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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 | |
| 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 （图片）表2 有限元分析参数表 （图片） | |
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