基于Workbench的结构强度一体化设计平台案例

作者：安世亚太

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 项目背景 航空某发动机设计研究所主要从事于航空发动机研究，目前已自主研发出多种型号的航空发动机，是中国大中型航空发动机研发基地。航空发动机的研制是一项涉及多学科、多技术的复杂系统工程，各国发动机部门都很重视相关的计算机辅助设计及一体化设计技术工作。近些年国外大型商业软件的引进，使得在在航空发动机的设计、分析诸多方面都得到了显著效果。但是尽管这些软件水平和质量与国外不相上下，而取得的效果却是天壤之别。如R&R公司那种一天20个叶片方案评估，而以国内目前的流程绝对是无法想象的。导致这种差别存在的原因是： 1. 设计部门间及部门内部协调不够，缺乏统一的标准及规范。如结构设计完成的几何模型，无法直接应用到强度分析，导致重新造型等大量重复工作; 2. 设计内容不合理。如参数化结构建模的比例很少，无法保证设计的高效; 3. 本身设计经验不足。传统设计更多地是靠设计者的经验，规范的欠缺也极大地制约了后续仿真和优化设计技术的开展。 计算机辅助设计和仿真技术从根本上改变了传统的设计方式，由此大大缩短了航空发动机的研制周期，该所主要的设计软件及规范已经具备，客观上保证了进行结构强度一体化设计的可能。因此在现有基础上，通过 1. 对设计规范的数字化改造，建立相关的规范准则; 2. 与安世亚太公司合作进行“强度结构一体化设计系统”集成与开发。 来验证建立“一体化设计平台”的可行性，为“十一五”进行大规模的技术改造和平台推广提供经验和指导。 项目目标 以结构强度一体化设计为目的，完成用于强度分析的叶片参数化建模研究，开展相关数据传递方法、相关接口软件编制的工作，为保证各部门模型数据间无缝衔接打下基础; 以目前使用的设计规范为基础，创建与强度设计相关的气动、结构等模块的数据接口，从而保证相关数据源的单一性; 搭建结构强度一体化设计平台，并以发动机部件为对象，完成系统测试。 项目内容 “强度结构一体化设计系统”从发动机强度角度考虑，研究将以压气机轮盘、叶片为主， 在目前已有强度设计规范基础上，进行数字化改造，以完善轮盘、叶片强度设计系统，从而保证设计系统的完整性。基于ANSYS Workbench的“强度结构一体化设计系统”需实现以下航空发动机的设计需求： 仿真与设计的数据协同 要求在仿真和设计之间实现基于统一的模型和参数，设计和仿真的任何一方对于模型的修改可保证另一方的同步更新。设计模型的更改不应影响仿真的载荷、边界条件、网格、求解控制、后处理等的设置，可自动实现仿真结果的更新。 强度分析的工程定制 - 设计模板定制 为确保分析过程的标准化、规范化，在设计规范的基础上，将主要经验固化到程序中，形成相应的设计模板。要求系统界面简洁，分析人员只看到几何尺寸、零件材料、工程载荷的大小等设计参数的修改界面。从而保证分析工程的标准化，避免不同的分析者得到不同结果。 初步实现相关模型数据的管理 系统需实现设计过程中的数据管理，保证同一设计的设计模型、仿真模型、结果、报告、多方案比较等模型数据的管理，并实现与PDM的集成。 项目成果 “强度结构一体化设计系统”基于ANSYS Workbench的基础架构，针对航空发动的特点设计要求进行一定的定制和开发，并实现了叶片强度结构的一体化设计。叶片的设计方案主要工作包括：叶片强度设计流程定制，叶片参数化建模，接口数据格式定制与集成，设计流程及模板的定制。该项目的主要成果包括： 实现了强度与结构设计间模型参数的双向互动及数据协同 – 利用Workbench自身的CAD双向数据接口即可实现。 实现了气动载荷数据的集成 - 针对叶片类部件的要求，在结构强度一体化设计平台中开发集成了气动载荷插值程序及接口，实现了高效准确地的发动机叶片上气动载荷数据的施加。 定制了设计模板及强度分析流程 – 按部件强度设计流程及规范，建立相关设计模板。模板的内容包括载荷施加、网格划分、分析项目、计算结果提取等。模板和流程存放于数据库中，作为全所的智力资产保存下来。 实现了模型与数据的统一管理 - “强度结构一体化设计系统” 集中、整合、管理了所有类型的仿真数据，并与iMAN集成，强度分析数据的索引存储于PDM的系统中。集成后的PDM可触发一体化设计系统的数据管理系统，从而检出强度分析的所有相关文件到本地。当然这种检出是依据PDM赋予此账户的权限来进行的。当仿真任务执行完毕后，可以通过一体化设计系统将仿真数据自动检入到PDM。 项目评价 利用该项目的成果，以某型低压压气机一级轮盘为研究对象进行了“一体化环境下的轮盘部件尺寸敏度分析”，对发动机典型部件进行强度计算、结构优化以及公差敏感度分析的可行性研究，为该级轮盘强度、寿命影响因素的敏感度分析提供了参考。 “强度结构一体化设计系统”保证了数据的快速流通与有效共享，满足结构强度一体化设计要求。相关分析方法、步骤为发动机强度设计系统的搭建提供了经验和指导作用。 “强度结构一体化设计系统”的项目成果获得了所里领导和业内人事的认同与赞赏。 本项目采用ANSYS Workbench进行集成开发的技术方案其关键优势为： 1. 利用Workbench的双向CAD数据接口实现强度与结构设计间模型与数据协同是其它仿真软件不具备的。 2. 无须脚本，模型修改后进行仿真分析结果的更新充分利用了Workbench面向对象的技术优势。 3. 设计模板及强度分析流程的定制充分体现了Workbench开放架构的技术特定，定制过程简单、界面友好。 4. Workbench项目方式的数据管理功能和与PDM的接口实现模型与数据的统一管理是其它仿真软件不具备的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/17/2008)