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2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
第三章航空發(fā)動機(jī)仿真方案
1.航空發(fā)動機(jī)行業(yè)概況
1903年12月17日,美國萊特兄弟實(shí)現(xiàn)了人類歷史上首次有動力、載人、持續(xù)、穩(wěn)定和可操作的重于空氣飛行器的飛行。這使得幾千年來由少數(shù)人從事的飛行探索事業(yè)在后來的百年中發(fā)展成為對世界政治、經(jīng)濟(jì)、軍事和技術(shù),甚至人們的生活方式都有重要影響的航空業(yè)。
因此,從狹義上說,航空發(fā)動機(jī)是航空器飛行的動力,是航空器的“心臟”;從廣義上說,航空發(fā)動機(jī)是航空事業(yè)發(fā)展的推動力,對航空器的性能和研制有著決定性的影響。
1.1.世界航空發(fā)動機(jī)發(fā)展歷史
航空發(fā)動機(jī)百余年的發(fā)展歷史大致可分為兩個時期:第一個時期從萊特兄弟的首次飛行開始到二次世界大戰(zhàn)結(jié)束為止。這個時期內(nèi),活塞式發(fā)動機(jī)統(tǒng)治了40年左右的時間。第二個時期是從二次世界大戰(zhàn)結(jié)束至今,燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)取代了活塞式發(fā)動機(jī),居航空動力的主導(dǎo)地位,開創(chuàng)了噴氣時代。在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的60多年發(fā)展歷程中,大致經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代:
第一代是單轉(zhuǎn)子亞音速噴氣發(fā)動機(jī)。這一代發(fā)動機(jī)大多數(shù)在20世紀(jì)30~40年代研制,40年代末50年代初投入使用。壓氣機(jī)采用離心式和軸流式兩種,總增壓比在5左右,單管燃燒室,單級渦輪;推重比3左右。有代表性的機(jī)種有:美國的J47(TG-190)、前蘇聯(lián)的VK-1和法國的阿塔(Atar)發(fā)動機(jī)。
第二代是超聲速渦噴發(fā)動機(jī)。這些發(fā)動機(jī)在第一代發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上有了許多創(chuàng)新,大都在50年代研制。主要技術(shù)特點(diǎn)是:雙轉(zhuǎn)子、進(jìn)口導(dǎo)流葉片可調(diào)、超聲速壓氣機(jī)、高溫渦輪、推重比達(dá)到5左右。用這一代發(fā)動機(jī)裝配的飛機(jī)都是超聲速戰(zhàn)斗機(jī)。代表機(jī)種有:美國的J79和前蘇聯(lián)的R11-300R。
第三代是超聲速渦扇發(fā)動機(jī)。這一代發(fā)動機(jī)的研制始于60年代,主要技術(shù)特點(diǎn)是:渦扇發(fā)動機(jī)、核心機(jī)技術(shù),2D設(shè)計、環(huán)形燃燒室、氣冷渦輪、結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計、新材料、推重比8。這一代發(fā)動機(jī)的成長得益于全世界各種大型試驗設(shè)備的建設(shè)、計算技術(shù)和制造技術(shù)的發(fā)展。用這一代發(fā)動機(jī)裝配的飛機(jī)都是高性能超聲速戰(zhàn)斗機(jī)。代表機(jī)種有:美國的F404和F100、前蘇聯(lián)的AL31F和RD33、英國的RB199和法國的M88-2。
第四代是先進(jìn)技術(shù)渦扇發(fā)動機(jī)。這一代從80年代中期開始發(fā)展,目前仍處于研制階段。主要技術(shù)特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單,抗撞擊能力強(qiáng),具有良好的耐久性可維護(hù)性;增加了不加力條件下的持續(xù)超聲速巡航能力、采用2D噴管的有限矢量推力能力和隱身能力。第四代發(fā)動機(jī)的推重比為9~10。代表機(jī)種有:美國的F119、前蘇聯(lián)的AL-41F和英國的EJ200。
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)在60多年的發(fā)展歷史中經(jīng)歷了眾多技術(shù)進(jìn)步,如表3-1-1所示:
表3-1-1航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的技術(shù)進(jìn)步
目前,美、英第一、二代均已退役,第三代是現(xiàn)役主力機(jī)種。由于其性能先進(jìn),且還在不斷改進(jìn)改型,服役期比第一、二代長很多,估計將使用到2010年左右,俄、法、日、印、韓等國第二、第三代并存,以第三代為主。
第四代戰(zhàn)斗機(jī)是美、蘇冷戰(zhàn)對抗時期開始研制的,原計劃90年代中期裝備部隊。自蘇聯(lián)和華約解體后,是否還需要繼續(xù)發(fā)展,在美國和西歐開展了一場大辯論。許多國會議員提出,將F15、F16經(jīng)現(xiàn)代化改裝后,就可以達(dá)到應(yīng)付未來“地區(qū)沖突”的要求。在此影響下,德國曾一度退出歐洲戰(zhàn)斗機(jī)EF2000發(fā)展計劃。但辯論的結(jié)果認(rèn)為:F15、F16經(jīng)改裝后,不能跨越“代”的鴻溝。為了滿足“全球到達(dá),全球力量”的戰(zhàn)略目標(biāo),發(fā)展第四代戰(zhàn)斗機(jī)是必須的。這場辯論使第四代戰(zhàn)斗機(jī)的裝備時間推遲了十年左右。第四代戰(zhàn)斗機(jī)具有隱身、過失速機(jī)動、不加力超聲速巡航、短距起降、超視距多目標(biāo)攻擊和裝備更先進(jìn)的航空電子與武器系統(tǒng)等許多特點(diǎn),較之第三代具有全面優(yōu)勢。據(jù)報道,F22與F15相比,每飛行小時的維修工時降低約70%,其綜合作戰(zhàn)效能提高近10倍。但由于F22太貴,難以大量裝備部隊,又決定同時研制裝單臺F119發(fā)動機(jī)(推力增大型)的JSF聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī),已有近10個國家參與該項計劃。該機(jī)三種型別(常規(guī)型、短距起飛/垂直降落型和垂直起降型)的意向訂貨量高達(dá)3300架左右,總價達(dá)1800億美元的訂單已被馬丁公司所得。美國將以聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)JSF和F22這兩種第四代戰(zhàn)斗機(jī)輕重搭配跨入21世紀(jì),從2003年起陸續(xù)裝備部隊,全面取代現(xiàn)役的第三代戰(zhàn)斗機(jī),成為美國、部分西方國家、甚至我國部分周邊國家和地區(qū)21世紀(jì)上半葉的主戰(zhàn)機(jī)種。
西方各國對航空動力技術(shù)的預(yù)先研究一向給予極大重視,開展了一系列大型研究計劃。如美國軍方早從50年代中期就開始實(shí)施航空推進(jìn)技術(shù)探索發(fā)展計劃;70年代初至80年代又相繼實(shí)施了先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)計劃(ATFE)、先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器計劃(ATEGG)和飛機(jī)推進(jìn)分系統(tǒng)綜合計劃;70年代末以來,美國政府(由NASA主持)也先后實(shí)施了發(fā)動機(jī)部件改進(jìn)計劃、高效節(jié)能發(fā)動機(jī)計劃(E3)、先進(jìn)螺旋槳計劃和發(fā)動機(jī)熱端部件技術(shù)計劃(HOST)。正是這些研究計劃,為各種先進(jìn)軍、民用發(fā)動機(jī)提供了堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),才使得美國達(dá)到了當(dāng)今世界的領(lǐng)先水平,使軍、民用發(fā)動機(jī)跨上了一個又一個技術(shù)新臺階。航空動力行業(yè)已成為世界各航空強(qiáng)國的軍事工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。
美國在研制第四代F119發(fā)動機(jī)的同時,從1988年起的15年內(nèi)又投入50億美元巨資,由軍方與政府聯(lián)合主持實(shí)施“綜合高性能發(fā)動機(jī)技術(shù)計劃”(即IHPTET計劃);英國則著手進(jìn)行先進(jìn)軍用核心發(fā)動機(jī)第II階段計劃(ACME-II)。其共同目標(biāo)是利用計算流體力學(xué)(CFD)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、燃燒、傳熱、新材料、新工藝、電子調(diào)節(jié)和計算機(jī)仿真等方面的最新成就,使推進(jìn)系統(tǒng)的能力在現(xiàn)有基礎(chǔ)上翻一番,預(yù)計2020年后有可能研制出第五代推重比為15~20的發(fā)動機(jī)。這意味著他們用15年左右的時間,在推重比、耗油率、成本等方面取得的技術(shù)進(jìn)步,相當(dāng)于過去30~40年的成就,充分表明世界航空發(fā)動機(jī)技術(shù)呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢。
1.2.我國航空發(fā)動機(jī)發(fā)展歷史
我國航空動力行業(yè)經(jīng)過幾十年的建設(shè),從無到有,由小到大,在維護(hù)修理、測繪仿制、批量生產(chǎn)、改進(jìn)改型、民機(jī)開發(fā)等方面均取得很大成績。新機(jī)研制和預(yù)先研究也取得可喜進(jìn)展,共生產(chǎn)了近60000萬臺各型發(fā)動機(jī),為建立一支強(qiáng)大的人民空軍、海軍和陸軍航空兵,保障國家安全和促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了重大貢獻(xiàn)。
但是,航空動力長期在測繪仿制中徘徊,走了不少彎路,與加速發(fā)展的世界先進(jìn)水平相比,我國航空發(fā)動機(jī)大大落后了。我國現(xiàn)役軍機(jī)大量使用的發(fā)動機(jī),大都是仿制前蘇聯(lián)的產(chǎn)品或者是其改進(jìn)改型,推重比為5~5.5左右,僅相當(dāng)于國外早已淘汰的第二代水平;民機(jī)動力方面,目前生產(chǎn)的仍是仿制前蘇聯(lián)50~60年代的中小型渦槳發(fā)動機(jī),干線民航機(jī)大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)基本上還是空白;在航改燃機(jī)方面,80年代在成熟的航空發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上改型了6種型號,生產(chǎn)了百余臺,但僅占我國近800萬千瓦燃機(jī)總裝機(jī)容量的5%左右;從80年代初開始的高性能發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研,雖取得一定進(jìn)展,但距工程應(yīng)用還有一段較長的路要走;80年代中期開始研制的某發(fā)動機(jī),雖已實(shí)現(xiàn)首飛,但距設(shè)計定型尚需時日。綜合評估我國航空動力的總體技術(shù)水平,較國外相差一代半,落后約25~30年,而且這種差距還有進(jìn)一步拉大的危險。我國航空發(fā)動機(jī)落后,已成為嚴(yán)重制約整個航空工業(yè)快速發(fā)展的“瓶頸”,這是不爭的事實(shí)。造成這種局面的原因很多,“冰凍三尺,非一日之寒”,客觀上航空發(fā)動機(jī)技術(shù)十分復(fù)雜,研制難度很大,花錢多,周期長,我國工業(yè)和技術(shù)基礎(chǔ)相對薄弱,預(yù)研和型號經(jīng)費(fèi)投入不足;主觀上對航空發(fā)動機(jī)研制的復(fù)雜性和規(guī)律性認(rèn)識不足,對預(yù)研工作重視不夠,技術(shù)儲備少;攤子大,戰(zhàn)線長,力量分散,型號品種多。在國際形勢出現(xiàn)變化和動力技術(shù)快速發(fā)展的新形勢下,卻未能及時進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)改造;引進(jìn)仿制機(jī)種過多,總以為測仿來得快,40多年中先后測仿了來自國外的十多種型號,大都是當(dāng)時該國的二、三流產(chǎn)品;尤為失策的是對引進(jìn)技術(shù)未能很好地組織消化、吸收和創(chuàng)新,且引進(jìn)往往擠掉或消弱了國內(nèi)的新機(jī)研制;長期過份強(qiáng)調(diào)型號牽引,有了型號才有錢,對預(yù)先研究、打基礎(chǔ)重視不夠,預(yù)研投資強(qiáng)度太低,結(jié)果使基礎(chǔ)薄弱,技術(shù)儲備不足,許多關(guān)鍵技術(shù)沒有提前突破,型號研制成了“無米之炊”,久攻不下,為了滿足飛機(jī)對發(fā)動機(jī)的需求而不得不再來一輪新的引進(jìn)、仿制,從而陷入“惡性循環(huán)”;在管理上,領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)重疊,管理分散,政出多門,意見不一,缺乏穩(wěn)定、權(quán)威的中長期發(fā)展規(guī)劃,缺乏科學(xué)的決策程序,型號和大型預(yù)研項目的“上馬”和“下馬”,往往因機(jī)構(gòu)調(diào)整和人事變動而出現(xiàn)大的變化;沒有協(xié)調(diào)處理好發(fā)動機(jī)與飛機(jī)(平臺)、型號與預(yù)研、全新研制與改進(jìn)改型、自行研制與國外引進(jìn)、工業(yè)部門和使用單位之間的關(guān)系;在工業(yè)基礎(chǔ)方面沒有安排好提前突破先進(jìn)的關(guān)鍵材料和制造工藝。管理上滯后和指導(dǎo)思想上的 不適應(yīng),對發(fā)動機(jī)的發(fā)展有時甚至比技術(shù)上落后的影響更大。
事實(shí)上,早在上世紀(jì)60年代,周恩來總理就指出:我們的飛機(jī)得了“心臟病”。40多年過去了,這種狀況并沒有實(shí)質(zhì)性的好轉(zhuǎn),國內(nèi)民航干線客機(jī)動力已全部被國外所占領(lǐng),而新研軍機(jī)因沒有自行研制的先進(jìn)動力可用,不得不買裝國外發(fā)動機(jī)。我軍裝備因動力而受制于人,形勢十分嚴(yán)峻。根治飛機(jī)“心臟病”已刻不容緩,這是擺在我們面前嚴(yán)肅而又緊迫的任務(wù)。圖3-1-1表明,從軍用航空發(fā)動機(jī)最重要的性能指標(biāo)“推重比”來看,我國航空發(fā)動機(jī)與國外發(fā)達(dá)國家對比呈現(xiàn)出剪刀差的落后趨勢,我國航空發(fā)動機(jī)仿制生產(chǎn)起于50年代初,起步并不算晚,而70年代以后差距愈拉愈大,與世界航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的加速發(fā)展態(tài)勢形成巨大的反差!
值得特別指出的是,我國周邊國家日本早就與美國合作生產(chǎn)第三代F110發(fā)動機(jī),并參與世界一流水平的大型民用渦扇發(fā)動機(jī)的國際合作研制,目前又正在與美、英合作研制飛行速度5倍聲速的HYPR-9組合循環(huán)發(fā)動機(jī),力圖在高超聲速推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域搶占領(lǐng)先地位。印度自行研制的GTX-35VS雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機(jī),推重比7.5左右,預(yù)計2002年將裝在他們自行設(shè)計的LCA輕型戰(zhàn)斗機(jī)上首飛(后改用美國的F404-F2發(fā)動機(jī))。他們計劃在未來幾年內(nèi)對其現(xiàn)有的780架各型作戰(zhàn)飛機(jī)進(jìn)行大規(guī)模更新?lián)Q代,使現(xiàn)役第三代飛機(jī)由目前的230架增加至560多架,還準(zhǔn)備引進(jìn)50架裝有推力矢量噴管的俄制SU-30MKT戰(zhàn)斗機(jī),并計劃在15年內(nèi)生產(chǎn)150~200架。臺灣地區(qū)雖未獨(dú)自研制航空發(fā)動機(jī),但在美國人幫助下,合資研制了FTE1042渦扇發(fā)動機(jī),并成功地應(yīng)用于“經(jīng)國號”輕型戰(zhàn)斗機(jī)(裝備130多架)。此外繼購買150架F16A/B之后,又引進(jìn)60架幻影2000-5,明顯地提高了裝備水平,增強(qiáng)了空軍實(shí)力?？梢哉f,我國空軍(包括海軍航空兵和陸軍航空兵)的裝備,除了數(shù)量上仍占一定優(yōu)勢之外,其技術(shù)水平已經(jīng)或即將被這些周邊國家和地區(qū)趕上和超過。這種嚴(yán)峻的形勢,對我國國家安全已構(gòu)成嚴(yán)重威脅。對此我們應(yīng)有高度警惕和足夠的認(rèn)識。
1.3.新世紀(jì)我國航空動力具有良好的發(fā)展機(jī)遇
雖然我國還沒有一臺自行研制的發(fā)動機(jī)投入使用,但經(jīng)過半個世紀(jì)的努力,我們進(jìn)行了多個型號研制,開展了推重比8和推重比10發(fā)動機(jī)這兩項大型預(yù)研工作,建成了包括大型高空臺在內(nèi)的基本配套的試驗設(shè)施,形成了較強(qiáng)的制造加工能力。特別是改革開放20多年來的快速發(fā)展和對外合作,為21世紀(jì)航空動力的快速發(fā)展打下了較堅實(shí)的技術(shù)和人才基礎(chǔ)。
過去航空產(chǎn)品的設(shè)計主要是依賴于各種試驗,使得航空產(chǎn)品尤其是航空發(fā)動機(jī)的研制周期長、耗資多、風(fēng)險高。近年來,由于信息技術(shù)特別是計算機(jī)輔助工程仿真(CAE)和計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的發(fā)展以及大量試驗數(shù)據(jù)的積累,20世紀(jì)90年代以來,在西方航空發(fā)達(dá)國家引發(fā)了一場設(shè)計技術(shù)的“革命”,初步實(shí)現(xiàn)了從“傳統(tǒng)設(shè)計”向依靠計算機(jī)數(shù)學(xué)模型優(yōu)化計算和虛擬現(xiàn)實(shí)仿真“預(yù)測設(shè)計”的轉(zhuǎn)變,從而大大減少了試驗工作量,提高了設(shè)計的成功率,既節(jié)約了經(jīng)費(fèi),又縮短了研制周期。使發(fā)動機(jī)的研制周期從過去的10~15年縮短到6~8年甚至4~5年,試驗機(jī)也從過去的40~50臺減少到10臺左右。
我們?nèi)裟芾卫巫プ∵@個機(jī)遇,在我國預(yù)研和型號已取得成果的基礎(chǔ)上,再加大力度引進(jìn)、消化一些國外的先進(jìn)軟件,建立一套中國自己的航空動力設(shè)計體系和數(shù)值仿真系統(tǒng),提高設(shè)計“起跑線”,發(fā)揮“后發(fā)優(yōu)勢”,不再重復(fù)西方幾十年所走過的老路。這是我國航空動力走出困境,以較少的投入、較快的速度縮短與國際先進(jìn)水平差距的有效途徑,也是實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的難得機(jī)遇。
2.航空發(fā)動機(jī)研制中的典型CAE問題
如前所述,計算機(jī)輔助工程分析技術(shù)已經(jīng)在西方航空發(fā)達(dá)國家引發(fā)了一場設(shè)計技術(shù)的“革命”,在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域更是如此。其最直接的效益就是:大大減少試驗工作量、提高了設(shè)計成功率、節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)、縮短了研制周期。
現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)設(shè)計對CAE分析的要求呈現(xiàn)三大趨勢:一是對分析的精度要求越來越高、二是需要分析的對象越來越龐大和復(fù)雜(系統(tǒng)級分析)、三是對多物理場耦合分析尤其是流固耦合分析的需求越來越多。下面簡單羅列一些航空發(fā)動機(jī)研制過程中的典型CAE問題以供參考,在下面幾個章節(jié)中,我們會針對這些問題予以更詳細(xì)的說明并提出ANSYS的解決方案。
與結(jié)構(gòu)力學(xué)分析相關(guān)的典型問題有:
壓氣機(jī)和渦輪的葉片、輪盤等重要構(gòu)件在考慮溫度、氣動力、高速旋轉(zhuǎn)離心力等載荷作用下的強(qiáng)度、振動以及高低周疲勞計算;
高低壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以及與支撐結(jié)構(gòu)相耦合的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在考慮溫度、氣動力、高速旋轉(zhuǎn)離心力和陀螺力矩等載荷作用下的動力特性(轉(zhuǎn)子動力學(xué))和不平衡響應(yīng)計算;
齒輪、軸承、傳動軸、機(jī)匣、管路系統(tǒng)以及其它輔機(jī)系統(tǒng)在相應(yīng)復(fù)雜載荷和約束條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動、疲勞計算;
葉片鳥撞、包容性、抗異物損傷等高度非線性結(jié)構(gòu)動力計算;
……
與計算流體力學(xué)分析相關(guān)的典型問題有
單/多級風(fēng)扇、單/多級壓氣機(jī)、單/多級渦輪、進(jìn)氣道、噴管等零部件氣動計算;
燃油噴射和霧化、燃燒室/加力燃燒室燃燒分析;
渦輪盤、渦輪葉片、燃燒室、噴管冷卻分析;
飛機(jī)/發(fā)動機(jī)匹配氣動計算,以及多相流模擬發(fā)動機(jī)地面吞水試驗;……
與計算電磁學(xué)分析相關(guān)的典型問題有
多/全電發(fā)動機(jī)耐高溫高性能磁懸浮軸承、啟動發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵零部件電磁特性計算;
電氣化傳動附件電磁特性及EMC/EMI計算;……
需要高性能計算的多物理場耦合計算問題示例
風(fēng)扇和壓氣機(jī)葉片的氣動-結(jié)構(gòu)耦合分析;
渦輪葉片、渦輪盤、燃燒室以及噴管的氣動-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析;
磁懸浮軸承、啟動發(fā)電機(jī)電磁-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析;……
3.航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)力學(xué)計算需求及ANSYS實(shí)現(xiàn)
計算結(jié)構(gòu)力學(xué)分析是航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域最重要、也是最早并且獲得了最廣泛應(yīng)用的CAE方向。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)對性能、安全性、可靠性、耐久性、適用性的要求非常高,其重點(diǎn)就是體現(xiàn)在對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動和壽命的設(shè)計要求上。計算結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的所有應(yīng)用方向在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的設(shè)計中都有很強(qiáng)的需求,本小節(jié)中我們將對這樣一些主要分析領(lǐng)域的特點(diǎn)和ANSYS解決方案予以簡要說明。
3.1結(jié)構(gòu)靜力分析
結(jié)構(gòu)靜力分析是計算結(jié)構(gòu)力學(xué)分析領(lǐng)域中的最基礎(chǔ)應(yīng)用方向,在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中,幾乎所有零部件都會涉及重要性、程度和精度要求不等的靜力計算問題,其主要目的是獲得結(jié)構(gòu)件的靜強(qiáng)度和靜剛度,并為后續(xù)的其它分析要求服務(wù)。
3.1.1.線性靜力分析
線性靜力分析通常適用于支承及傳力框架、機(jī)匣、附件設(shè)備等對保形及剛度要求較高的零部件,有時也用于對葉片、輪盤等重要構(gòu)建的前期分析。比如,在發(fā)動機(jī)總體結(jié)構(gòu)中,支承剛度往往是影響整機(jī)振動的關(guān)鍵因素,必須對支承剛度進(jìn)行分析。發(fā)動機(jī)常用的彈性支承元件包括彈性環(huán)、鼠籠和拉桿等。通過有限元靜態(tài)分析,求得在一定載荷作用下結(jié)構(gòu)的變形,進(jìn)一步得到結(jié)構(gòu)的剛度。
對于CAE程序而言,線性靜力分析在技術(shù)層面上早已不是難題,可能存在的問題通常僅限于對大型問題的方便建模以及有效求解(例如,復(fù)雜葉片結(jié)構(gòu)的全自動六面體協(xié)調(diào)單元網(wǎng)格劃分、發(fā)動機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度和模態(tài)分析等)。在對大型問題的方便建模方面,ANSYS提供諸多全球獨(dú)一無二的領(lǐng)先技術(shù)來完美解決,比如AWE環(huán)境下與CAD的雙向參數(shù)傳遞技術(shù)、復(fù)雜裝配體自動識別技術(shù)、AI*Environment的基于拓?fù)溆成涞木W(wǎng)格雕塑技術(shù)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)全自動六面體網(wǎng)格劃分(ANSYS高級網(wǎng)格模塊),等等;在求解方面,ANSYS也提供一系列獨(dú)具特色的高效求解器,比如擁有眾多專利技術(shù)的迭代求解器(JCG、ICCG、PCG等),以及大量的網(wǎng)絡(luò)分布式并行求解器(DDS、DPCG、DJCG等)。
3.1.2.彈塑性/蠕變等材料非線性靜力分析
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)CAE分析中非常普遍地會遇到以彈塑性/蠕變?yōu)榇淼牟牧戏蔷€性問題。從理論上說,任何結(jié)構(gòu)分析都應(yīng)該是非線性的,線性分析只是對其在低強(qiáng)度、小變形狀態(tài)下的假設(shè)而已。發(fā)動機(jī)中的高速旋轉(zhuǎn)部件,如葉片、盤、鼓(以彈塑性分析為主),以及高溫部件,如渦輪、燃燒室、噴管等(以蠕變以及彈塑性與蠕變組合作用分析為主)均存在不可忽視的材料非線性行為,在準(zhǔn)確的強(qiáng)度/壽命校核中必然要考慮到各種復(fù)雜的材料非線性因素。
材料非線性是一種非常復(fù)雜的物理現(xiàn)象,在工程設(shè)計和分析中,要獲得滿意的仿真結(jié)果,必須很好地理解和準(zhǔn)確地描述材料行為特性,但要做到這一點(diǎn)是比較困難的,Lemaitre和Chaboche曾經(jīng)用如下很形象的例子描述了材料特性的復(fù)雜性:
“在室溫下的一塊鋼材,可以認(rèn)為是:
常規(guī)結(jié)構(gòu)分析中的線彈性材料;
振動阻尼問題中的粘彈性材料;
在非常大的載荷作用下,是理想塑性材料;
要精確計算永久變形時,它是具有硬化特性的彈塑性材料;
對于應(yīng)力松弛問題,又有彈性粘塑性特性;
當(dāng)計算成型極限時,它是延展性破壞;
當(dāng)計算壽命極限時,它是疲勞破壞;……”
因此,在什么情況下用什么材料模型,與分析者所關(guān)心的現(xiàn)象相關(guān)。ANSYS通用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析所提供的非線性材料本構(gòu)非常復(fù)雜和寬泛,計有:20種率無關(guān)彈塑性模型,125種組合蠕變模型,7種粘塑性模型,以及粘彈性、混凝土、D-P、墊片、鑄鐵、形狀記憶合金等等,可最大限度地滿足航空發(fā)動機(jī)分析中的需求。同時,ANSYS的材料模型具有很多獨(dú)特特性,比如:
多線性隨動硬化模型允許直接輸入實(shí)驗數(shù)據(jù);
Chachoche模型可與數(shù)個非線性隨動硬化模型組合以模擬材料的復(fù)雜循環(huán)特性(如棘齒效應(yīng)、循環(huán)穩(wěn)定、循環(huán)硬化和軟化等);
Hill屈服準(zhǔn)則及其與各種強(qiáng)化模式的組合可模擬各種各向異性材料的非線性特性(如定向結(jié)晶和單晶渦輪葉片、復(fù)合材料風(fēng)扇葉片和機(jī)匣等);
ANSYS提供線性和非線性回歸算法,用戶可直接輸入材料的試驗數(shù)據(jù)即可獲得其材料參數(shù)值,該功能適用于所有超彈模型、粘彈模型和蠕變模型。
在最常用的彈塑性材料方面,ANSYS所提供的豐富模型可以綜合考慮單調(diào)硬化、包辛格效應(yīng)、循環(huán)硬化或軟化、棘齒效應(yīng)以及記憶效應(yīng)(形狀記憶合金)等等,已經(jīng)是非常的完善了,除此之外,ANSYS還提供了諸多在航空發(fā)動機(jī)設(shè)計中會遇到的較特殊的非線性材料模型,包括:
鑄鐵
鑄鐵由于其石墨顆粒的作用使其呈現(xiàn)與其它金屬材料顯著不同的塑性特性:在拉和壓兩個方向上有不同的屈服強(qiáng)度、塑性流動特性和硬化特性;
粘彈性
ANSYS中的粘彈性模型是Maxwell模型的通用積分形式,其松弛函數(shù)由Prony級數(shù)表示。該模型功能全面,Maxwell、Kevin和標(biāo)準(zhǔn)線性實(shí)體都是其特殊形式,全面支持亞粘彈性和大應(yīng)變超粘彈性。大應(yīng)變超粘彈性基于Simo建議的列式,粘彈性行為的定義分為超彈性和松弛兩個部分,所有的ANSYS超彈性材料模型都可采用粘彈性選項(PRONY)。
粘塑性和蠕變
ANSYS程序提供幾個選項用于模擬材料的率相關(guān)行為,包括蠕變,蠕變選項又含一系列適用于常規(guī)蠕變分析的蠕變法則。率相關(guān)選項是一種“過應(yīng)力”模式,主要用于沖擊載荷問題。程序還提供Anand模型,它最初是用于模擬高溫金屬的成型過程,如輥壓、深拉等,該模型采用一個被稱為“變形阻力”的內(nèi)部變量來考慮對材料非彈性流動的各向同性阻力作用,因而也能模擬材料的硬化和軟化行為,現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于其它領(lǐng)域,比如分析電子封裝的焊接連接等。
超彈性
超彈性材料的應(yīng)用十分廣泛,比如用于密封的橡膠環(huán)等。橡膠等超彈性材料的非線性是很嚴(yán)重的,體現(xiàn)在:
非常大的應(yīng)變水平(可達(dá)百分之幾百!);
材料的應(yīng)力和應(yīng)變呈高度非線性關(guān)系;
材料近似或完全不可壓;
有很強(qiáng)的溫度相關(guān)性;
通常并不單獨(dú)存在,而是與金屬等其它顯著不一樣的材料之間有很大的相互作用。
ANSYS超彈性材料模型有很多種類,用戶可根據(jù)實(shí)際材料的實(shí)驗特性等來選擇合適的模型。對于超彈應(yīng)用而言,ANSYS程序本身從求解器、單元技術(shù)以及解算策略等方面都進(jìn)行了完善的設(shè)計,具有很好的效率和效果。
墊片材料
墊片通常在裝配零件之間起密封作用,是由諸如鐵、銅、橡膠、復(fù)合材料等多種材料做成的一個很薄的構(gòu)件。墊片的主要變形通常限制在其法線方向上,其膜(平面內(nèi))和橫向剪切等方向?qū)偠鹊呢暙I(xiàn)非常小,可以忽略不計。墊片材料通常都是受壓,具有很強(qiáng)的非線性特性,當(dāng)壓力撤消時,其卸載行為非常復(fù)雜。
ANSYS墊片材料允許以表格的形式直接輸入試驗測量的加載過程和多個卸載過程的“壓力-閉合量(墊片上下表面之間的相對位移)”曲線數(shù)據(jù),如果無卸載數(shù)據(jù),則材料的卸載曲線與加載曲線一致。對于復(fù)雜的墊片連接分析,ANSYS還提供了很多高級選項,比如:允許有初始間隙、拉伸應(yīng)力限值、穩(wěn)定剛度等等。同時,ANSYS還專門開發(fā)了一系列“界面”單元來專門用于墊片分析,包括4節(jié)點(diǎn)四邊形、6節(jié)點(diǎn)四邊形、8節(jié)點(diǎn)六面體、16節(jié)點(diǎn)六面體、12節(jié)點(diǎn)棱形體等適合于各種二維和三維應(yīng)用的單元。
ANSYS的其它非線性材料種類就不在此一一介紹了,有興趣者可從相關(guān)資料中去了解。最后值得一提的是,ANSYS不但支持?jǐn)?shù)量龐大的材料本構(gòu)模型,而且提供了一個具有良好邏輯關(guān)系的樹狀菜單結(jié)構(gòu)來讓用戶很方便、很準(zhǔn)確地定義材料參數(shù)(尤其是一些復(fù)雜的組合材料本構(gòu))。這些材料本構(gòu)的特性參數(shù)都可以是與溫度相關(guān),直接在軟件界面上定義。
3.1.3.接觸/摩擦等狀態(tài)非線性靜力分析
以接觸為代表的狀態(tài)非線性分析問題在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)設(shè)計中非常普遍地存在:葉片榫頭與輪盤榫槽之間的接觸、帶冠葉片的冠間接觸、傳動齒輪之間的嚙合接觸、軸承內(nèi)的接觸、各種各樣的裝配接觸等等。
模擬兩個實(shí)體之間相互作用(通常還要考慮摩擦、熱、電或其它形式的能量交換)的能力對于一個分析軟件來說是非常關(guān)鍵的,事實(shí)上,接觸分析能力已經(jīng)成為判斷非線性分析程序優(yōu)劣的一個最重要標(biāo)準(zhǔn)。同時,接觸分析的性能和魯棒性、接觸對的定義及其屬性管理的方便性、有效的糾錯工具等幾個方面是考察非線性軟件接觸分析能力的三個指標(biāo)。
早在ANSYS2.0版本,ANSYS即具有了接觸分析能力,數(shù)十年來一直根據(jù)高級分析的需要而不斷地采用最新的接觸算法和技術(shù),表3-3-2簡要概述了ANSYS的接觸分析特性:
ANSYS最早開發(fā)的接觸單元是Contac12和Contac52,分別用于模擬二維和三維狀態(tài)下的點(diǎn)對點(diǎn)接觸,單元的基礎(chǔ)算法是罰函數(shù)法和彈性庫侖摩擦模型,是所有單元中最簡單的。
后來開發(fā)的Contac48和Contac49是可用于通用接觸問題的點(diǎn)對面接觸單元,采用帶拉格郎日增量的罰函數(shù)法以提高兼容性,其主要特點(diǎn)有:允許大滑動、有摩擦或無摩擦、支持熱接觸等等。雖然這些單元可以模擬高度非線性接觸問題(比如金屬成型、輥壓等),但由于點(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對面接觸單元需要人為調(diào)整罰剛度,比較難以使用,而其最大的缺點(diǎn)是不能很好地與高階實(shí)體單元配合以模擬復(fù)雜曲面接觸。
事實(shí)上,在現(xiàn)在的ANSYS程序中,12/52、26、以及48/49等接觸單元的主要作用是提供與老版本的兼容性,在新版本中都推薦采用融合了最新技術(shù)和ANSYS獨(dú)特技術(shù)的新一代接觸單元,下面對這些新一代單元的主要特點(diǎn)做簡要說明。
面對面接觸
接觸分析功能在1997年的ANSYS5.4版本就開始了一個質(zhì)的飛躍,最初,一系列面對面接觸單元(169到174)提供了剛對柔面面接觸能力,雖然也是基于增廣拉格朗日罰函數(shù)法,但與以前有很大的不同。在缺省情況下,程序?qū)⒘P剛度與多種參數(shù)相關(guān)聯(lián)(包括相鄰單元的尺度、附著實(shí)體的材料特性等),無需用戶提供罰剛度的絕對值,但可通過一個無量綱縮放系數(shù)來修正缺省值,這對于以彎曲變形為主的接觸分析是相當(dāng)必要的。目前的算法已改進(jìn)為可根據(jù)其附著實(shí)體單元的應(yīng)力來自動修正接觸單元罰剛度。
169-174接觸單元的計算結(jié)果具有很好的可視性和可用性,其輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)是基于應(yīng)力的形式而非力的形式。即使針對大型問題,這些接觸單元的數(shù)值算法也非常有效,無需使用諸如自適應(yīng)下降等試探性的手段即可很好地收斂。
171-174接觸單元在ANSYS5.5版本就擴(kuò)展為支持柔對柔面面接觸的通用接觸單元,這些單元采用的獨(dú)特的基于高斯點(diǎn)的接觸算法具有非常強(qiáng)的優(yōu)勢:可完美地與諸如20節(jié)點(diǎn)六面體單元、10節(jié)點(diǎn)四面體單元、8節(jié)點(diǎn)面單元等高階單元結(jié)合使用,這是其它接觸算法無法做到的,這也是為什么很多有限元分析程序在作接觸分析時都要求用戶最好采用低階單元,而這在模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)時要想有效地獲得高精度是非常困難的。當(dāng)然,ANSYS的這些單元類型也提供基于節(jié)點(diǎn)的接觸算法作為補(bǔ)充,以用于一些特殊情況。
采用高階接觸單元的優(yōu)勢是:高階單元以二次函數(shù)的方式模擬曲面,而低階單元只能以一個個小平面來近似模擬曲面。這一點(diǎn)在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)設(shè)計分析中是非常重要的:由于對計算精度的高要求,尤其是針對葉片、輪盤等部件,通常必須采用高階單元進(jìn)行強(qiáng)度分析,ANSYS唯一提供了支持這種高階單元接觸的精確算法。
基于高斯點(diǎn)的接觸算法避免了“銳角相交時接觸方向的不明確性”,這樣,目標(biāo)表面可以采用較粗的網(wǎng)格劃分。同時,這種算法也避免了節(jié)點(diǎn)接觸算法中通常會遇到的“滑過邊界”問題。ANSYS的這些接觸單元還提供大量的、在某些情況下非常有用的特殊接觸分析能力,包括單邊和單面接觸、綁定接觸、無分離接觸、粗糙滑動接觸等。同時,ANSYS的接觸分析功能還擴(kuò)展到模擬殼體與殼體、殼體與實(shí)體等的固連裝配,即多點(diǎn)約束(MPC)。
ANSYS程序采用一個功能非常強(qiáng)大的“接觸管理器”定義、修改、管理、以及后處理觀察復(fù)雜構(gòu)件間的復(fù)雜接觸關(guān)系,其“接觸向?qū)А惫δ軒椭脩艨焖俚囟x各接觸面及其特性參數(shù),并有很多實(shí)用工具實(shí)現(xiàn)諸如觀察初始接觸狀態(tài)、接觸方向、以及根據(jù)需要修改接觸特性(比如反轉(zhuǎn)接觸法向等)。同樣,ANSYS后處理程序中也提供了很多手段來更好地觀察和理解接觸分析的結(jié)果。
技術(shù)的發(fā)展是無止境的,最新版本的ANSYS在新一代ANSYSWorkBenchEnvironment(AWE)的環(huán)境下,實(shí)現(xiàn)了自動接觸定義功能。對于象發(fā)動機(jī)整體分析這樣的由數(shù)百個零部件構(gòu)成的復(fù)雜裝配體,如果用手工的方式來一一定義接觸,將是一項非常煩瑣的工作,而在ANSYS中,所有的事情都由程序自動完成了。
對于耦合場分析而言,這些接觸單元所具有分析功能是前所未有的:可以模擬電-磁-熱-結(jié)構(gòu)耦合接觸問題(如點(diǎn)焊過程的模擬)、熱接觸的熱傳導(dǎo)系數(shù)可以是接觸壓力或溫度的函數(shù)、可以定義接觸面閉合時的熱傳導(dǎo)特性和接觸面分開時的熱對流和輻射特性、可以進(jìn)行摩擦生熱分析以及控制摩擦生熱量在摩擦體之間的分配、與CFD功能配合模擬裝配縫隙在流體壓力作用下的漲開和流體泄漏……
拉格朗日乘子法
接觸分析是一個很寬泛的概念,目前還沒有哪一種算法能有效地涵蓋所有的應(yīng)用需求。前面提到的增廣拉格朗日法雖然適用性很強(qiáng),且能解決大量的復(fù)雜接觸問題,但該算法會產(chǎn)生一定量的“接觸穿透”(接觸穿透通常都是一個非常小的數(shù)值,可忽略不計,算法本身也提供很多選項來改善該數(shù)值)。對于需要獲得完美接觸相容性的問題(即要求穿透量為零),最新版本的ANSYS新一代接觸單元提供純拉格朗日乘子法以增強(qiáng)對穿透量的約束(該算法完全避免輸入罰剛度),且避免了常規(guī)拉格朗日乘子法的一些諸如收斂困難、求解量增加等缺點(diǎn)。這一點(diǎn)在航空發(fā)動機(jī)設(shè)計分析中也是非常重要的,其高精度計算要求需要獲得完美的接觸相容性,以此才能準(zhǔn)確地判斷諸多的接觸破壞問題,比如榫頭接觸面的應(yīng)力剝落現(xiàn)象等。
3.1.4.大變形幾何非線性靜力分析
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的葉片變形量直接關(guān)系到間隙設(shè)計的好壞,所以必須對葉片的變形進(jìn)行分析,尤其是風(fēng)扇葉片?，F(xiàn)代大功率渦扇發(fā)動機(jī)由于氣動性能的要求常常設(shè)計成大展弦比或掠型,葉片在離心力和氣動載荷下,其變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過線性小變形有限元分析的適用范圍,必須進(jìn)行非線性的大變形分析。
大變形分析其實(shí)僅是幾何非線性的一種,ANSYS支持所有的幾何非線性分析,除了大變形以外,大轉(zhuǎn)動、大位移、大應(yīng)變、應(yīng)力強(qiáng)化、旋轉(zhuǎn)軟化、壓力載荷強(qiáng)化等所有的幾何非線性問題在ANSYS中均有專門手段予以完善解決。這些幾何非線性類型在發(fā)動機(jī)設(shè)計中都是非常有用的,比如,旋轉(zhuǎn)軟化這種在其它分析程序中難以見到的分析功能非常適合于葉片動力設(shè)計分析,它完整地考慮了動剛度的對葉片動態(tài)特性的影響,類似的還有應(yīng)力強(qiáng)化等,后續(xù)我們還會詳細(xì)介紹它。
3.2.結(jié)構(gòu)動力分析
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的復(fù)雜機(jī)構(gòu),對動力學(xué)的分析需求歷來是重中之重。而其中葉片振動分析、轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析等又是最重點(diǎn)關(guān)注的問題。對于葉片振動來說,據(jù)統(tǒng)計資料說明,葉片的損壞事故(裂紋、斷裂等)絕大部分是由于振動引起的;通過試驗也證明,如果葉片振動幅度降低10%,其壽命將增加10倍!由此可見振動分析、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計以降低振動的重要性。葉片的振動通常有四種類型:氣流尾跡引起的強(qiáng)迫振動、顫振、旋轉(zhuǎn)失速、以及隨機(jī)振動,其中前兩種振動的危害性最大。
對于實(shí)際葉片,重要的是自振頻率、振型和振動應(yīng)力三個因素。葉片的自振頻率范圍很廣,從數(shù)十赫茲(如風(fēng)扇葉片)到數(shù)萬赫茲,但其中以低頻振動最為危險。一般情況下,頻率越高,振幅就越小,危險性也就越小。在葉片振動分析中,重點(diǎn)是進(jìn)行準(zhǔn)確的模態(tài)分析,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行諧響應(yīng)分析、隨機(jī)振動分析、顫振分析等,以全面而準(zhǔn)確地了解葉片的振動特性(如振動應(yīng)力等)。下面就對這些分析內(nèi)容作簡要描述。
3.2.1.模態(tài)分析
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中的模態(tài)分析通常有這樣一些類型:葉片在靜止和旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的固有模態(tài)計算、葉片/輪盤組合體在靜止和旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力條件下的循環(huán)對稱模態(tài)計算、整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在靜止和旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的固有模態(tài)計算、整個發(fā)動機(jī)系統(tǒng)在靜止和旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下的固有模態(tài)計算、等等。模態(tài)分析是其它幾乎所有動力分析類型的基礎(chǔ),其分析精度直接關(guān)系到各種后續(xù)動力分析的效果好壞,因此,需要特別高的技術(shù)要求,主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
要能考慮預(yù)應(yīng)力影響(應(yīng)力強(qiáng)化):在旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下,葉片振動模態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)有本質(zhì)差別,頻率和振型都會發(fā)生變化,通常同一階次模態(tài)的頻率都會有較大幅度的提高。ANSYS通過兩步走的方式可直接考慮預(yù)應(yīng)力影響,即先做一個在轉(zhuǎn)速和氣動力作用下的靜力分析,然后再在模態(tài)分析中打開預(yù)應(yīng)力開關(guān)即可;
要能考慮旋轉(zhuǎn)軟化的影響(動剛度):對于象風(fēng)扇這樣的大展弦比葉片,大變形引起的動剛度會使葉片變得更“柔軟”,降低其模態(tài)特征頻率。ANSYS模態(tài)分析中的“SpinSoft”選項正是用來考慮此項影響的;
要能考慮各種阻尼的影響(復(fù)模態(tài)):任何真實(shí)結(jié)構(gòu)在動力狀態(tài)下都會受到阻尼的影響,其特征值體現(xiàn)為復(fù)數(shù)形式(虛部為特征頻率,實(shí)部表征其穩(wěn)定性(振幅的指數(shù)增加或降低))。ANSYS在模態(tài)分析中可以考慮多種阻尼:α阻尼(總體質(zhì)量陣乘子)、β阻尼(總體剛度陣乘子)、材料相關(guān)阻尼、單元阻尼等等,在后續(xù)的響應(yīng)分析中,還可以考慮頻率相關(guān)阻尼(恒定阻尼比、模態(tài)阻尼比)、頻率無關(guān)阻尼等等,以完整地記及各種阻尼對結(jié)構(gòu)動力特性及響應(yīng)的影響。值得指出的是,在航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子動力分析中,油模(薄層液體)阻尼對動力特性的影響非常顯著,ANSYS提供了專門的手段來自動計算此阻尼并用于隨后的動力分析中。我們在下面的“轉(zhuǎn)子動力學(xué)計算”一小節(jié)中會詳細(xì)談到此點(diǎn);
要能方便地進(jìn)行循環(huán)對稱模態(tài)分析:葉片/輪盤結(jié)構(gòu)是典型的循環(huán)對稱結(jié)構(gòu),利用其循環(huán)對稱性進(jìn)行模態(tài)分析能極大地提高解算效率。ANSYS提供了極其完善的循環(huán)對稱模態(tài)分析功能(除此之外,還能進(jìn)行循環(huán)對稱靜力分析和屈曲分析),包括專門的分網(wǎng)工具、定義命令和菜單等,在常規(guī)靜態(tài)/預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析流程的基礎(chǔ)上僅增加3個命令即可完成循環(huán)對稱靜態(tài)/預(yù)應(yīng)力循環(huán)對稱模態(tài)分析。同時,ANSYS很多獨(dú)特特點(diǎn)使循環(huán)對稱模態(tài)分析更具實(shí)用性,比如,它可以不要求扇區(qū)上下截面的網(wǎng)格完全匹配(這在很多情況下是難以做到的);
要具有模態(tài)綜合分析能力:對于象轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以及整機(jī)系統(tǒng)這樣的系統(tǒng)級模態(tài)分析,如果沒有模態(tài)綜合分析能力,在設(shè)計上哪怕僅僅只對某個部件做一定的修改,也需要整個系統(tǒng)重新進(jìn)行模態(tài)計算。ANSYS的模態(tài)綜合分析(CMS)能力可以高效地解決這個問題:各零部件獨(dú)立進(jìn)行模態(tài)分析,通過CMS形成整體模態(tài),單一部件的修改僅需重新計算該部件的模態(tài)并重新綜合即可。
綜上所述,ANSYS為航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)的各種零部件模態(tài)分析提供了非常完善的手段,可綜合考慮各種影響模態(tài)分析的因素,為準(zhǔn)確地進(jìn)行其它動力響應(yīng)分析提供了可靠的保障。
3.2.2.諧響應(yīng)分析
諧響應(yīng)分析用以確定結(jié)構(gòu)在呈正弦變化的周期性激勵作用下的動力響應(yīng)(變形、應(yīng)力等),也就是通常所說的共振響應(yīng)分析。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中諸多的零部件的振動強(qiáng)度分析都需要使用該分析功能,比如:葉片在周期性尾流作用下的響應(yīng)計算、旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下的氣流激振、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)計算、支承系統(tǒng)及整機(jī)系統(tǒng)諧響應(yīng)計算,等等。
ANSYS諧響應(yīng)分析提供了一套完整的技術(shù)體系滿足航空發(fā)動機(jī)各種諧響應(yīng)分析的需求:
豐富的算法:ANSYS諧響應(yīng)分析提供全方法、模態(tài)疊加法、凝聚法三種計算模式;
能考慮各種阻尼影響:三種計算模式均可考慮各種阻尼效應(yīng);
能考慮預(yù)應(yīng)力影響:三種計算計算模式均可考慮預(yù)應(yīng)力影響,這對轉(zhuǎn)動部件非常重要。
3.2.3.響應(yīng)譜和隨機(jī)振動分析
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)在飛行過程中會受到諸多復(fù)雜載荷的作用,比如飛機(jī)傳給發(fā)動機(jī)的復(fù)雜載荷譜、由于葉片對氣流的干擾和氣流振蕩燃燒等因素引起的噪聲激勵等,這些激勵載荷的頻率非常寬廣,激勵載荷并沒有一個明確的載荷-時間歷程,或載荷-時間歷程由于太復(fù)雜而無法一一計算,這就需要用到譜分析技術(shù)。譜分析的實(shí)質(zhì)就是將一個由復(fù)雜“載荷-時間歷程”所需的規(guī)模龐大的時域瞬態(tài)計算問題轉(zhuǎn)化為一個相對簡單的頻域“響應(yīng)譜”分析問題,響應(yīng)譜分析所獲得的是結(jié)構(gòu)在載荷作用下動力響應(yīng)的最大值或響應(yīng)的概率值(隨機(jī)振動分析)。
ANSYS響應(yīng)譜分析功能同樣提供了一套完整的計算技術(shù),分析方法包括單點(diǎn)響應(yīng)譜、多點(diǎn)響應(yīng)譜、PSD(功率譜密度)隨機(jī)振動計算等。譜的類型可以是力、位移、速度、加速度等,且在分析中可以考慮包括材料阻尼、恒定阻尼比、模態(tài)阻尼等多種阻尼因素的影響。
3.2.4.氣彈顫振分析
氣彈顫振屬于“自激振動”,由氣動力、結(jié)構(gòu)(彈性)力、以及慣性力三者相互作用而引起。顫振時,葉片的振型及頻率都大致與自由振動的情況相同(包括彎曲及扭轉(zhuǎn)振動)。它與前述諧響應(yīng)、響應(yīng)譜等強(qiáng)迫振動分析的不同之處在于它不伴有任何帶頻率(擾頻)的激振力,顫振的頻率基本由葉片自身的幾何尺寸及材料性質(zhì)所決定。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)葉片的顫振通常有這樣五類:亞音速失速顫振、亞音速非失速顫振、超音速失速顫振、超音速非失速顫振、堵塞顫振等,其中最重要的是亞音速失速顫振。這些顫振形式的共同特點(diǎn)都是在來流達(dá)到某個特定速度(顫振速度)時,流體對葉片的振動不再是起阻尼作用而是提供維持或增強(qiáng)葉片振動的激勵力。
顫振的發(fā)生是非常危險的,ANSYS提供了一套完整的預(yù)測葉片顫振速度(顫振裕度)的技術(shù),它用Structural結(jié)構(gòu)分析模塊計算葉片結(jié)構(gòu)的自振特性,用LinFlow邊界元法流體分析模塊計算流體激振力,并用該模塊提供的兩種氣彈顫振計算方法計算顫振速度:V-g法(也叫K方法或美國方法)和P-k法(也叫英國方法),這兩種方法都是類似的,通過迭代方法求解臨界顫振速度。
3.2.5.轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析
高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的振動形態(tài)是一種復(fù)合的運(yùn)動狀態(tài):轉(zhuǎn)子既要繞轉(zhuǎn)軸本身的軸線旋轉(zhuǎn),同時又要繞兩軸承中心的連線旋轉(zhuǎn),前者稱為自轉(zhuǎn),后者稱為公轉(zhuǎn)或進(jìn)動,這種復(fù)合運(yùn)動的總稱為渦動。在轉(zhuǎn)子不平衡力驅(qū)動下,轉(zhuǎn)子一般作同步正進(jìn)動,當(dāng)轉(zhuǎn)子進(jìn)動轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)子固有頻率時,轉(zhuǎn)子出現(xiàn)共振,相應(yīng)轉(zhuǎn)速就稱為該轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。
雖然轉(zhuǎn)子動力學(xué)計算與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)預(yù)應(yīng)力條件下的模態(tài)固有頻率計算有相似之處,但計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速必須要考慮旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)渦動時產(chǎn)生的陀螺效應(yīng)(哥氏慣性力矩與離心慣性力矩)對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響(其影響程度也隨轉(zhuǎn)子的具體結(jié)構(gòu)而異),這是轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算同其他非旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)固有頻率計算的差異所在。
一般有限元程序均不具備計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的功能,但ANSYSStructural通用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模塊則提供了兩種臨界轉(zhuǎn)速計算方法供用戶選擇:
第一種方法是將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡化為梁結(jié)構(gòu),用BEAM4或PIPE16單元建模,這兩種單元都可輸入其自轉(zhuǎn)角速度并提供陀螺阻尼矩陣計算選項,直接考慮陀螺效應(yīng);
第二種方法不用任何的簡化,直接以三維實(shí)體的方式計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速。這主要得益于ANSYS的兩項獨(dú)特功能:基于部件的旋轉(zhuǎn)速度施加(針對多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速計算)和旋轉(zhuǎn)軟化(SpinSoft)計算選項。旋轉(zhuǎn)軟化實(shí)際上就是“動剛度法臨界轉(zhuǎn)速計算”,直接考慮了陀螺效應(yīng)對轉(zhuǎn)子剛度的影響。
對于支承剛度和阻尼,這兩種方法都可用ANSYSCombin14彈簧阻尼單元來建模,直接輸入剛度和阻尼即可。在支承剛度和阻尼未知的情況下,也可直接在ANSYS中予以解算:前者對支承結(jié)構(gòu)(包括軸承)進(jìn)行靜強(qiáng)度(剛度)計算即可完成,對于后者,由于通常都是軸承的油膜阻尼,ANSYS專門提供了獨(dú)具特色的油膜單元FLUID136、FLUID138和FLUID139,分別用于計算油模的擠壓、粘性和滑動阻尼。
3.3.高度非線性沖擊動力分析
航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)在高度非線性沖擊結(jié)構(gòu)動力學(xué)方面的分析需求主要有三個方面:發(fā)動機(jī)鳥撞過程模擬、機(jī)匣的葉片包容性分析、以及發(fā)動機(jī)抗異物損傷能力計算。
3.3.1.航空發(fā)動機(jī)鳥撞過程仿真
據(jù)概略統(tǒng)計,全球每年大約發(fā)生1萬次鳥撞飛機(jī)事件,國際航空聯(lián)合會已把鳥害升級為“A”類航空災(zāi)難。鳥撞對航空器尤其是發(fā)動機(jī)的破壞是災(zāi)難性的:一只0.45千克重的飛鳥與時速500公里的飛機(jī)相撞時,沖擊力為8000多公斤,足以使發(fā)動機(jī)葉片或外罩等嚴(yán)重變形或斷裂,造成災(zāi)難性后果。因此,航空發(fā)動機(jī)的抗鳥撞性能一直是設(shè)計者追求的目標(biāo),現(xiàn)代發(fā)動機(jī)研制時都要進(jìn)行鳥撞物理試驗,從最初的每只0.8公斤的單鳥撞擊到現(xiàn)在的每只3.6公斤的多鳥撞擊試驗,通常要求發(fā)動機(jī)在鳥撞后仍保持足夠的推力和能夠繼續(xù)飛行約20分鐘。對于現(xiàn)代設(shè)計來說,由于鳥撞物理試驗費(fèi)用昂貴、周期長、難以提供足夠的信息,因而通常都只是驗證性的試驗,在研究過程中,利用計算機(jī)進(jìn)行有限元仿真模擬的技術(shù)得到廣泛的采用,并成為主要的研究手段。
由于極高的撞擊速度,飛鳥撞擊發(fā)動機(jī)的過程發(fā)生在很短時間內(nèi),一般為50毫秒左右,此過程中飛鳥肌體將發(fā)生流動變形和解體而四處拋灑,發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)亦將產(chǎn)生大變形,甚至發(fā)生破壞,例如發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片斷裂等。同時,結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)將在較長時間內(nèi)持續(xù)發(fā)生,但令人感興趣的時間段一般不超過100毫秒。利用計算機(jī)模擬鳥撞時,分析程序必須具備的功能是:
飛鳥物理材料的描述;
飛鳥流動變形以及破碎的描述;
飛鳥與飛行器接觸的描述;
飛行器結(jié)構(gòu)大變形、侵徹和破壞過程的描述;
針對大型數(shù)值問題的求解能力。
當(dāng)前,世界范圍內(nèi)對鳥撞進(jìn)行分析仿真所廣泛采用的工具為ANSYSLS-DYNA,LS-DYNA是著名高度非線性有限元顯式求解程序,主要用于分析結(jié)構(gòu)在高速撞擊、爆炸等動載荷下的動態(tài)響應(yīng),同時具有強(qiáng)大的流體功能,可進(jìn)行流體/固體耦合分析。包括Boeing、GEAircraftEngines、Pratt&Whitney、Rolls-Royce、LockheedMartin、LoralVoughtSystems等在內(nèi)的著名航空航天器及動力設(shè)備廠商,以及包括JetPropulsionLab、NASAGlennResearch、MIT、Oxford等在在內(nèi)的高級研究機(jī)構(gòu),都在采用LS-DYNA進(jìn)行包括鳥撞在內(nèi)的發(fā)動機(jī)/飛行器結(jié)構(gòu)動力及安全性分析。
飛鳥在高速撞擊時將產(chǎn)生強(qiáng)大壓力,足以使金屬材料發(fā)生變形和破壞。在這樣的變形條件下,飛鳥的材料呈流體。LS-DYNA中的飛鳥材料采用流體動力材料,此種材料除定義一般材料性質(zhì),如密度、粘度外,附加的狀態(tài)方程用于定義其流體屬性,如可壓縮性,飛鳥破碎的參數(shù)等。
以前,人們在進(jìn)行鳥撞問題分析或?qū)嶒灂r主要關(guān)注結(jié)構(gòu)(飛行器)的變形和響應(yīng),對飛鳥變形過程不夠重視。導(dǎo)致這樣問題可能的原因主要包括:1.早年程序中單元的變形能力不足以模擬飛鳥的流動和破碎過程;2.從鳥撞的整個物理過程來看,飛鳥對結(jié)構(gòu)是唯一載荷,但載荷的大小不僅決定于飛鳥的動能,還與其流動過程以及破碎的時間密切相關(guān)。即正確描述飛鳥的流動和破碎過程對整個分析至關(guān)重要。以前的研究對此認(rèn)識有欠缺。LS-DYNA提供三種方式:
采用LAGRANGE或ALE(任意歐拉-拉格朗日);
采用EULER兩種類型單元描述飛鳥的流動和破碎;
采用SPH光順質(zhì)點(diǎn)描述飛鳥的流動變形和破碎。
LAGRANGE或ALE的變形能力很大,足以描述與結(jié)構(gòu)分離前的變形;EULER單元可正確描述任意程度的變形;SPH算法可準(zhǔn)確描述飛鳥的解體和碎裂。
LS-DYNA在處理飛鳥與飛行器的接觸過程中亦提供三種方式:
當(dāng)采用LAGRANGE(或ALE)描述時,使用結(jié)構(gòu)/結(jié)構(gòu)接觸算法;
當(dāng)采用EULER描述時,使用流體/結(jié)構(gòu)耦合算法;
當(dāng)采用SPH描述時,使用SPH通用接觸算法。
對于結(jié)構(gòu)(主要是發(fā)動機(jī)葉片),可使用LS-DYNA附加破壞算法的結(jié)構(gòu)材料,例如彈塑性破壞材料(金屬葉片、金屬外罩)或可考慮失效的疊層復(fù)合材料(如復(fù)合材料風(fēng)扇葉片、復(fù)合材料外罩)等。
3.3.2.航空發(fā)動機(jī)葉片包容性分析
為了提高推進(jìn)效率,現(xiàn)代大型航空發(fā)動機(jī)通常都由核心機(jī)和風(fēng)扇系統(tǒng)構(gòu)成,由于涵道比不斷提高,風(fēng)扇葉片也越來越大,通常每個風(fēng)扇葉片重達(dá)20~25公斤,風(fēng)扇葉尖速度可達(dá)300~600米/秒。同時,由于風(fēng)扇葉片最容易受到鳥撞和異物沖擊,嚴(yán)重時葉片發(fā)生斷裂,釋放出極大的動能。按照適航性要求,斷裂的風(fēng)扇葉片必須要包容在風(fēng)扇機(jī)匣內(nèi),否則,葉片穿透機(jī)匣后一旦擊中飛機(jī)油路系統(tǒng)或機(jī)艙,災(zāi)難性事故就難以避免。
發(fā)動機(jī)風(fēng)扇葉片和風(fēng)扇機(jī)匣通常由特種復(fù)合材料或鈦合金等構(gòu)成,要模擬這種高速沖擊和侵蝕過程,要求軟件必須能:
具有帶失效的、能描述復(fù)合材料在高速狀態(tài)下的特性的材料模式;
具有良好的變形體接觸和侵蝕接觸算法。
LS-DYNA具有7種帶失效的復(fù)合材料模式和10種帶失效的金屬材料模式;53種變形體接觸和3種侵蝕接觸算法,綜合運(yùn)用這些功能,可以良好地模擬葉片與機(jī)匣的高速碰撞和破壞過程。
另外,為了增強(qiáng)風(fēng)扇機(jī)匣的包容效果,通常會在機(jī)匣上纏繞高強(qiáng)度纖維織物(如凱芙拉碳纖維等),這些質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、韌性好的纖維材料能有效地包容穿透了金屬機(jī)匣的葉片和機(jī)匣碎片。這些纖維織物在LS-DYNA里也可進(jìn)行有效的模擬,前一頁右下圖即為ARA公司用LS-DYNA分析的一種用于發(fā)動機(jī)包容的纖維織物結(jié)構(gòu),該研究項目由FAA資助。
3.3.3.發(fā)動機(jī)異物損傷(FOD)
航空發(fā)動機(jī)在工作過程中,由于強(qiáng)大氣流的作用等因素,在起飛或降落過程中,往往會吸入諸如小石子、飛機(jī)輪胎碎片、螺釘螺帽等(法航協(xié)和飛機(jī)失事就是因為發(fā)動機(jī)吸入輪胎碎片造成的),高速轉(zhuǎn)動的發(fā)動機(jī)部件一旦與這些異物相撞,會發(fā)生嚴(yán)重變形甚至破壞,與葉片包容的算法類似,LS-DYNA對發(fā)動機(jī)的FOD設(shè)計也能提供很好的仿真結(jié)果,右圖即為牛津大學(xué)工程科學(xué)系用LS-DYNA分析的一個FOD問題。
3.4.疲勞壽命分析
疲勞壽命分析在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)設(shè)計分析中占有非常重要的地位,實(shí)際上,在投入使用的發(fā)動機(jī)所出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)問題中,疲勞破壞占了相當(dāng)大的一部分,發(fā)動機(jī)的葉片、輪盤、軸、傳動系統(tǒng)等幾乎所有重要構(gòu)建都存在疲勞計算的問題。發(fā)動機(jī)零部件疲勞破壞可粗略地分為兩大類:高周疲勞(應(yīng)力疲勞)和低周疲勞(應(yīng)變疲勞),前者通常發(fā)生在高振動、低應(yīng)力、低溫零件上,如壓氣機(jī)葉片、管路系統(tǒng)、軸及傳動系統(tǒng)等,而后者則主要發(fā)生在高應(yīng)力、高溫零件上,如渦輪葉片、輪盤、燃燒室等。
材料疲勞破壞的機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜,涉及固體物理、金屬學(xué)、固體力學(xué)等廣泛的學(xué)術(shù)領(lǐng)域,具有某些邊緣學(xué)科的性質(zhì)。適用的疲勞壽命預(yù)測技術(shù)主要側(cè)重于宏觀領(lǐng)域的研究,由于影響因素眾多,要想比較準(zhǔn)確地進(jìn)行壽命預(yù)測,有如下幾個方面的要求:
準(zhǔn)確的材料固有疲勞特性參數(shù)(應(yīng)力-壽命曲線、應(yīng)變-壽命曲線等)
準(zhǔn)確的零件“應(yīng)力-時間”或“應(yīng)變-時間”歷程
精確的算法(如高精度多軸算法、能考慮初始加工應(yīng)力/平均應(yīng)力/溫度效應(yīng)/表面加工狀態(tài)等各種因素對疲勞壽命的影響、方便而準(zhǔn)確的載荷譜處理能力、有效的累計損傷理論等)
在通用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析能力的支持下,ANSYS以其專用高級疲勞分析程序FeSafe為主的疲勞壽命分析能力為航空發(fā)動機(jī)各種零部件的各種方式的疲勞壽命計算提供了非常完善的工具,其主要特色包括:
超過200種材料的疲勞特性數(shù)據(jù)庫以及Seeger算法近似計算材料疲勞特性參數(shù);
豐富的單軸和多軸疲勞算法,尤其是基于準(zhǔn)確的局部應(yīng)力-應(yīng)變計算、臨界平面計算等獨(dú)特技術(shù)的多軸疲勞分析提供了當(dāng)今最高的疲勞壽命計算精度,它可分別考慮最大剪應(yīng)變(適用于延展性好的材料)、最大正應(yīng)變(適用于脆性材料)、Brown-Miller組合剪應(yīng)變及法向應(yīng)變(適用于絕大多數(shù)金屬材料)等的多種方式;
提供了獨(dú)一無二的疲勞功能:高溫疲勞、蠕變疲勞、焊接疲勞、隨機(jī)振動疲勞、微振磨損疲勞、鑄鐵疲勞、疲勞概率分析與評估、旋轉(zhuǎn)對稱疲勞模型等;
可考慮各種影響疲勞壽命的因素:殘余加工應(yīng)力、表面加工狀態(tài)、開口敏感性、溫度等;
可輕松地處理復(fù)雜載荷歷程,等等。
3.5.斷裂力學(xué)分析/損傷容限設(shè)計
前述疲勞壽命分析獲得的是零件疲勞裂紋萌生時的壽命,實(shí)際上,很多零件在裂紋擴(kuò)展的過程中還可以工作很長一段時間。例如,早期美國空軍曾在發(fā)動機(jī)完整性大綱中規(guī)定:渦輪盤中只要有千分之一的概率出現(xiàn)1/32英寸的裂紋,這批輪盤即全部報廢而更換為新盤。但隨后的使用說明,在盤的某些部位是允許裂紋存在的,而且擴(kuò)展到一定的長度也不至于造成災(zāi)難性事故,經(jīng)過研究,原來報廢的盤,其中90%均可重新使用。類似的事例說明:如果按照早期完整性大綱所規(guī)定的“安全壽命”設(shè)計,將會造成很大的浪費(fèi),也很不科學(xué)。因此,現(xiàn)在已經(jīng)在航空發(fā)動機(jī)設(shè)計中引入了“損傷容限”設(shè)計原則(或“破損-安全”設(shè)計原則),即結(jié)構(gòu)的某一部分已經(jīng)產(chǎn)生一定長度的裂紋,該結(jié)構(gòu)仍能在原定載荷狀態(tài)下正常工作到下一次檢修,在這一段時間內(nèi),裂紋不會擴(kuò)展到臨界尺寸。
裂紋的擴(kuò)展特性由斷裂力學(xué)計算來完成。在線彈性條件下,用裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K與材料本身臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kc、以及裂紋擴(kuò)展門檻值等之間的關(guān)系,來判斷裂紋是否擴(kuò)展以及擴(kuò)展的速度;在裂紋尖端出現(xiàn)大范圍塑性屈服的情況下,用彈塑性斷裂力學(xué)參數(shù)J積分與材料本身臨界J積分?jǐn)?shù)據(jù)等之間的關(guān)系來判斷裂紋擴(kuò)展特性。
ANSYS通用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模塊提供了完整的斷裂力學(xué)計算功能,可計算如下裂紋參數(shù):
裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KI(拉開)、KII(剪切)和KIII(撕裂)
J積分(表征裂紋尖端彈塑性奇異應(yīng)力和奇異應(yīng)變的強(qiáng)度)
能量釋放率(表示裂紋開、閉所需要的功)
3.6.拓?fù)?形狀優(yōu)化設(shè)計
優(yōu)化設(shè)計作為一種新的設(shè)計方法,產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代初,它是建立在近代數(shù)學(xué)規(guī)劃論和計算機(jī)程序設(shè)計的基礎(chǔ)上,能使一項設(shè)計在一定的技術(shù)和物質(zhì)條件下尋求一個技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最佳的設(shè)計方案。在近代,優(yōu)化設(shè)計愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計中,通過優(yōu)化,零部件能夠使其力學(xué)性能得到改善,并可獲得最佳的結(jié)構(gòu)尺寸。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計方法較傳統(tǒng)的設(shè)計方法一般可節(jié)省材料7~40%,因此優(yōu)化設(shè)計技術(shù)已越來越受到人們的重視。
在航空產(chǎn)品設(shè)計中,發(fā)動機(jī)的優(yōu)化設(shè)計尤為重要?，F(xiàn)代飛機(jī)尤其是軍用飛機(jī)設(shè)計都追求盡量高的推重比,而對飛機(jī)推重比影響最大的就是發(fā)動機(jī),對發(fā)動機(jī)推重比影響最大又是諸如葉片、輪盤等高速旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件,這些零部件哪怕僅僅減輕1克的重量,對整個發(fā)動機(jī)以致整個飛機(jī)都會產(chǎn)生可觀的影響。
ANSYS提供了非常完善的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計和形狀優(yōu)化設(shè)計技術(shù)來完成各種優(yōu)化設(shè)計任務(wù)。拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計主要用在產(chǎn)品概念設(shè)計階段,用以確定在給定的載荷、邊界條件、減重指標(biāo)等限制條件下獲得剛度/強(qiáng)度最佳、或指定模態(tài)頻率達(dá)到最大時的拓?fù)渫庑?以此外形為基礎(chǔ),經(jīng)過適當(dāng)?shù)臐M足工藝和設(shè)計要求的修正,即可得到真實(shí)的幾何設(shè)計。如果再進(jìn)一步,可在此幾何設(shè)計的基礎(chǔ)上通過形狀優(yōu)化來進(jìn)一步完善。ANSYS的形狀優(yōu)化設(shè)計功能提供了兩種不同的技術(shù):
一是常規(guī)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù),它通過ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言APDL建立參數(shù)化的幾何(經(jīng)典環(huán)境下),或者利用與CAD的雙向參數(shù)傳遞功能直接利用參數(shù)化的CAD模型(新一代AWE環(huán)境下),在給定的設(shè)計變量(如尺寸)、約束函數(shù)(如尺寸范圍、最大應(yīng)力等)和目標(biāo)函數(shù)(如重量)下,經(jīng)過往復(fù)迭代求解最優(yōu)化結(jié)果,每次迭代計算的設(shè)計變量集由各種優(yōu)化算法自動確定,這些優(yōu)化算法包括:零階方法(罰函數(shù)法)、一階方法(梯度法)、MonteCarlo法等等。
二是最先進(jìn)的變分優(yōu)化技術(shù)(VT技術(shù)),變分技術(shù)的基本原理是:在有限元分析矩陣(如剛度陣、質(zhì)量陣)級別上利用高階級數(shù)展開的方法建立他們與設(shè)計變量之間的關(guān)系,計算出來的結(jié)果與設(shè)計變量之間也是類似的關(guān)系。因此,可以通過一次有限元計算就可以建立設(shè)計空間的響應(yīng)面/曲線,然后查詢得到優(yōu)化設(shè)計方案。與傳統(tǒng)優(yōu)化方法需要數(shù)十上百次完整的有限元計算相比,變分技術(shù)只需一個參數(shù)化的幾何模型、只需一次網(wǎng)格劃分、只需一次有限元求解就可得到設(shè)計空間和優(yōu)化方案,可以極大地降低優(yōu)化設(shè)計的計算規(guī)模、提高優(yōu)化設(shè)計的效率,除此之外還有其它的優(yōu)勢:
設(shè)計變量的數(shù)目對計算時間的影響很輕微;
由于高階導(dǎo)數(shù)的精確計算,也由于采用網(wǎng)格隨移技術(shù)(用以計算目標(biāo)函數(shù)與尺寸設(shè)計變量之間的高階導(dǎo)數(shù))避免了網(wǎng)格重劃帶來的模型誤差,使得優(yōu)化的精度也大大提高;
導(dǎo)數(shù)計算過程本身就自動獲取了任意設(shè)計參數(shù)在其整個值域內(nèi)的對優(yōu)化目標(biāo)的靈敏度。
除了滿足常規(guī)的優(yōu)化設(shè)計要求外,ANSYS的變分技術(shù)還提供了一些非常獨(dú)特的優(yōu)化設(shè)計能力,諸如:
與CAD軟件的雙向參數(shù)傳遞功能使變分技術(shù)能與CAD軟件協(xié)同進(jìn)行設(shè)計尺寸優(yōu)化;
多目標(biāo)優(yōu)化:多個優(yōu)化目標(biāo)既可獨(dú)立存在,也可加權(quán)成一個總目標(biāo);
離散變量優(yōu)化:如加強(qiáng)筋的個數(shù)、點(diǎn)焊的個數(shù)、結(jié)構(gòu)上的孔的個數(shù)、連接彈簧的的個數(shù)等離散變量均可作為優(yōu)化變量;通過單元組的形式,還可實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化;
圖3-3-27“便覽”曲線
集合變量優(yōu)化:如型鋼是按照型號選用的,型號一確定,所有的細(xì)部尺寸完全確定;相同的實(shí)例還有材料牌號等;
同時,ANSYS變分優(yōu)化設(shè)計技術(shù)對優(yōu)化計算結(jié)果提供了豐富的交互式后處理工具,包括:
設(shè)計空間圖:設(shè)計變量與目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系,形成響應(yīng)面或設(shè)計曲線,對離散變量有特殊的顯式方式。
靈敏度:正則化的靈敏度圖表,以直方圖、餅圖、靈敏度曲線等方式直觀顯示每個設(shè)計變量在其整個變化范圍內(nèi)對設(shè)計變量的影響程度。
蛛狀圖:即時反映所有的設(shè)計變量在其當(dāng)前值的響應(yīng),可以容易地、形象地比較多個結(jié)果參數(shù)。
多目標(biāo)優(yōu)化的輸出:給出三個優(yōu)化的候選設(shè)計,“星號”的數(shù)量指示了目標(biāo)達(dá)成的程度。
“便覽”曲線(HandbookCurves):當(dāng)某一個設(shè)計變量取不同的值時,另一個設(shè)計變量在其整個變化范圍內(nèi)對設(shè)計目標(biāo)的影響,該曲線反應(yīng)設(shè)計變量之間的“相關(guān)性”。
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