基于UG的渦輪盤高效設計平臺

王振宇 周俊松

（北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京 100191）

渦輪盤是航空發動機重要部件之一，其設計繁瑣，常常在惡劣的條件下工作。傳統設計方法是先確定渦輪盤形狀，并施加完整的載荷和邊界條件后進行有限元分析，若不滿足應力/約束條件，則返回修改三維模型，若滿足就進行結構優化 。修改的對象主要是修改外形尺寸以滿足應力/約束條件，這樣使得設計周期長，效率低下。

本文利用UG二次開發完成渦輪盤自定義特征的參數化建模，快速生成渦輪盤，提高UG的設計效率。采用ANSYS的參數化設計語言APDL編寫渦輪盤二維結構的強度校核和優化模塊。以UG平臺上的渦輪盤的作為初始模型，利用VC++編寫接口函數和計算機程序，完成對ANSYS程序的自動調用，最終完成渦輪盤的結構的初始設計。本系統自動化程度高、可移植性強，設計人員可根據自身需要擴展功能，大大提高了渦輪盤的設計效率。

1 基于UG的渦輪盤模型構建

UG的建模方法很多，并且可以通過修改在建模的過程中自動生成的變量，但是該方法的缺點是操作復雜，易出錯。UG/OPEN API是UG與外部應用程序之間的接口，是UG/OPEN提供一系列函數的集合。用戶可以通過編程語言來調用這些函數和過程，幾乎可以實現UG建模過程中所有功能。

本文選取VC++2010和UG NX8.0軟件，進行UG的二次開發的程序編寫。結合UG8.0和VC++2010進行實現參數化建模UG/Open中的MenuScript專用模塊是用來定制菜單，它允許用戶使用腳本文件自定義菜單。本文自定義菜單，如圖1所示。

圖1 UG中自定義的菜單

基于特征的參數化建模的核心思想是以參數來約束特征，將產品模型分解成一個個特征，在建模過程中對特征的描述是關鍵，本文將渦輪盤的特征分為主特征和輔特征。

1.1 主特征的生成

主特征是用來構造零件的基本幾何形體的。本文研究的主特征構成渦輪盤的盤體，主要包括盤體的盤轂、盤緣、輻板部分，其設計界面如圖2所示。

設計人員可以根據實際設計任務選擇對稱和不對稱兩種結構的渦輪盤，輸入初步設計參數后點擊“確定按鈕”，就能在UG中生成渦輪盤的盤體。

圖2 渦輪盤盤體生成界面

圖3 安裝邊生成界面

1.2 輔特征的生成

圖4 校核優化流程

輔特征依附于主特征之上，對主特征功能進行細化和完善。渦輪盤結構中常見的輔特征主要包括安裝邊、封嚴篦齒和榫槽等。

本文以安裝邊為例，說明輔特征的設計過程。系統提供了安裝邊的四種拓撲結構，設計人員根據需要選擇安裝邊的拓撲結構和安裝邊的左右方位后，在安裝邊參數輸入框錄入參數，生成所需安裝邊。其設計界面如圖3所示。

2 模型的校核和優化模塊

ANSYS參數化設計編程（APDL）是一種通過參數化變量方式建立分析模型的語言，為用戶提供了自動完成有限元分析過程的功能和途徑。本章通過編寫APDL代碼，以初步設計后的參數為模塊的入口參數，完成對渦輪葉盤的校核和優化，其流程如圖4所示。

2.1 入口參數和設計準則選取

本文入口參數包括渦輪盤的材料特征和形狀特征。材料特征是材料的固有屬性，可根據不同材料建立材料屬性數據庫，本文主要對形狀特征展開研究。

本文根據渦輪盤設計流程，以渦輪盤強度的設計準則為限定條件，校核強度和優化結構。主要考慮因素包括：足夠應力儲備、防止輪盤破裂和防止有害變形。對于渦輪盤壽命的要求，利用Manson-Coffin方程將循環次數轉化為應變約束，并根據渦輪盤不同區域提出不同約束要求。

2.2 校核模塊的APDL編寫

利用APDL語言進行渦輪盤結構的參數化建模，模型參數選取上一章中UG模型的形狀參數。網格劃分選用四節點四邊形板單元PLANE42進行離散，通過控制單元行為方式的選項設置其為軸對稱單元。將渦輪盤在工作過程中承受的載荷，主要包括高速旋轉過程中質量產生離心力，葉片的等效離心力，以及渦輪盤因溫度不均勻所產生的熱應力加入APDL模塊中，并預留通用接口。

圖5 UG中有限元分析的菜單

圖6 盤體修正界面

圖7 優化前后盤體結構和等效應變對比

圖8 帶安裝邊的渦輪盤結構圖

在APDL強度校核程序中設置有一個校核數組：“*dim，check，array，5”，對每一個校核指標進行校核，如果某項校核指標符合要求，則check[x]>0，否則check[x]<0。校核完畢后將校核數組的結果反饋到VC++編寫的主程序中進行分析，作為盤體參數修正的依據。

2.3 優化模塊的APDL編寫

選取重量作為渦輪盤形狀優化的目標函數，使渦輪盤在滿足強度約束的條件下重量達到最輕。渦輪盤受到的限制因素很多，很多尺寸基本上不能改變，本文在優化中主要改變輻板的尺寸、輪緣內直徑、輪緣厚度、輪轂外直徑和厚度。

3 渦輪盤的強度校核及優化

本系統在VC平臺上對ANSYS參數化設計編程（APDL）進行封裝，將UG中渦輪盤形狀特征的初始參數導入APDL代碼中，完成對ANSYS的自動調用。UG中的操作界面如圖5所示。

3.1 渦輪盤的校核及參數修正

點擊菜單中渦輪盤強度校核，如果符合要求，則進入優化環節，否則對性能校核的結果進行分析，分析不滿足要求的原因，并修改特征參數后再次進行性能校核直到滿足要求。

以屈服強度條件為例，如果屈服強度不滿足要求，則選擇“盤體修正”，彈出界面如圖6所示。

選中輪轂寬度厚度，分別輸入“-1”和“1”，“-1”表示輪轂寬度減小1mm，“1”表示輪轂厚度增加1mm。

IF 輪轂處最大周向應力σrmax大于設計要求。

THEN 減小輪轂厚度H1（1mm）。

and增大輪轂寬度W1（1mm）。

將修改后參數再次代入校核程序中進行迭代計算，直到滿足強度要求為止。

3.2 渦輪盤的優化模塊

如果校核判定后符合要求，以渦輪盤體積（體積和質量成正比）為目標函數，以渦輪盤強度設計準則為約束條件進行優化，圖7為優化前后輪盤結構及應變對比圖。

優化后盤的重量（體積）比初始值減少了21.8%，優化效果明顯，雖然等效應變略有增加，但是在設計要求之內。整個優化過程自動完成后，模型中的渦輪盤由上述更新程序自動更新為最優方案。

4 生成渦輪盤

根據前面的設計過程，將優化后的結果重新導入UG設計界面，生成帶安裝邊渦輪盤，如圖8所示。

結語

根據渦輪盤的結構特點，通過UG的二次開發、VC++編寫算法和ANSYS的APDL命令，并集成渦輪盤的設計知識，開發了一套面向用戶渦輪盤設計系統。系統操作簡單、擴展性強，提高了渦輪盤設計人員的工作效率，縮短了渦輪盤的設計周期，具有一定的工程價值。

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