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基于ANSYS的涡轴发动机组合压气机转子参数化仿真系统开发 |
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作者：纪福森 吴铁鹰 |
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1 前言
参数化设计是一种解决设计约束问题的数学方法，它是在结构形状比较定型时，用一组参数来约定尺寸的关系，然后通过尺寸驱动达到改变结构形状的目的。参数化设计广泛应用于机械产品的建模中 。近年来开始将参数化的思想融入到有限元分析中，提出了基于结构参数化的有限元分析 。但是，由于只能进行几何模型的参数化,参数化程度比较浅。于是，提出了全参数驱动的有限元分析方法，即对有限元分析的前、后处理进行参数化,包括几何模型、有限元网格划分、约束边界条件、载荷、材料性能、单元类型、分析类型和后处理类型的参数化,自动化程度高,具有发展前途。
ANSYS是目前少数几种支持参数化设计的有限元分析软件之一。ANSYS功能强大、通用性好，同时还具有良好的开放性，用户可以根据具体需要在其标准版本上开发出具有行业分析特点的专用系统。ANSYS提供了三种二次开发工具：参数化程序设计语言（APDL），通过该语言编制参数化有限元分析程序，实现有限元分析过程的全参数化驱动；用户界面设计语言（UIDL），通过该语言编写或改造ANSYS图形界面，使其更符合行业分析特点；用户程序特性（UPFs）,通过该语言可以从开发程序源代码的级别上扩充ANSYS的功能。本文涡轴发动机组合压气机转子参数化有限元分析分析系统，其核心内容是参数化模型的定义和可变参数的有限元分析程序的编制，然后利用UIDL语言开发系统操作界面，将各零部件的参数化有限元程序集成于ANSYS环境。
2 涡轴发动机压气机结构特点和设计特点
涡轴发动机，是一种输出轴功率的涡轮喷气发动机。法国是最先研制涡轴发动机的国家。50年代初，透博梅卡公司研制成世界上第一台航空涡轮轴发动机，定名为“阿都斯特—l”。涡轴发动机的压气机结构形式，从纯轴流式、单级离心、双级离心到轴流与离心混装一起的组合式压气机。当前，直升机的涡轴发动机大多采用的是若干级轴流加一级离心所构成的组合压气机。例如，国产涡轴6、涡轴8发动机；“黑鹰”直升机上的T700发动机。涡轴发动机的轴流压气机大量采用整体结构，结构简单，零组件数量少。如将转子叶片和轮盘做成一体，形成叶盘结构。法国阿赫耶发动机，美国T700发动机均采用了整体叶盘结构。
压气机的设计过程是一个气动设计和结构设计反复修正、协调、计算与实验的过程。从压气机气动、结构设计流程图[6]中可以看出在两个过程中都存在着大量的结构强度分析的内容。此外，从流程图中还可以看出设计流程存在大量的反复性。作为航空涡轴发动机压气机转子这样一个复杂的系统，如果每一次结构设计方案的调整和结构强度的分析都是一个新的过程，其中的重复劳动量将是非常巨大的。于是，我们将参数化的设计分析方法引入到涡轴发动机组合压气机设计过程中，使得设计分析工作主要是各类零件结构形式的选择和具体参数的调整，以及对每种设计方案的结构强度分析。这样可以减少工作人员的工作量，缩短压气机的设计周期。
3 参数化有限元分析模型的定义
对于涡轴发动机组合压气机这种复杂的非标准件，我们首先对其进行结构分解，可分为轴流轮盘、轴流叶片、离心轮盘、离心大小叶片。我们知道叶盘结构非常复杂，在定义几何参数时具有一定的难度，这样我们引入了特征结构的概念，按特征结构对其定义参数。对叶盘结构进行特征分析，各种形式的轮盘都具有轮缘、腹板和轮毂三大基本特征，称之为基盘，其余形状则为辅助特征包括突缘、鼓筒、轴径、安装边、均布孔或安装孔、环槽及篦齿等[7]。基于这种思想我们对某轴流叶盘结构进行研究（图1），在满足分析要求的条件下，对结构进行适当简化并提取结构的几何参数（表1）。
图1 某轴流叶盘结构简图
表1 结构特征参数表
 表2 有限元分析参数表
 4 APDL参数化有限元分析方法
ANSYS参数化有限元分析程序设计方法与步骤：
(1) 利用参数化设计思想, 根据模型的几何结构抽象出描述模型的特征参数, 并对实际模型在不影响精度的情况下适当简化。同时，设置单元类型、单元网格精度、材料参数等有限元分析参数。
(2) 用APDL语言编制包含实体建模、分析过程、结果处理过程的有限元分析程序。
(3) 引入设计分析参数, 构成可变参数的有限元分析程序。
(4) 根据设计分析要求,将参数赋予具体的特征值，进行有限元分析。
图2 参数化有限元设计分析流程
这样，在进行结构设计分析时只需重复(4) 就可不断获得新的结果, 对于具体使用人员甚至无需了解有限元的具体分析过程与方法, 就可得到有限元分析结果。另外，根据设计要求我们可以增加各种分析功能和后处理功能，也可自己开发新的功能模块与ANSYS集成，如开发新的优化算法程序等。
5 涡轴发动机组合压气机参数化仿真实例
在进行复杂零部件参数化设计分析时，首先，将复杂零部件按特征分解；然后引入模块拼合关系作为约束，建立零部件参数间函数关系，从而实现了复杂三维零部件实体模型的参数化设计分析。基于上述思想我们实现了涡轴发动机组合压气机转子的参数化仿真，其由三级轴流式，一级离心式叶盘组成。
图3 UIDL开发的系统界面
图4 轴流叶片有限元分析模型
图5 轴流轮盘参数化有限元分析模型
图6 轴流叶盘参数化有限元分析模型
图7 轴流叶盘参数化有限元分析等效应力
图8 组合压气机转子参数化有限元分析模型
图9 参数化有限元分析等效应力
6 结论
（1）将参数化设计思想引入到涡轴发动机组合压气机整体叶盘的设计分析中，设计人员每次只需调整具体结构参数及有限元分析参数，进行有限元计算。而无需进行重复建模，这样，节省了大量时间，可以缩短组合压气机的设计周期。
（2）参数化设计思想引入，使得设计人员，可以根据设计要求对各分结构进行有限元分析，如各级叶片、各级轮盘、各级叶盘等的有限元分析。
（3）在基于结构参数化的基础上，设计人员可以方便的进行结构的2D/3D优化设计。
（4）随着我们各种结构形式叶盘参数化模型库的丰富，设计人员只需根据设计要求选择某种结构，进行参数调整，即可组合成整个压气机进行分析，可以实现设计分析的半自动化。
参考文献
[1] 王 坚,黄金国,向文等.参数化特征造型系统FMT[J].高技术通讯,1994.(7).
[2] 平雪良,朱广平,周来水.一种新的参数化设计方法[J].东南大学学报,1997.27(5).
[3] 陈德人.参数化设计模型与方法[J].浙江大学学报,1995.29(2).
[4] 陈 伟,何 飞,温卫东.基于结构参数化的有限元分析方法[J].机械科学与技术，2003.6.
[5] 黄菊花等.材料成形计算机模拟中的参数化有限元法[J].中国机械工程，2003.1.
[6] 航空发动机设计手册（压气机分册）.北京：航空工业出版社，2000.
[7] 马 枚等.并行工程环境下基于约束的叶盘结构建模与分析[J].航空动力学报，1998.10.(end)
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(7/14/2007) |
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