飛機(jī)得了“心臟病”。40多年過(guò)去了,這種狀況并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的好轉(zhuǎn),國(guó)內(nèi)民航干線(xiàn)客機(jī)動(dòng)力已全部被國(guó)外所占領(lǐng),而新研軍機(jī)因沒(méi)有自行研制的先進(jìn)動(dòng)力可用,不得不買(mǎi)裝國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)。我軍裝備因動(dòng)力而受制于人,形勢(shì)十分嚴(yán)峻。根治飛機(jī)“心臟病”已刻不容緩,這是擺在我們面前嚴(yán)肅而又緊迫的任務(wù)。圖3-1-1表明,從軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的性能指標(biāo)“推重比”來(lái)看,我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)比呈現(xiàn)出剪刀差的落后趨勢(shì),我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)仿制生產(chǎn)起于50年代初,起步并不算晚,而70年代以后差距愈拉愈大,與世界航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的加速發(fā)展態(tài)勢(shì)形成巨大的反差!
值得特別指出的是,我國(guó)周邊國(guó)家日本早就與美國(guó)合作生產(chǎn)第三代F110發(fā)動(dòng)機(jī),并參與世界一流水平的大型民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)際合作研制,目前又正在與美、英合作研制飛行速度5倍聲速的HYPR-9組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī),力圖在高超聲速推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域搶占領(lǐng)先地位。印度自行研制的GTX-35VS雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),推重比7.5左右,預(yù)計(jì)2002年將裝在他們自行設(shè)計(jì)的LCA輕型戰(zhàn)斗機(jī)上首飛(后改用美國(guó)的F404-F2發(fā)動(dòng)機(jī))。他們計(jì)劃在未來(lái)幾年內(nèi)對(duì)其現(xiàn)有的780架各型作戰(zhàn)飛機(jī)進(jìn)行大規(guī)模更新?lián)Q代,使現(xiàn)役第三代飛機(jī)由目前的230架增加至560多架,還準(zhǔn)備引進(jìn)50架裝有推力矢量噴管的俄制SU-30MKT戰(zhàn)斗機(jī),并計(jì)劃在15年內(nèi)生產(chǎn)150~200架。臺(tái)灣地區(qū)雖未獨(dú)自研制航空發(fā)動(dòng)機(jī),但在美國(guó)人幫助下,合資研制了FTE1042渦扇發(fā)動(dòng)機(jī),并成功地應(yīng)用于“經(jīng)國(guó)號(hào)”輕型戰(zhàn)斗機(jī)(裝備130多架)。此外繼購(gòu)買(mǎi)150架F16A/B之后,又引進(jìn)60架幻影2000-5,明顯地提高了裝備水平,增強(qiáng)了空軍實(shí)力?？梢哉f(shuō),我國(guó)空軍(包括海軍航空兵和陸軍航空兵)的裝備,除了數(shù)量上仍占一定優(yōu)勢(shì)之外,其技術(shù)水平已經(jīng)或即將被這些周邊國(guó)家和地區(qū)趕上和超過(guò)。這種嚴(yán)峻的形勢(shì),對(duì)我國(guó)國(guó)家安全已構(gòu)成嚴(yán)重威脅。對(duì)此我們應(yīng)有高度警惕和足夠的認(rèn)識(shí)。
1.3.新世紀(jì)我國(guó)航空動(dòng)力具有良好的發(fā)展機(jī)遇
雖然我國(guó)還沒(méi)有一臺(tái)自行研制的發(fā)動(dòng)機(jī)投入使用,但經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的努力,我們進(jìn)行了多個(gè)型號(hào)研制,開(kāi)展了推重比8和推重比10發(fā)動(dòng)機(jī)這兩項(xiàng)大型預(yù)研工作,建成了包括大型高空臺(tái)在內(nèi)的基本配套的試驗(yàn)設(shè)施,形成了較強(qiáng)的制造加工能力。特別是改革開(kāi)放20多年來(lái)的快速發(fā)展和對(duì)外合作,為21世紀(jì)航空動(dòng)力的快速發(fā)展打下了較堅(jiān)實(shí)的技術(shù)和人才基礎(chǔ)。
過(guò)去航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要是依賴(lài)于各種試驗(yàn),使得航空產(chǎn)品尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期長(zhǎng)、耗資多、風(fēng)險(xiǎn)高。近年來(lái),由于信息技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)輔助工程仿真(CAE)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展以及大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累,20世紀(jì)90年代以來(lái),在西方航空發(fā)達(dá)國(guó)家引發(fā)了一場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)的“革命”,初步實(shí)現(xiàn)了從“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)”向依靠計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模型優(yōu)化計(jì)算和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真“預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變,從而大大減少了試驗(yàn)工作量,提高了設(shè)計(jì)的成功率,既節(jié)約了經(jīng)費(fèi),又縮短了研制周期。使發(fā)動(dòng)機(jī)的研制周期從過(guò)去的10~15年縮短到6~8年甚至4~5年,試驗(yàn)機(jī)也從過(guò)去的40~50臺(tái)減少到10臺(tái)左右。
我們?nèi)裟芾卫巫プ∵@個(gè)機(jī)遇,在我國(guó)預(yù)研和型號(hào)已取得成果的基礎(chǔ)上,再加大力度引進(jìn)、消化一些國(guó)外的先進(jìn)軟件,建立一套中國(guó)自己的航空動(dòng)力設(shè)計(jì)體系和數(shù)值仿真系統(tǒng),提高設(shè)計(jì)“起跑線(xiàn)”,發(fā)揮“后發(fā)優(yōu)勢(shì)”,不再重復(fù)西方幾十年所走過(guò)的老路。這是我國(guó)航空動(dòng)力走出困境,以較少的投入、較快的速度縮短與國(guó)際先進(jìn)水平差距的有效途徑,也是實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的難得機(jī)遇。
2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中的典型CAE問(wèn)題
如前所述,計(jì)算機(jī)輔助工程分析技術(shù)已經(jīng)在西方航空發(fā)達(dá)國(guó)家引發(fā)了一場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)的“革命”,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域更是如此。其最直接的效益就是:大大減少試驗(yàn)工作量、提高了設(shè)計(jì)成功率、節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)、縮短了研制周期。
現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)CAE分析的要求呈現(xiàn)三大趨勢(shì):一是對(duì)分析的精度要求越來(lái)越高、二是需要分析的對(duì)象越來(lái)越龐大和復(fù)雜(系統(tǒng)級(jí)分析)、三是對(duì)多物理場(chǎng)耦合分析尤其是流固耦合分析的需求越來(lái)越多。下面簡(jiǎn)單羅列一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中的典型CAE問(wèn)題以供參考,在下面幾個(gè)章節(jié)中,我們會(huì)針對(duì)這些問(wèn)題予以更詳細(xì)的說(shuō)明并提出ANSYS的解決方案。
與結(jié)構(gòu)力學(xué)分析相關(guān)的典型問(wèn)題有:
壓氣機(jī)和渦輪的葉片、輪盤(pán)等重要構(gòu)件在考慮溫度、氣動(dòng)力、高速旋轉(zhuǎn)離心力等載荷作用下的強(qiáng)度、振動(dòng)以及高低周疲勞計(jì)算;
高低壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以及與支撐結(jié)構(gòu)相耦合的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在考慮溫度、氣動(dòng)力、高速旋轉(zhuǎn)離心力和陀螺力矩等載荷作用下的動(dòng)力特性(轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué))和不平衡響應(yīng)計(jì)算;
齒輪、軸承、傳動(dòng)軸、機(jī)匣、管路系統(tǒng)以及其它輔機(jī)系統(tǒng)在相應(yīng)復(fù)雜載荷和約束條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)、疲勞計(jì)算;
葉片鳥(niǎo)撞、包容性、抗異物損傷等高度非線(xiàn)性結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算;
……
與計(jì)算流體力學(xué)分析相關(guān)的典型問(wèn)題有
單/多級(jí)風(fēng)扇、單/多級(jí)壓氣機(jī)、單/多級(jí)渦輪、進(jìn)氣道、噴管等零部件氣動(dòng)計(jì)算;
燃油噴射和霧化、燃燒室/加力燃燒室燃燒分析;
渦輪盤(pán)、渦輪葉片、燃燒室、噴管冷卻分析;
飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)匹配氣動(dòng)計(jì)算,以及多相流模擬發(fā)動(dòng)機(jī)地面吞水試驗(yàn);……
與計(jì)算電磁學(xué)分析相關(guān)的典型問(wèn)題有
多/全電發(fā)動(dòng)機(jī)耐高溫高性能磁懸浮軸承、啟動(dòng)發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵零部件電磁特性計(jì)算;
電氣化傳動(dòng)附件電磁特性及EMC/EMI計(jì)算;……
需要高性能計(jì)算的多物理場(chǎng)耦合計(jì)算問(wèn)題示例
風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片的氣動(dòng)-結(jié)構(gòu)耦合分析;
渦輪葉片、渦輪盤(pán)、燃燒室以及噴管的氣動(dòng)-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析;
磁懸浮軸承、啟動(dòng)發(fā)電機(jī)電磁-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析;……
3.航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算需求及ANSYS實(shí)現(xiàn)
計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)分析是航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域最重要、也是最早并且獲得了最廣泛應(yīng)用的CAE方向。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)性能、安全性、可靠性、耐久性、適用性的要求非常高,其重點(diǎn)就是體現(xiàn)在對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)和壽命的設(shè)計(jì)要求上。計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的所有應(yīng)用方向在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中都有很強(qiáng)的需求,本小節(jié)中我們將對(duì)這樣一些主要分析領(lǐng)域的特點(diǎn)和ANSYS解決方案予以簡(jiǎn)要說(shuō)明。
3.1結(jié)構(gòu)靜力分析
結(jié)構(gòu)靜力分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)分析領(lǐng)域中的最基礎(chǔ)應(yīng)用方向,在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中,幾乎所有零部件都會(huì)涉及重要性、程度和精度要求不等的靜力計(jì)算問(wèn)題,其主要目的是獲得結(jié)構(gòu)件的靜強(qiáng)度和靜剛度,并為后續(xù)的其它分析要求服務(wù)。
3.1.1.線(xiàn)性靜力分析
線(xiàn)性靜力分析通常適用于支承及傳力框架、機(jī)匣、附件設(shè)備等對(duì)保形及剛度要求較高的零部件,有時(shí)也用于對(duì)葉片、輪盤(pán)等重要構(gòu)建的前期分析。比如,在發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)中,支承剛度往往是影響整機(jī)振動(dòng)的關(guān)鍵因素,必須對(duì)支承剛度進(jìn)行分析。發(fā)動(dòng)機(jī)常用的彈性支承元件包括彈性環(huán)、鼠籠和拉桿等。通過(guò)有限元靜態(tài)分析,求得在一定載荷作用下結(jié)構(gòu)的變形,進(jìn)一步得到結(jié)構(gòu)的剛度。
對(duì)于CAE程序而言,線(xiàn)性靜力分析在技術(shù)層面上早已不是難題,可能存在的問(wèn)題通常僅限于對(duì)大型問(wèn)題的方便建模以及有效求解(例如,復(fù)雜葉片結(jié)構(gòu)的全自動(dòng)六面體協(xié)調(diào)單元網(wǎng)格劃分、發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度和模態(tài)分析等)。在對(duì)大型問(wèn)題的方便建模方面,ANSYS提供諸多全球獨(dú)一無(wú)二的領(lǐng)先技術(shù)來(lái)完美解決,比如AWE環(huán)境下與CAD的雙向參數(shù)傳遞技術(shù)、復(fù)雜裝配體自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、AI*Environment的基于拓?fù)溆成涞木W(wǎng)格雕塑技術(shù)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)全自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分(ANSYS高級(jí)網(wǎng)格模塊),等等;在求解方面,ANSYS也提供一系列獨(dú)具特色的高效求解器,比如擁有眾多專(zhuān)利技術(shù)的迭代求解器(JCG、ICCG、PCG等),以及大量的網(wǎng)絡(luò)分布式并行求解器(DDS、DPCG、DJCG等)。
3.1.2.彈塑性/蠕變等材料非線(xiàn)性靜力分析
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)CAE分析中非常普遍地會(huì)遇到以彈塑性/蠕變?yōu)榇淼牟牧戏蔷€(xiàn)性問(wèn)題。從理論上說(shuō),任何結(jié)構(gòu)分析都應(yīng)該是非線(xiàn)性的,線(xiàn)性分析只是對(duì)其在低強(qiáng)度、小變形狀態(tài)下的假設(shè)而已。發(fā)動(dòng)機(jī)中的高速旋轉(zhuǎn)部件,如葉片、盤(pán)、鼓(以彈塑性分析為主),以及高溫部件,如渦輪、燃燒室、噴管等(以蠕變以及彈塑性與蠕變組合作用分析為主)均存在不可忽視的材料非線(xiàn)性行為,在準(zhǔn)確的強(qiáng)度/壽命校核中必然要考慮到各種復(fù)雜的材料非線(xiàn)性因素。
材料非線(xiàn)性是一種非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象,在工程設(shè)計(jì)和分析中,要獲得滿(mǎn)意的仿真結(jié)果,必須很好地理解和準(zhǔn)確地描述材料行為特性,但要做到這一點(diǎn)是比較困難的,Lemaitre和Chaboche曾經(jīng)用如下很形象的例子描述了材料特性的復(fù)雜性:
“在室溫下的一塊鋼材,可以認(rèn)為是:
常規(guī)結(jié)構(gòu)分析中的線(xiàn)彈性材料;
振動(dòng)阻尼問(wèn)題中的粘彈性材料;
在非常大的載荷作用下,是理想塑性材料;
要精確計(jì)算永久變形時(shí),它是具有硬化特性的彈塑性材料;
對(duì)于應(yīng)力松弛問(wèn)題,又有彈性粘塑性特性;
當(dāng)計(jì)算成型極限時(shí),它是延展性破壞;
當(dāng)計(jì)算壽命極限時(shí),它是疲勞破壞;……”
因此,在什么情況下用什么材料模型,與分析者所關(guān)心的現(xiàn)象相關(guān)。ANSYS通用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析所提供的非線(xiàn)性材料本構(gòu)非常復(fù)雜和寬泛,計(jì)有:20種率無(wú)關(guān)彈塑性模型,125種組合蠕變模型,7種粘塑性模型,以及粘彈性、混凝土、D-P、墊片、鑄鐵、形狀記憶合金等等,可最大限度地滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)分析中的需求。同時(shí),ANSYS的材料模型具有很多獨(dú)特特性,比如:
多線(xiàn)性隨動(dòng)硬化模型允許直接輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);
Chachoche模型可與數(shù)個(gè)非線(xiàn)性隨動(dòng)硬化模型組合以模擬材料的復(fù)雜循環(huán)特性(如棘齒效應(yīng)、循環(huán)穩(wěn)定、循環(huán)硬化和軟化等);
Hill屈服準(zhǔn)則及其與各種強(qiáng)化模式的組合可模擬各種各向異性材料的非線(xiàn)性特性(如定向結(jié)晶和單晶渦輪葉片、復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和機(jī)匣等);
ANSYS提供線(xiàn)性和非線(xiàn)性回歸算法,用戶(hù)可直接輸入材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)即可獲得其材料參數(shù)值,該功能適用于所有超彈模型、粘彈模型和蠕變模型。
在最常用的彈塑性材料方面,ANSYS所提供的豐富模型可以綜合考慮單調(diào)硬化、包辛格效應(yīng)、循環(huán)硬化或軟化、棘齒效應(yīng)以及記憶效應(yīng)(形狀記憶合金)等等,已經(jīng)是非常的完善了,除此之外,ANSYS還提供了諸多在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中會(huì)遇到的較特殊的非線(xiàn)性材料模型,包括:
鑄鐵
鑄鐵由于其石墨顆粒的作用使其呈現(xiàn)與其它金屬材料顯著不同的塑性特性:在拉和壓兩個(gè)方向上有不同的屈服強(qiáng)度、塑性流動(dòng)特性和硬化特性;
粘彈性
ANSYS中的粘彈性模型是Maxwell模型的通用積分形式,其松弛函數(shù)由Prony級(jí)數(shù)表示。該模型功能全面,Maxwell、Kevin和標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)性實(shí)體都是其特殊形式,全面支持亞粘彈性和大應(yīng)變超粘彈性。大應(yīng)變超粘彈性基于Simo建議的列式,粘彈性行為的定義分為超彈性和松弛兩個(gè)部分,所有的ANSYS超彈性材料模型都可采用粘彈性選項(xiàng)(PRONY)。
粘塑性和蠕變
ANSYS程序提供幾個(gè)選項(xiàng)用于模擬材料的率相關(guān)行為,包括蠕變,蠕變選項(xiàng)又含一系列適用于常規(guī)蠕變分析的蠕變法則。率相關(guān)選項(xiàng)是一種“過(guò)應(yīng)力”模式,主要用于沖擊載荷問(wèn)題。程序還提供Anand模型,它最初是用于模擬高溫金屬的成型過(guò)程,如輥壓、深拉等,該模型采用一個(gè)被稱(chēng)為“變形阻力”的內(nèi)部變量來(lái)考慮對(duì)材料非彈性流動(dòng)的各向同性阻力作用,因而也能模擬材料的硬化和軟化行為,現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于其它領(lǐng)域,比如分析電子封裝的焊接連接等。
超彈性
超彈性材料的應(yīng)用十分廣泛,比如用于密封的橡膠環(huán)等。橡膠等超彈性材料的非線(xiàn)性是很?chē)?yán)重的,體現(xiàn)在:
非常大的應(yīng)變水平(可達(dá)百分之幾百!);
材料的應(yīng)力和應(yīng)變呈高度非線(xiàn)性關(guān)系;
材料近似或完全不可壓;
有很強(qiáng)的溫度相關(guān)性;
通常并不單獨(dú)存在,而是與金屬等其它顯著不一樣的材料之間有很大的相互作用。
ANSYS超彈性材料模型有很多種類(lèi),用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際材料的實(shí)驗(yàn)特性等來(lái)選擇合適的模型。對(duì)于超彈應(yīng)用而言,ANSYS程序本身從求解器、單元技術(shù)以及解算策略等方面都進(jìn)行了完善的設(shè)計(jì),具有很好的效率和效果。
墊片材料
墊片通常在裝配零件之間起密封作用,是由諸如鐵、銅、橡膠、復(fù)合材料等多種材料做成的一個(gè)很薄的構(gòu)件。墊片的主要變形通常限制在其法線(xiàn)方向上,其膜(平面內(nèi))和橫向剪切等方向?qū)偠鹊呢暙I(xiàn)非常小,可以忽略不計(jì)。墊片材料通常都是受壓,具有很強(qiáng)的非線(xiàn)性特性,當(dāng)壓力撤消時(shí),其卸載行為非常復(fù)雜。
ANSYS墊片材料允許以表格的形式直接輸入試驗(yàn)測(cè)量的加載過(guò)程和多個(gè)卸載過(guò)程的“壓力-閉合量(墊片上下表面之間的相對(duì)位移)”曲線(xiàn)數(shù)據(jù),如果無(wú)卸載數(shù)據(jù),則材料的卸載曲線(xiàn)與加載曲線(xiàn)一致。對(duì)于復(fù)雜的墊片連接分析,ANSYS還提供了很多高級(jí)選項(xiàng),比如:允許有初始間隙、拉伸應(yīng)力限值、穩(wěn)定剛度等等。同時(shí),ANSYS還專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一系列“界面”單元來(lái)專(zhuān)門(mén)用于墊片分析,包括4節(jié)點(diǎn)四邊形、6節(jié)點(diǎn)四邊形、8節(jié)點(diǎn)六面體、16節(jié)點(diǎn)六面體、12節(jié)點(diǎn)棱形體等適合于各種二維和三維應(yīng)用的單元。
ANSYS的其它非線(xiàn)性材料種類(lèi)就不在此一一介紹了,有興趣者可從相關(guān)資料中去了解。最后值得一提的是,ANSYS不但支持?jǐn)?shù)量龐大的材料本構(gòu)模型,而且提供了一個(gè)具有良好邏輯關(guān)系的樹(shù)狀菜單結(jié)構(gòu)來(lái)讓用戶(hù)很方便、很準(zhǔn)確地定義材料參數(shù)(尤其是一些復(fù)雜的組合材料本構(gòu))。這些材料本構(gòu)的特性參數(shù)都可以是與溫度相關(guān),直接在軟件界面上定義。
3.1.3.接觸/摩擦等狀態(tài)非線(xiàn)性靜力分析
以接觸為代表的狀態(tài)非線(xiàn)性分析問(wèn)題在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中非常普遍地存在:葉片榫頭與輪盤(pán)榫槽之間的接觸、帶冠葉片的冠間接觸、傳動(dòng)齒輪之間的嚙合接觸、軸承內(nèi)的接觸、各種各樣的裝配接觸等等。
模擬兩個(gè)實(shí)體之間相互作用(通常還要考慮摩擦、熱、電或其它形式的能量交換)的能力對(duì)于一個(gè)分析軟件來(lái)說(shuō)是非常關(guān)鍵的,事實(shí)上,接觸分析能力已經(jīng)成為判斷非線(xiàn)性分析程序優(yōu)劣的一個(gè)最重要標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),接觸分析的性能和魯棒性、接觸對(duì)的定義及其屬性管理的方便性、有效的糾錯(cuò)工具等幾個(gè)方面是考察非線(xiàn)性軟件接觸分析能力的三個(gè)指標(biāo)。
早在ANSYS2.0版本,ANSYS即具有了接觸分析能力,數(shù)十年來(lái)一直根據(jù)高級(jí)分析的需要而不斷地采用最新的接觸算法和技術(shù),表3-3-2簡(jiǎn)要概述了ANSYS的接觸分析特性:
ANSYS最早開(kāi)發(fā)的接觸單元是Contac12和Contac52,分別用于模擬二維和三維狀態(tài)下的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸,單元的基礎(chǔ)算法是罰函數(shù)法和彈性庫(kù)侖摩擦模型,是所有單元中最簡(jiǎn)單的。
后來(lái)開(kāi)發(fā)的Contac48和Contac49是可用于通用接觸問(wèn)題的點(diǎn)對(duì)面接觸單元,采用帶拉格郎日增量的罰函數(shù)法以提高兼容性,其主要特點(diǎn)有:允許大滑動(dòng)、有摩擦或無(wú)摩擦、支持熱接觸等等。雖然這些單元可以模擬高度非線(xiàn)性接觸問(wèn)題(比如金屬成型、輥壓等),但由于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)面接觸單元需要人為調(diào)整罰剛度,比較難以使用,而其最大的缺點(diǎn)是不能很好地與高階實(shí)體單元配合以模擬復(fù)雜曲面接觸。
事實(shí)上,在現(xiàn)在的ANSYS程序中,12/52、26、以及48/49等接觸單元的主要作用是提供與老版本的兼容性,在新版本中都推薦采用融合了最新技術(shù)和ANSYS獨(dú)特技術(shù)的新一代接觸單元,下面對(duì)這些新一代單元的主要特點(diǎn)做簡(jiǎn)要說(shuō)明。
面對(duì)面接觸
接觸分析功能在1997年的ANSYS5.4版本就開(kāi)始了一個(gè)質(zhì)的飛躍,最初,一系列面對(duì)面接觸單元(169到174)提供了剛對(duì)柔面面接觸能力,雖然也是基于增廣拉格朗日罰函數(shù)法,但與以前有很大的不同。在缺省情況下,程序?qū)⒘P剛度與多種參數(shù)相關(guān)聯(lián)(包括相鄰單元的尺度、附著實(shí)體的材料特性等),無(wú)需用戶(hù)提供罰剛度的絕對(duì)值,但可通過(guò)一個(gè)無(wú)量綱縮放系數(shù)來(lái)修正缺省值,這對(duì)于以彎曲變形為主的接觸分析是相當(dāng)必要的。目前的算法已改進(jìn)為可根據(jù)其附著實(shí)體單元的應(yīng)力來(lái)自動(dòng)修正接觸單元罰剛度。
169-174接觸單元的計(jì)算結(jié)果具有很好的可視性和可用性,其輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)是基于應(yīng)力的形式而非力的形式。即使針對(duì)大型問(wèn)題,這些接觸單元的數(shù)值算法也非常有效,無(wú)需使用諸如自適應(yīng)下降等試探性的手段即可很好地收斂。
171-174接觸單元在ANSYS5.5版本就擴(kuò)展為支持柔對(duì)柔面面接觸的通用接觸單元,這些單元采用的獨(dú)特的基于高斯點(diǎn)的接觸算法具有非常強(qiáng)的優(yōu)勢(shì):可完美地與諸如20節(jié)點(diǎn)六面體單元、10節(jié)點(diǎn)四面體單元、8節(jié)點(diǎn)面單元等高階單元結(jié)合使用,這是其它接觸算法無(wú)法做到的,這也是為什么很多有限元分析程序在作接觸分析時(shí)都要求用戶(hù)最好采用低階單元,而這在模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)要想有效地獲得高精度是非常困難的。當(dāng)然,ANSYS的這些單元類(lèi)型也提供基于節(jié)點(diǎn)的接觸算法作為補(bǔ)充,以用于一些特殊情況。
采用高階接觸單元的優(yōu)勢(shì)是:高階單元以二次函數(shù)的方式模擬曲面,而低階單元只能以一個(gè)個(gè)小平面來(lái)近似模擬曲面。這一點(diǎn)在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析中是非常重要的:由于對(duì)計(jì)算精度的高要求,尤其是針對(duì)葉片、輪盤(pán)等部件,通常必須采用高階單元進(jìn)行強(qiáng)度分析,ANSYS唯一提供了支持這種高階單元接觸的精確算法。
基于高斯點(diǎn)的接觸算法避免了“銳角相交時(shí)接觸方向的不明確性”,這樣,目標(biāo)表面可以采用較粗的網(wǎng)格劃分。同時(shí),這種算法也避免了節(jié)點(diǎn)接觸算法中通常會(huì)遇到的“滑過(guò)邊界”問(wèn)題。ANSYS的這些接觸單元還提供大量的、在某些情況下非常有用的特殊接觸分析能力,包括單邊和單面接觸、綁定接觸、無(wú)分離接觸、粗糙滑動(dòng)接觸等。同時(shí),ANSYS的接觸分析功能還擴(kuò)展到模擬殼體與殼體、殼體與實(shí)體等的固連裝配,即多點(diǎn)約束(MPC)。
ANSYS程序采用一個(gè)功能非常強(qiáng)大的“接觸管理器”定義、修改、管理、以及后處理觀(guān)察復(fù)雜構(gòu)件間的復(fù)雜接觸關(guān)系,其“接觸向?qū)А惫δ軒椭脩?hù)快速地定義各接觸面及其特性參數(shù),并有很多實(shí)用工具實(shí)現(xiàn)諸如觀(guān)察初始接觸狀態(tài)、接觸方向、以及根據(jù)需要修改接觸特性(比如反轉(zhuǎn)接觸法向等)。同樣,ANSYS后處理程序中也提供了很多手段來(lái)更好地觀(guān)察和理解接觸分析的結(jié)果。
技術(shù)的發(fā)展是無(wú)止境的,最新版本的ANSYS在新一代ANSYSWorkBenchEnvironment(AWE)的環(huán)境下,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)接觸定義功能。對(duì)于象發(fā)動(dòng)機(jī)整體分析這樣的由數(shù)百個(gè)零部件構(gòu)成的復(fù)雜裝配體,如果用手工的方式來(lái)一一定義接觸,將是一項(xiàng)非常煩瑣的工作,而在ANSYS中,所有的事情都由程序自動(dòng)完成了。
對(duì)于耦合場(chǎng)分析而言,這些接觸單元所具有分析功能是前所未有的:可以模擬電-磁-熱-結(jié)構(gòu)耦合接觸問(wèn)題(如點(diǎn)焊過(guò)程的模擬)、熱接觸的熱傳導(dǎo)系數(shù)可以是接觸壓力或溫度的函數(shù)、可以定義接觸面閉合時(shí)的熱傳導(dǎo)特性和接觸面分開(kāi)時(shí)的熱對(duì)流和輻射特性、可以進(jìn)行摩擦生熱分析以及控制摩擦生熱量在摩擦體之間的分配、與CFD功能配合模擬裝配縫隙在流體壓力作用下的漲開(kāi)和流體泄漏……
拉格朗日乘子法
接觸分析是一個(gè)很寬泛的概念,目前還沒(méi)有哪一種算法能有效地涵蓋所有的應(yīng)用需求。前面提到的增廣拉格朗日法雖然適用性很強(qiáng),且能解決大量的復(fù)雜接觸問(wèn)題,但該算法會(huì)產(chǎn)生一定量的“接觸穿透”(接觸穿透通常都是一個(gè)非常小的數(shù)值,可忽略不計(jì),算法本身也提供很多選項(xiàng)來(lái)改善該數(shù)值)。對(duì)于需要獲得完美接觸相容性的問(wèn)題(即要求穿透量為零),最新版本的ANSYS新一代接觸單元提供純拉格朗日乘子法以增強(qiáng)對(duì)穿透量的約束(該算法完全避免輸入罰剛度),且避免了常規(guī)拉格朗日乘子法的一些諸如收斂困難、求解量增加等缺點(diǎn)。這一點(diǎn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析中也是非常重要的,其高精度計(jì)算要求需要獲得完美的接觸相容性,以此才能準(zhǔn)確地判斷諸多的接觸破壞問(wèn)題,比如榫頭接觸面的應(yīng)力剝落現(xiàn)象等。
3.1.4.大變形幾何非線(xiàn)性靜力分析
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片變形量直接關(guān)系到間隙設(shè)計(jì)的好壞,所以必須對(duì)葉片的變形進(jìn)行分析,尤其是風(fēng)扇葉片。現(xiàn)代大功率渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)由于氣動(dòng)性能的要求常常設(shè)計(jì)成大展弦比或掠型,葉片在離心力和氣動(dòng)載荷下,其變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)線(xiàn)性小變形有限元分析的適用范圍,必須進(jìn)行非線(xiàn)性的大變形分析。
大變形分析其實(shí)僅是幾何非線(xiàn)性的一種,ANSYS支持所有的幾何非線(xiàn)性分析,除了大變形以外,大轉(zhuǎn)動(dòng)、大位移、大應(yīng)變、應(yīng)力強(qiáng)化、旋轉(zhuǎn)軟化、壓力載荷強(qiáng)化等所有的幾何非線(xiàn)性問(wèn)題在ANSYS中均有專(zhuān)門(mén)手段予以完善解決。這些幾何非線(xiàn)性類(lèi)型在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中都是非常有用的,比如,旋轉(zhuǎn)軟化這種在其它分析程序中難以見(jiàn)到的分析功能非常適合于葉片動(dòng)力設(shè)計(jì)分析,它完整地考慮了動(dòng)剛度的對(duì)葉片動(dòng)態(tài)特性的影響,類(lèi)似的還有應(yīng)力強(qiáng)化等,后續(xù)我們還會(huì)詳細(xì)介紹它。
3.2.結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的復(fù)雜機(jī)構(gòu),對(duì)動(dòng)力學(xué)的分析需求歷來(lái)是重中之重。而其中葉片振動(dòng)分析、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析等又是最重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)于葉片振動(dòng)來(lái)說(shuō),據(jù)統(tǒng)計(jì)資料說(shuō)明,葉片的損壞事故(裂紋、斷裂等)絕大部分是由于振動(dòng)引起的;通過(guò)試驗(yàn)也證明,如果葉片振動(dòng)幅度降低10%,其壽命將增加10倍!由此可見(jiàn)振動(dòng)分析、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以降低振動(dòng)的重要性。葉片的振動(dòng)通常有四種類(lèi)型:氣流尾跡引起的強(qiáng)迫振動(dòng)、顫振、旋轉(zhuǎn)失速、以及隨機(jī)振動(dòng),其中前兩種振動(dòng)的危害性最大。
對(duì)于實(shí)際葉片,重要的是自振頻率、振型和振動(dòng)應(yīng)力三個(gè)因素。葉片的自振頻率范圍很廣,從數(shù)十赫茲(如風(fēng)扇葉片)到數(shù)萬(wàn)赫茲,但其中以低頻振動(dòng)最為危險(xiǎn)。一般情況下,頻率越高,振幅就越小,危險(xiǎn)性也就越小。在葉片振動(dòng)分析中,重點(diǎn)是進(jìn)行準(zhǔn)確的模態(tài)分析,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行諧響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、顫振分析等,以全面而準(zhǔn)確地了解葉片的振動(dòng)特性(如振動(dòng)應(yīng)力等)。下面就對(duì)這些分析內(nèi)容作簡(jiǎn)要描述。
3.2.1.模態(tài)分析
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的模態(tài)分析通常有這樣一些類(lèi)型:葉片在靜止和旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的固有模態(tài)計(jì)算、葉片/輪盤(pán)組合體在靜止和旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力條件下的循環(huán)對(duì)稱(chēng)模態(tài)計(jì)算、整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在靜止和旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的固有模態(tài)計(jì)算、整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在靜止和旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的固有模態(tài)計(jì)算、等等。模態(tài)分析是其它幾乎所有動(dòng)力分析類(lèi)型的基礎(chǔ),其分析精度直接關(guān)系到各種后續(xù)動(dòng)力分析的效果好壞,因此,需要特別高的技術(shù)要求,主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
要能考慮預(yù)應(yīng)力影響(應(yīng)力強(qiáng)化):在旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下,葉片振動(dòng)模態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)有本質(zhì)差別,頻率和振型都會(huì)發(fā)生變化,通常同一階次模態(tài)的頻率都會(huì)有較大幅度的提高。ANSYS通過(guò)兩步走的方式可直接考慮預(yù)應(yīng)力影響,即先做一個(gè)在轉(zhuǎn)速和氣動(dòng)力作用下的靜力分析,然后再在模態(tài)分析中打開(kāi)預(yù)應(yīng)力開(kāi)關(guān)即可;
要能考慮旋轉(zhuǎn)軟化的影響(動(dòng)剛度):對(duì)于象風(fēng)扇這樣的大展弦比葉片,大變形引起的動(dòng)剛度會(huì)使葉片變得更“柔軟”,降低其模態(tài)特征頻率。ANSYS模態(tài)分析中的“SpinSoft”選項(xiàng)正是用來(lái)考慮此項(xiàng)影響的;
要能考慮各種阻尼的影響(復(fù)模態(tài)):任何真實(shí)結(jié)構(gòu)在動(dòng)力狀態(tài)下都會(huì)受到阻尼的影響,其特征值體現(xiàn)為復(fù)數(shù)形式(虛部為特征頻率,實(shí)部表征其穩(wěn)定性(振幅的指數(shù)增加或降低))。ANSYS在模態(tài)分析中可以考慮多種阻尼:α阻尼(總體質(zhì)量陣乘子)、β阻尼(總體剛度陣乘子)、材料相關(guān)阻尼、單元阻尼等等,在后續(xù)的響應(yīng)分析中,還可以考慮頻率相關(guān)阻尼(恒定阻尼比、模態(tài)阻尼比)、頻率無(wú)關(guān)阻尼等等,以完整地記及各種阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及響應(yīng)的影響。值得指出的是,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力分析中,油模(薄層液體)阻尼對(duì)動(dòng)力特性的影響非常顯著,ANSYS提供了專(zhuān)門(mén)的手段來(lái)自動(dòng)計(jì)算此阻尼并用于隨后的動(dòng)力分析中。我們?cè)谙旅娴摹稗D(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算”一小節(jié)中會(huì)詳細(xì)談到此點(diǎn);
要能方便地進(jìn)行循環(huán)對(duì)稱(chēng)模態(tài)分析:葉片/輪盤(pán)結(jié)構(gòu)是典型的循環(huán)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),利用其循環(huán)對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行模態(tài)分析能極大地提高解算效率。ANSYS提供了極其完善的循環(huán)對(duì)稱(chēng)模態(tài)分析功能(除此之外,還能進(jìn)行循環(huán)對(duì)稱(chēng)靜力分析和屈曲分析),包括專(zhuān)門(mén)的分網(wǎng)工具、定義命令和菜單等,在常規(guī)靜態(tài)/預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析流程的基礎(chǔ)上僅增加3個(gè)命令即可完成循環(huán)對(duì)稱(chēng)靜態(tài)/預(yù)應(yīng)力循環(huán)對(duì)稱(chēng)模態(tài)分析。同時(shí),ANSYS很多獨(dú)特特點(diǎn)使循環(huán)對(duì)稱(chēng)模態(tài)分析更具實(shí)用性,比如,它可以不要求扇區(qū)上下截面的網(wǎng)格完全匹配(這在很多情況下是難以做到的);
要具有模態(tài)綜合分析能力:對(duì)于象轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以及整機(jī)系統(tǒng)這樣的系統(tǒng)級(jí)模態(tài)分析,如果沒(méi)有模態(tài)綜合分析能力,在設(shè)計(jì)上哪怕僅僅只對(duì)某個(gè)部件做一定的修改,也需要整個(gè)系統(tǒng)重新進(jìn)行模態(tài)計(jì)算。ANSYS的模態(tài)綜合分析(CMS)能力可以高效地解決這個(gè)問(wèn)題:各零部件獨(dú)立進(jìn)行模態(tài)分析,通過(guò)CMS形成整體模態(tài),單一部件的修改僅需重新計(jì)算該部件的模態(tài)并重新綜合即可。
綜上所述,ANSYS為航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的各種零部件模態(tài)分析提供了非常完善的手段,可綜合考慮各種影響模態(tài)分析的因素,為準(zhǔn)確地進(jìn)行其它動(dòng)力響應(yīng)分析提供了可靠的保障。
3.2.2.諧響應(yīng)分析
諧響應(yīng)分析用以確定結(jié)構(gòu)在呈正弦變化的周期性激勵(lì)作用下的動(dòng)力響應(yīng)(變形、應(yīng)力等),也就是通常所說(shuō)的共振響應(yīng)分析。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中諸多的零部件的振動(dòng)強(qiáng)度分析都需要使用該分析功能,比如:葉片在周期性尾流作用下的響應(yīng)計(jì)算、旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下的氣流激振、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)計(jì)算、支承系統(tǒng)及整機(jī)系統(tǒng)諧響應(yīng)計(jì)算,等等。
ANSYS諧響應(yīng)分析提供了一套完整的技術(shù)體系滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)各種諧響應(yīng)分析的需求:
豐富的算法:ANSYS諧響應(yīng)分析提供全方法、模態(tài)疊加法、凝聚法三種計(jì)算模式;
能考慮各種阻尼影響:三種計(jì)算模式均可考慮各種阻尼效應(yīng);
能考慮預(yù)應(yīng)力影響:三種計(jì)算計(jì)算模式均可考慮預(yù)應(yīng)力影響,這對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件非常重要。
3.2.3.響應(yīng)譜和隨機(jī)振動(dòng)分析
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行過(guò)程中會(huì)受到諸多復(fù)雜載荷的作用,比如飛機(jī)傳給發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜載荷譜、由于葉片對(duì)氣流的干擾和氣流振蕩燃燒等因素引起的噪聲激勵(lì)等,這些激勵(lì)載荷的頻率非常寬廣,激勵(lì)載荷并沒(méi)有一個(gè)明確的載荷-時(shí)間歷程,或載荷-時(shí)間歷程由于太復(fù)雜而無(wú)法一一計(jì)算,這就需要用到譜分析技術(shù)。譜分析的實(shí)質(zhì)就是將一個(gè)由復(fù)雜“載荷-時(shí)間歷程”所需的規(guī)模龐大的時(shí)域瞬態(tài)計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的頻域“響應(yīng)譜”分析問(wèn)題,響應(yīng)譜分析所獲得的是結(jié)構(gòu)在載荷作用下動(dòng)力響應(yīng)的最大值或響應(yīng)的概率值(隨機(jī)振動(dòng)分析)。
ANSYS響應(yīng)譜分析功能同樣提供了一套完整的計(jì)算技術(shù),分析方法包括單點(diǎn)響應(yīng)譜、多點(diǎn)響應(yīng)譜、PSD(功率譜密度)隨機(jī)振動(dòng)計(jì)算等。譜的類(lèi)型可以是力、位移、速度、加速度等,且在分析中可以考慮包括材料阻尼、恒定阻尼比、模態(tài)阻尼等多種阻尼因素的影響。
3.2.4.氣彈顫振分析
氣彈顫振屬于“自激振動(dòng)”,由氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)(彈性)力、以及慣性力三者相互作用而引起。顫振時(shí),葉片的振型及頻率都大致與自由振動(dòng)的情況相同(包括彎曲及扭轉(zhuǎn)振動(dòng))。它與前述諧響應(yīng)、響應(yīng)譜等強(qiáng)迫振動(dòng)分析的不同之處在于它不伴有任何帶頻率(擾頻)的激振力,顫振的頻率基本由葉片自身的幾何尺寸及材料性質(zhì)所決定。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的顫振通常有這樣五類(lèi):亞音速失速顫振、亞音速非失速顫振、超音速失速顫振、超音速非失速顫振、堵塞顫振等,其中最重要的是亞音速失速顫振。這些顫振形式的共同特點(diǎn)都是在來(lái)流達(dá)到某個(gè)特定速度(顫振速度)時(shí),流體對(duì)葉片的振動(dòng)不再是起阻尼作用而是提供維持或增強(qiáng)葉片振動(dòng)的激勵(lì)力。
顫振的發(fā)生是非常危險(xiǎn)的,ANSYS提供了一套完整的預(yù)測(cè)葉片顫振速度(顫振裕度)的技術(shù),它用Structural結(jié)構(gòu)分析模塊計(jì)算葉片結(jié)構(gòu)的自振特性,用LinFlow邊界元法流體分析模塊計(jì)算流體激振力,并用該模塊提供的兩種氣彈顫振計(jì)算方法計(jì)算顫振速度:V-g法(也叫K方法或美國(guó)方法)和P-k法(也叫英國(guó)方法),這兩種方法都是類(lèi)似的,通過(guò)迭代方法求解臨界顫振速度。
3.2.5.轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析
高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的振動(dòng)形態(tài)是一種復(fù)合的運(yùn)動(dòng)狀態(tài):轉(zhuǎn)子既要繞轉(zhuǎn)軸本身的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn),同時(shí)又要繞兩軸承中心的連線(xiàn)旋轉(zhuǎn),前者稱(chēng)為自轉(zhuǎn),后者稱(chēng)為公轉(zhuǎn)或進(jìn)動(dòng),這種復(fù)合運(yùn)動(dòng)的總稱(chēng)為渦動(dòng)。在轉(zhuǎn)子不平衡力驅(qū)動(dòng)下,轉(zhuǎn)子一般作同步正進(jìn)動(dòng),當(dāng)轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)子固有頻率時(shí),轉(zhuǎn)子出現(xiàn)共振,相應(yīng)轉(zhuǎn)速就稱(chēng)為該轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。
雖然轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力條件下的模態(tài)固有頻率計(jì)算有相似之處,但計(jì)算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速必須要考慮旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)渦動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)(哥氏慣性力矩與離心慣性力矩)對(duì)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響(其影響程度也隨轉(zhuǎn)子的具體結(jié)構(gòu)而異),這是轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算同其他非旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)固有頻率計(jì)算的差異所在。
一般有限元程序均不具備計(jì)算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的功能,但ANSYSStructural通用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模塊則提供了兩種臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算方法供用戶(hù)選擇:
第一種方法是將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡(jiǎn)化為梁結(jié)構(gòu),用BEAM4或PIPE16單元建模,這兩種單元都可輸入其自轉(zhuǎn)角速度并提供陀螺阻尼矩陣計(jì)算選項(xiàng),直接考慮陀螺效應(yīng);
第二種方法不用任何的簡(jiǎn)化,直接以三維實(shí)體的方式計(jì)算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。這主要得益于ANSYS的兩項(xiàng)獨(dú)特功能:基于部件的旋轉(zhuǎn)速度施加(針對(duì)多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算)和旋轉(zhuǎn)軟化(SpinSoft)計(jì)算選項(xiàng)。旋轉(zhuǎn)軟化實(shí)際上就是“動(dòng)剛度法臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算”,直接考慮了陀螺效應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)子剛度的影響。
對(duì)于支承剛度和阻尼,這兩種方法都可用ANSYSCombin14彈簧阻尼單元來(lái)建模,直接輸入剛度和阻尼即可。在支承剛度和阻尼未知的情況下,也可直接在ANSYS中予以解算:前者對(duì)支承結(jié)構(gòu)(包括軸承)進(jìn)行靜強(qiáng)度(剛度)計(jì)算即可完成,對(duì)于后者,由于通常都是軸承的油膜阻尼,ANSYS專(zhuān)門(mén)提供了獨(dú)具特色的油膜單元FLUID136、FLUID138和FLUID139,分別用于計(jì)算油模的擠壓、粘性和滑動(dòng)阻尼。
3.3.高度非線(xiàn)性沖擊動(dòng)力分析
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在高度非線(xiàn)性沖擊結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面的分析需求主要有三個(gè)方面:發(fā)動(dòng)機(jī)鳥(niǎo)撞過(guò)程模擬、機(jī)匣的葉片包容性分析、以及發(fā)動(dòng)機(jī)抗異物損傷能力計(jì)算。
3.3.1.航空發(fā)動(dòng)機(jī)鳥(niǎo)撞過(guò)程仿真
據(jù)概略統(tǒng)計(jì),全球每年大約發(fā)生1萬(wàn)次鳥(niǎo)撞飛機(jī)事件,國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)已把鳥(niǎo)害升級(jí)為“A”類(lèi)航空災(zāi)難。鳥(niǎo)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(niǎo)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(niǎo)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(niǎo)撞物理試驗(yàn),從最初的每只0.8公斤的單鳥(niǎo)撞擊到現(xiàn)在的每只3.6公斤的多鳥(niǎo)撞擊試驗(yàn),通常要求發(fā)動(dòng)機(jī)在鳥(niǎo)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(lái)說(shuō),由于鳥(niǎo)撞物理試驗(yàn)費(fèi)用昂貴、周期長(zhǎng)、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(guò)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,飛鳥(niǎo)撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程發(fā)生在很短時(shí)間內(nèi),一般為50毫秒左右,此過(guò)程中飛鳥(niǎo)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。同時(shí),結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)生,但令人感興趣的時(shí)間段一般不超過(guò)100毫秒。利用計(jì)算機(jī)模擬鳥(niǎo)撞時(shí),分析程序必須具備的功能是:
飛鳥(niǎo)物理材料的描述;
飛鳥(niǎo)流動(dòng)變形以及破碎的描述;
飛鳥(niǎo)與飛行器接觸的描述;
飛行器結(jié)構(gòu)大變形、侵徹和破壞過(guò)程的描述;
針對(duì)大型數(shù)值問(wèn)題的求解能力。
當(dāng)前,世界范圍內(nèi)對(duì)鳥(niǎo)撞進(jìn)行分析仿真所廣泛采用的工具為ANSYSLS-DYNA,LS-DYNA是著名高度非線(xiàn)性有限元顯式求解程序,主要用于分析結(jié)構(gòu)在高速撞擊、爆炸等動(dòng)載荷下的動(dòng)態(tài)響應(yīng),同時(shí)具有強(qiáng)大的流體功能,可進(jìn)行流體/固體耦合分析。包括Boeing、GEAircraftEngines、Pratt&Whitney、Rolls-Royce、LockheedMartin、LoralVoughtSystems等在內(nèi)的著名航空航天器及動(dòng)力設(shè)備廠(chǎng)商,以及包括JetPropulsionLab、NASAGlennResearch、MIT、Oxford等在在內(nèi)的高級(jí)研究機(jī)構(gòu),都在采用LS-DYNA進(jìn)行包括鳥(niǎo)撞在內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)/飛行器結(jié)構(gòu)動(dòng)力及安全性分析。
飛鳥(niǎo)在高速撞擊時(shí)將產(chǎn)生強(qiáng)大壓力,足以使金屬材料發(fā)生變形和破壞。在這樣的變形條件下,飛鳥(niǎo)的材料呈流體。LS-DYNA中的飛鳥(niǎo)材料采用流體動(dòng)力材料,此種材料除定義一般材料性質(zhì),如密度、粘度外,附加的狀態(tài)方程用于定義其流體屬性,如可壓縮性,飛鳥(niǎo)破碎的參數(shù)等。
以前,人們?cè)谶M(jìn)行鳥(niǎo)撞問(wèn)題分析或?qū)嶒?yàn)時(shí)主要關(guān)注結(jié)構(gòu)(飛行器)的變形和響應(yīng),對(duì)飛鳥(niǎo)變形過(guò)程不夠重視。導(dǎo)致這樣問(wèn)題可能的原因主要包括:1.早年程序中單元的變形能力不足以模擬飛鳥(niǎo)的流動(dòng)和破碎過(guò)程;2.從鳥(niǎo)撞的整個(gè)物理過(guò)程來(lái)看,飛鳥(niǎo)對(duì)結(jié)構(gòu)是唯一載荷,但載荷的大小不僅決定于飛鳥(niǎo)的動(dòng)能,還與其流動(dòng)過(guò)程以及破碎的時(shí)間密切相關(guān)。即正確描述飛鳥(niǎo)的流動(dòng)和破碎過(guò)程對(duì)整個(gè)分析至關(guān)重要。以前的研究對(duì)此認(rèn)識(shí)有欠缺。LS-DYNA提供三種方式:
采用LAGRANGE或ALE(任意歐拉-拉格朗日);
采用EULER兩種類(lèi)型單元描述飛鳥(niǎo)的流動(dòng)和破碎;
采用SPH光順質(zhì)點(diǎn)描述飛鳥(niǎo)的流動(dòng)變形和破碎。
LAGRANGE或ALE的變形能力很大,足以描述與結(jié)構(gòu)分離前的變形;EULER單元可正確描述任意程度的變形;SPH算法可準(zhǔn)確描述飛鳥(niǎo)的解體和碎裂。
LS-DYNA在處理飛鳥(niǎo)與飛行器的接觸過(guò)程中亦提供三種方式:
當(dāng)采用LAGRANGE(或ALE)描述時(shí),使用結(jié)構(gòu)/結(jié)構(gòu)接觸算法;
當(dāng)采用EULER描述時(shí),使用流體/結(jié)構(gòu)耦合算法;
當(dāng)采用SPH描述時(shí),使用SPH通用接觸算法。
對(duì)于結(jié)構(gòu)(主要是發(fā)動(dòng)機(jī)葉片),可使用LS-DYNA附加破壞算法的結(jié)構(gòu)材料,例如彈塑性破壞材料(金屬葉片、金屬外罩)或可考慮失效的疊層復(fù)合材料(如復(fù)合材料風(fēng)扇葉片、復(fù)合材料外罩)等。
3.3.2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片包容性分析
為了提高推進(jìn)效率,現(xiàn)代大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)通常都由核心機(jī)和風(fēng)扇系統(tǒng)構(gòu)成,由于涵道比不斷提高,風(fēng)扇葉片也越來(lái)越大,通常每個(gè)風(fēng)扇葉片重達(dá)20~25公斤,風(fēng)扇葉尖速度可達(dá)300~600米/秒。同時(shí),由于風(fēng)扇葉片最容易受到鳥(niǎo)撞和異物沖擊,嚴(yán)重時(shí)葉片發(fā)生斷裂,釋放出極大的動(dòng)能。按照適航性要求,斷裂的風(fēng)扇葉片必須要包容在風(fēng)扇機(jī)匣內(nèi),否則,葉片穿透機(jī)匣后一旦擊中飛機(jī)油路系統(tǒng)或機(jī)艙,災(zāi)難性事故就難以避免。
發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片和風(fēng)扇機(jī)匣通常由特種復(fù)合材料或鈦合金等構(gòu)成,要模擬這種高速?zèng)_擊和侵蝕過(guò)程,要求軟件必須能:
具有帶失效的、能描述復(fù)合材料在高速狀態(tài)下的特性的材料模式;
具有良好的變形體接觸和侵蝕接觸算法。
LS-DYNA具有7種帶失效的復(fù)合材料模式和10種帶失效的金屬材料模式;53種變形體接觸和3種侵蝕接觸算法,綜合運(yùn)用這些功能,可以良好地模擬葉片與機(jī)匣的高速碰撞和破壞過(guò)程。
另外,為了增強(qiáng)風(fēng)扇機(jī)匣的包容效果,通常會(huì)在機(jī)匣上纏繞高強(qiáng)度纖維織物(如凱芙拉碳纖維等),這些質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、韌性好的纖維材料能有效地包容穿透了金屬機(jī)匣的葉片和機(jī)匣碎片。這些纖維織物在LS-DYNA里也可進(jìn)行有效的模擬,前一頁(yè)右下圖即為ARA公司用LS-DYNA分析的一種用于發(fā)動(dòng)機(jī)包容的纖維織物結(jié)構(gòu),該研究項(xiàng)目由FAA資助。
3.3.3.發(fā)動(dòng)機(jī)異物損傷(FOD)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中,由于強(qiáng)大氣流的作用等因素,在起飛或降落過(guò)程中,往往會(huì)吸入諸如小石子、飛機(jī)輪胎碎片、螺釘螺帽等(法航協(xié)和飛機(jī)失事就是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)吸入輪胎碎片造成的),高速轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件一旦與這些異物相撞,會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形甚至破壞,與葉片包容的算法類(lèi)似,LS-DYNA對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的FOD設(shè)計(jì)也能提供很好的仿真結(jié)果,右圖即為牛津大學(xué)工程科學(xué)系用LS-DYNA分析的一個(gè)FOD問(wèn)題。
3.4.疲勞壽命分析
疲勞壽命分析在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)分析中占有非常重要的地位,實(shí)際上,在投入使用的發(fā)動(dòng)機(jī)所出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)問(wèn)題中,疲勞破壞占了相當(dāng)大的一部分,發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片、輪盤(pán)、軸、傳動(dòng)系統(tǒng)等幾乎所有重要構(gòu)建都存在疲勞計(jì)算的問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)零部件疲勞破壞可粗略地分為兩大類(lèi):高周疲勞(應(yīng)力疲勞)和低周疲勞(應(yīng)變疲勞),前者通常發(fā)生在高振動(dòng)、低應(yīng)力、低溫零件上,如壓氣機(jī)葉片、管路系統(tǒng)、軸及傳動(dòng)系統(tǒng)等,而后者則主要發(fā)生在高應(yīng)力、高溫零件上,如渦輪葉片、輪盤(pán)、燃燒室等。
材料疲勞破壞的機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜,涉及固體物理、金屬學(xué)、固體力學(xué)等廣泛的學(xué)術(shù)領(lǐng)域,具有某些邊緣學(xué)科的性質(zhì)。適用的疲勞壽命預(yù)測(cè)技術(shù)主要側(cè)重于宏觀(guān)領(lǐng)域的研究,由于影響因素眾多,要想比較準(zhǔn)確地進(jìn)行壽命預(yù)測(cè),有如下幾個(gè)方面的要求:
準(zhǔn)確的材料固有疲勞特性參數(shù)(應(yīng)力-壽命曲線(xiàn)、應(yīng)變-壽命曲線(xiàn)等)
準(zhǔn)確的零件“應(yīng)力-時(shí)間”或“應(yīng)變-時(shí)間”歷程
精確的算法(如高精度多軸算法、能考慮初始加工應(yīng)力/平均應(yīng)力/溫度效應(yīng)/表面加工狀態(tài)等各種因素對(duì)疲勞壽命的影響、方便而準(zhǔn)確的載荷譜處理能力、有效的累計(jì)損傷理論等)
在通用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析能力的支持下,ANSYS以其專(zhuān)用高級(jí)疲勞分析程序FeSafe為主的疲勞壽命分析能力為航空發(fā)動(dòng)機(jī)各種零部件的各種方式的疲勞壽命計(jì)算提供了非常完善的工具,其主要特色包括:
超過(guò)200種材料的疲勞特性數(shù)據(jù)庫(kù)以及Seeger算法近似計(jì)算材料疲勞特性參數(shù);
豐富的單軸和多軸疲勞算法,尤其是基于準(zhǔn)確的局部應(yīng)力-應(yīng)變計(jì)算、臨界平面計(jì)算等獨(dú)特技術(shù)的多軸疲勞分析提供了當(dāng)今最高的疲勞壽命計(jì)算精度,它可分別考慮最大剪應(yīng)變(適用于延展性好的材料)、最大正應(yīng)變(適用于脆性材料)、Brown-Miller組合剪應(yīng)變及法向應(yīng)變(適用于絕大多數(shù)金屬材料)等的多種方式;
提供了獨(dú)一無(wú)二的疲勞功能:高溫疲勞、蠕變疲勞、焊接疲勞、隨機(jī)振動(dòng)疲勞、微振磨損疲勞、鑄鐵疲勞、疲勞概率分析與評(píng)估、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)疲勞模型等;
可考慮各種影響疲勞壽命的因素:殘余加工應(yīng)力、表面加工狀態(tài)、開(kāi)口敏感性、溫度等;
可輕松地處理復(fù)雜載荷歷程,等等。
3.5.斷裂力學(xué)分析/損傷容限設(shè)計(jì)
前述疲勞壽命分析獲得的是零件疲勞裂紋萌生時(shí)的壽命,實(shí)際上,很多零件在裂紋擴(kuò)展的過(guò)程中還可以工作很長(zhǎng)一段時(shí)間。例如,早期美國(guó)空軍曾在發(fā)動(dòng)機(jī)完整性大綱中規(guī)定:渦輪盤(pán)中只要有千分之一的概率出現(xiàn)1/32英寸的裂紋,這批輪盤(pán)即全部報(bào)廢而更換為新盤(pán)。但隨后的使用說(shuō)明,在盤(pán)的某些部位是允許裂紋存在的,而且擴(kuò)展到一定的長(zhǎng)度也不至于造成災(zāi)難性事故,經(jīng)過(guò)研究,原來(lái)報(bào)廢的盤(pán),其中90%均可重新使用。類(lèi)似的事例說(shuō)明:如果按照早期完整性大綱所規(guī)定的“安全壽命”設(shè)計(jì),將會(huì)造成很大的浪費(fèi),也很不科學(xué)。因此,現(xiàn)在已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中引入了“損傷容限”設(shè)計(jì)原則(或“破損-安全”設(shè)計(jì)原則),即結(jié)構(gòu)的某一部分已經(jīng)產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的裂紋,該結(jié)構(gòu)仍能在原定載荷狀態(tài)下正常工作到下一次檢修,在這一段時(shí)間內(nèi),裂紋不會(huì)擴(kuò)展到臨界尺寸。
裂紋的擴(kuò)展特性由斷裂力學(xué)計(jì)算來(lái)完成。在線(xiàn)彈性條件下,用裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K與材料本身臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kc、以及裂紋擴(kuò)展門(mén)檻值等之間的關(guān)系,來(lái)判斷裂紋是否擴(kuò)展以及擴(kuò)展的速度;在裂紋尖端出現(xiàn)大范圍塑性屈服的情況下,用彈塑性斷裂力學(xué)參數(shù)J積分與材料本身臨界J積分?jǐn)?shù)據(jù)等之間的關(guān)系來(lái)判斷裂紋擴(kuò)展特性。
ANSYS通用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模塊提供了完整的斷裂力學(xué)計(jì)算功能,可計(jì)算如下裂紋參數(shù):
裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KI(拉開(kāi))、KII(剪切)和KIII(撕裂)
J積分(表征裂紋尖端彈塑性奇異應(yīng)力和奇異應(yīng)變的強(qiáng)度)
能量釋放率(表示裂紋開(kāi)、閉所需要的功)
3.6.拓?fù)?形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)
優(yōu)化設(shè)計(jì)作為一種新的設(shè)計(jì)方法,產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代初,它是建立在近代數(shù)學(xué)規(guī)劃論和計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,能使一項(xiàng)設(shè)計(jì)在一定的技術(shù)和物質(zhì)條件下尋求一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最佳的設(shè)計(jì)方案。在近代,優(yōu)化設(shè)計(jì)愈來(lái)愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,通過(guò)優(yōu)化,零部件能夠使其力學(xué)性能得到改善,并可獲得最佳的結(jié)構(gòu)尺寸。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法較傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一般可節(jié)省材料7~40%,因此優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)已越來(lái)越受到人們的重視。
在航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要?，F(xiàn)代飛機(jī)尤其是軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)都追求盡量高的推重比,而對(duì)飛機(jī)推重比影響最大的就是發(fā)動(dòng)機(jī),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比影響最大又是諸如葉片、輪盤(pán)等高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件,這些零部件哪怕僅僅減輕1克的重量,對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)以致整個(gè)飛機(jī)都會(huì)產(chǎn)生可觀(guān)的影響。
ANSYS提供了非常完善的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)完成各種優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)主要用在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段,用以確定在給定的載荷、邊界條件、減重指標(biāo)等限制條件下獲得剛度/強(qiáng)度最佳、或指定模態(tài)頻率達(dá)到最大時(shí)的拓?fù)渫庑?以此外形為基礎(chǔ),經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臐M(mǎn)足工藝和設(shè)計(jì)要求的修正,即可得到真實(shí)的幾何設(shè)計(jì)。如果再進(jìn)一步,可在此幾何設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上通過(guò)形狀優(yōu)化來(lái)進(jìn)一步完善。ANSYS的形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)功能提供了兩種不同的技術(shù):
一是常規(guī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),它通過(guò)ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL建立參數(shù)化的幾何(經(jīng)典環(huán)境下),或者利用與CAD的雙向參數(shù)傳遞功能直接利用參數(shù)化的CAD模型(新一代AWE環(huán)境下),在給定的設(shè)計(jì)變量(如尺寸)、約束函數(shù)(如尺寸范圍、最大應(yīng)力等)和目標(biāo)函數(shù)(如重量)下,經(jīng)過(guò)往復(fù)迭代求解最優(yōu)化結(jié)果,每次迭代計(jì)算的設(shè)計(jì)變量集由各種優(yōu)化算法自動(dòng)確定,這些優(yōu)化算法包括:零階方法(罰函數(shù)法)、一階方法(梯度法)、MonteCarlo法等等。
二是最先進(jìn)的變分優(yōu)化技術(shù)(VT技術(shù)),變分技術(shù)的基本原理是:在有限元分析矩陣(如剛度陣、質(zhì)量陣)級(jí)別上利用高階級(jí)數(shù)展開(kāi)的方法建立他們與設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系,計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與設(shè)計(jì)變量之間也是類(lèi)似的關(guān)系。因此,可以通過(guò)一次有限元計(jì)算就可以建立設(shè)計(jì)空間的響應(yīng)面/曲線(xiàn),然后查詢(xún)得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。與傳統(tǒng)優(yōu)化方法需要數(shù)十上百次完整的有限元計(jì)算相比,變分技術(shù)只需一個(gè)參數(shù)化的幾何模型、只需一次網(wǎng)格劃分、只需一次有限元求解就可得到設(shè)計(jì)空間和優(yōu)化方案,可以極大地降低優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算規(guī)模、提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率,除此之外還有其它的優(yōu)勢(shì):
設(shè)計(jì)變量的數(shù)目對(duì)計(jì)算時(shí)間的影響很輕微;
由于高階導(dǎo)數(shù)的精確計(jì)算,也由于采用網(wǎng)格隨移技術(shù)(用以計(jì)算目標(biāo)函數(shù)與尺寸設(shè)計(jì)變量之間的高階導(dǎo)數(shù))避免了網(wǎng)格重劃帶來(lái)的模型誤差,使得優(yōu)化的精度也大大提高;
導(dǎo)數(shù)計(jì)算過(guò)程本身就自動(dòng)獲取了任意設(shè)計(jì)參數(shù)在其整個(gè)值域內(nèi)的對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的靈敏度。
除了滿(mǎn)足常規(guī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求外,ANSYS的變分技術(shù)還提供了一些非常獨(dú)特的優(yōu)化設(shè)計(jì)能力,諸如:
與CAD軟件的雙向參數(shù)傳遞功能使變分技術(shù)能與CAD軟件協(xié)同進(jìn)行設(shè)計(jì)尺寸優(yōu)化;
多目標(biāo)優(yōu)化:多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)既可獨(dú)立存在,也可加權(quán)成一個(gè)總目標(biāo);
離散變量?jī)?yōu)化:如加強(qiáng)筋的個(gè)數(shù)、點(diǎn)焊的個(gè)數(shù)、結(jié)構(gòu)上的孔的個(gè)數(shù)、連接彈簧的的個(gè)數(shù)等離散變量均可作為優(yōu)化變量;通過(guò)單元組的形式,還可實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化;
圖3-3-27“便覽”曲線(xiàn)
集合變量?jī)?yōu)化:如型鋼是按照型號(hào)選用的,型號(hào)一確定,所有的細(xì)部尺寸完全確定;相同的實(shí)例還有材料牌號(hào)等;
同時(shí),ANSYS變分優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果提供了豐富的交互式后處理工具,包括:
設(shè)計(jì)空間圖:設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系,形成響應(yīng)面或設(shè)計(jì)曲線(xiàn),對(duì)離散變量有特殊的顯式方式。
靈敏度:正則化的靈敏度圖表,以直方圖、餅圖、靈敏度曲線(xiàn)等方式直觀(guān)顯示每個(gè)設(shè)計(jì)變量在其整個(gè)變化范圍內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)變量的影響程度。
蛛狀圖:即時(shí)反映所有的設(shè)計(jì)變量在其當(dāng)前值的響應(yīng),可以容易地、形象地比較多個(gè)結(jié)果參數(shù)。
多目標(biāo)優(yōu)化的輸出:給出三個(gè)優(yōu)化的候選設(shè)計(jì),“星號(hào)”的數(shù)量指示了目標(biāo)達(dá)成的程度。
“便覽”曲線(xiàn)(HandbookCurves):當(dāng)某一個(gè)設(shè)計(jì)變量取不同的值時(shí),另一個(gè)設(shè)計(jì)變量在其整個(gè)變化范圍內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的影響,該曲線(xiàn)反應(yīng)設(shè)計(jì)變量之間的“相關(guān)性”。
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