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航空与航天设备 |
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基于ANSYS的涡轴发动机参数化仿真系统开发 |
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newmaker |
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航空涡轴发动机是一种输出轴功率的涡轮喷气发动机。涡轴发动机的压气机结构包含从纯轴流式、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等形式。航空涡轴发动机压气机转子的复杂系统，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。
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，使得设计分析工作集中在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。由此减少工作人员的工作量，缩短压气机的设计周期。
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，提供了三种二次开发工具：
通过应用参数化程序设计语言（APDL）编制分析程序，实现有限元分析过程的全参数化驱动；
通过应用用户界面设计语言（UIDL）编写或改造ANSYS图形界面，使其更符合行业分析特点；
通过应用用户程序特性（UPFs）从开发程序源代码的级别上扩充ANSYS的功能。
航空涡轴发动机是一种输出轴功率的涡轮喷气发动机。涡轴发动机的压气机结构包含从纯轴流式、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等形式。航空涡轴发动机压气机转子的复杂系统，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。
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，使得设计分析工作集中在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。由此减少工作人员的工作量，缩短压气机的设计周期。
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，提供了三种二次开发工具：
通过应用参数化程序设计语言（APDL）编制分析程序，实现有限元分析过程的全参数化驱动；
通过应用用户界面设计语言（UIDL）编写或改造ANSYS图形界面，使其更符合行业分析特点；
通过应用用户程序特性（UPFs）从开发程序源代码的级别上扩充ANSYS的功能。
如何实现全参数驱动的有限元分析方法
核心内容：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。
如何开发涡轴发动机组合压气机转子参数化有限元分析分析系统
核心内容：参数化模型的定义和可变参数的有限元分析程序的编制；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。
参数化有限元模型的定义方法
首先将涡轴发动机组合压气机这种复杂的非标准件分解为轴流轮盘、轴流叶片、离心轮盘、离心大小叶片等结构。然后按特征结构对其定义参数。
例如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。基于这种方法可对轴流叶盘结构进行几何简化并生成参数化有限元模型。
某轴流叶盘结构简图
某轴流叶盘结构特征参数表
 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。
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。
参数化有限元设计分析流程
轴流叶盘参数化有限元分析等效应力
参数化有限元分析等效应力
涡轴发动机组合压气机参数化仿真的具体应用
基于上述方法某型号涡轴发动机组合压气机转子的参数化仿真得以顺利实现，其结构主要由三级轴流式，一级离心式叶盘组成。在对其进行参数化设计分析时，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后并通过参数化的有限元分析程序进行验证，从而实现了对涡轴发动机压气机转子这样一个复杂系统的参数化仿真系统开发。
UIDL开发的系统界面
(end)
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(9/13/2011) |
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