ANSYS渦軸發動機參數化仿真系統開發

2013-07-28 by:CAE軟件研究中心Ansys組來源:仿真在線

ANSYS渦軸發動機參數化仿真系統開發

航空渦軸發動機是一種輸出軸功率的渦輪噴氣發動機。渦軸發動機的壓氣機結構包含從純軸流式、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等形式。航空渦軸發動機壓氣機轉子的復雜系統,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。

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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,使得設計分析工作集中在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。由此減少工作人員的工作量,縮短壓氣機的設計周期。

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,提供了三種二次開發工具:

 通過應用參數化程序設計語言(APDL)編制分析程序,實現有限元分析過程的全參數化驅動;

 通過應用用戶界面設計語言(UIDL)編寫或改造ANSYS圖形界面,使其更符合行業分析特點;

 通過應用用戶程序特性(UPFs)從開發程序源代碼的級別上擴充ANSYS的功能。

 如何實現全參數驅動的有限元分析方法

核心內容: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。

 如何開發渦軸發動機組合壓氣機轉子參數化有限元分析分析系統

核心內容:參數化模型的定義和可變參數的有限元分析程序的編制;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。

 參數化有限元模型的定義方法

首先將渦軸發動機組合壓氣機這種復雜的非標準件分解為軸流輪盤、軸流葉片、離心輪盤、離心大小葉片等結構。然后按特征結構對其定義參數。

例如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。基于這種方法可對軸流葉盤結構進行幾何簡化并生成參數化有限元模型。

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某軸流葉盤結構簡圖

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某軸流葉盤結構特征參數表

 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。

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。

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參數化有限元設計分析流程

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軸流葉盤參數化有限元分析等效應力參數化有限元分析等效應力

 渦軸發動機組合壓氣機參數化仿真的具體應用

基于上述方法某型號渦軸發動機組合壓氣機轉子的參數化仿真得以順利實現,其結構主要由三級軸流式,一級離心式葉盤組成。在對其進行參數化設計分析時,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后并通過參數化的有限元分析程序進行驗證,從而實現了對渦軸發動機壓氣機轉子這樣一個復雜系統的參數化仿真系統開發。

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UIDL開發的系統界面