矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)有限元建模

王麗，高瀚君，王光發(fā)

(1.中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095;2.北京航空航天大學(xué)，北京100191)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在定型試驗(yàn)階段要經(jīng)過(guò)反復(fù)的臺(tái)架試驗(yàn)，在生產(chǎn)和維修過(guò)程中，也都需要通過(guò)試車臺(tái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推力是鑒定發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)，但是由于各種因素的影響，試車臺(tái)測(cè)得的發(fā)動(dòng)機(jī)推力與其真實(shí)推力有可能相差甚遠(yuǎn)。建立矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)有限元分析模型，分析各影響量的權(quán)重，對(duì)矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車和試車臺(tái)校準(zhǔn)有重要的指導(dǎo)作用。

1 矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)有限元建模

1.1 矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)強(qiáng)非線性、時(shí)變、高度復(fù)雜的多維氣動(dòng)熱力學(xué)系統(tǒng)，為了研究其工作特性和進(jìn)行有效的控制，需要建立一套推力測(cè)量裝置。典型的發(fā)動(dòng)機(jī)推力測(cè)量裝置由動(dòng)架、定架、測(cè)力傳感器、二次儀表和校準(zhǔn)裝置組成。發(fā)動(dòng)機(jī)固定在動(dòng)架上，試車時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)推力的作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)連同動(dòng)架沿軸向移動(dòng)，與定架上的推力測(cè)量傳感器相平衡，從而測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)推力。另外，在推力測(cè)量傳感器兩端都裝有撓性件，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)推力能夠全部分解在空間的三個(gè)軸向，從而測(cè)試到真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)推力。

矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)有限元建模完成后，可以得到撓性件、環(huán)境、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝、校準(zhǔn)加載位置等因素對(duì)推力測(cè)量的影響，從而對(duì)矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)推力測(cè)量和試車臺(tái)校準(zhǔn)提供指導(dǎo)。

1.2 矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)有限元建模

1.2.1 矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)有限元建模方法

有限元建模的一般流程如圖1所示。

圖1 有限元建模的一般流程

幾何模型建立:可直接在ICEM(The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics)中建立，也可以從CAD軟件中(如CatiaUnigraphics等)讀入，或先從CAD軟件中讀入，再在ICEM中進(jìn)行編輯修改。為了建立四邊形/六面體網(wǎng)格，得到較好的計(jì)算速度和準(zhǔn)確度，矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)的幾何模型在UG軟件中建立。

模型的簡(jiǎn)化和修整:應(yīng)用不同的有限元分析軟件劃分網(wǎng)格時(shí)，需要根據(jù)分析對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、有限元分析軟件的功能和使用者自身的習(xí)慣對(duì)模型進(jìn)行必要的改動(dòng)和修整。例如，對(duì)于平板梁結(jié)構(gòu)，大多使用平面殼單元，有時(shí)就需要提取平板結(jié)構(gòu)的中間面作為劃分幾何位置參考。矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)的幾何模型在UG和ICEM軟件中簡(jiǎn)化和休整。

有限元模型的建立:矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)有限元模型的建立在ANSYS APDL(ANSYS Parametric Design Language)中進(jìn)行的建模過(guò)程，包括有限元網(wǎng)格的劃分、網(wǎng)格導(dǎo)入、單元類型定義、材料定義、實(shí)常數(shù)定義、單元截面定義、載荷的施加、約束的施加。

1.2.2 矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)各部分建模

1)靜架的建模

靜架在整個(gè)結(jié)構(gòu)中是基礎(chǔ)的作用。它的受力以及力學(xué)特性不是我們研究的主要內(nèi)容。故此，在整個(gè)建模中可以不用建立靜架的實(shí)體模型，直接將靜架當(dāng)做基礎(chǔ)處理。如圖2所示靜架對(duì)動(dòng)架為固定整體約束，即靜架對(duì)動(dòng)架的3個(gè)平動(dòng)約束和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)約束均為0。

圖2 靜架建模

2)傳感器及撓性件的建模

在整體模型中，各個(gè)傳感器位置采用X，Y，Z三個(gè)方向的三個(gè)彈簧線單元等效替代傳感器與撓性件的組合。并通過(guò)對(duì)傳感器和撓性件組件單獨(dú)的建模分析，計(jì)算得到組件在X，Y，Z三個(gè)方向的剛度。再將三個(gè)方向的剛度值賦給對(duì)應(yīng)的彈簧單元。從而實(shí)現(xiàn)組件的等效替代。

三個(gè)彈簧單元一端相交于同一節(jié)點(diǎn)，另一端(自由端)將作為整個(gè)模型的約束，將在每個(gè)自由端添加三個(gè)方向的全約束。

3)動(dòng)架的建模

動(dòng)架是整體結(jié)構(gòu)中的主要受力構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)特性、受力分布以及模態(tài)分析等是矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)有限元分析工作中的重要部分。基于劃分網(wǎng)格難度、計(jì)算精度、計(jì)算效率等方面考慮，動(dòng)架建模將采用二維殼單元、六面體網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格、二維線單元四種混合網(wǎng)格的方式建模，具體建模過(guò)程如圖3。

圖3 動(dòng)架建模過(guò)程

①幾何模型導(dǎo)入ICEM

將簡(jiǎn)化后的模型保存成“*.igs”格式，導(dǎo)入ICEM中。導(dǎo)入后，ICEM軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)裝配體中的每個(gè)部件編號(hào)。這些編號(hào)具有隨機(jī)性。動(dòng)架共有105個(gè)部件，因此在導(dǎo)入后，需要將每個(gè)零件與編號(hào)相對(duì)應(yīng)，并將其分組，以便后續(xù)能夠快捷有效地劃分網(wǎng)格。

②模型處理

導(dǎo)入的.igs格式的CAD模型，只有點(diǎn)、線、面元素，沒(méi)有體元素。六面體梁結(jié)構(gòu)導(dǎo)入ICEM后即只有六個(gè)面及其附屬的點(diǎn)和線。由于梁結(jié)構(gòu)要?jiǎng)澐殖善矫娴臍卧虼诵枰贗CEM中確定每個(gè)梁需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格的參考位置面。大多數(shù)梁都選擇其中間面為幾何參考。為了與其他結(jié)構(gòu)銜接，有少部分梁選擇頂面或底面作為網(wǎng)格的幾何參考。由于模型組件數(shù)量較多，還要對(duì)模型進(jìn)行一些清理和分塊，以提高對(duì)模型的管理效率。

③建立塊

與ABAQUS等有限元軟件的網(wǎng)格劃分方法不同，對(duì)于幾何形狀相對(duì)復(fù)雜的模型，ICEM采用分塊的方法構(gòu)造質(zhì)量較高的四邊形網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格。分塊方法的主要思想是根據(jù)幾何模型建立二維或三維的塊，通過(guò)對(duì)塊的切分和合并，使模型并分為若干個(gè)簡(jiǎn)單的形狀，從而通過(guò)映射的方法生成單元。為了得到以四面體為主的二維殼單元，本課題將所有的梁結(jié)構(gòu)面作為參考，生成了相應(yīng)數(shù)量的二維塊。

④生成面單元

根據(jù)得到的塊，調(diào)整部分網(wǎng)格密度參數(shù)，即可得到梁結(jié)構(gòu)位置處的殼單元。

⑤生成體單元

對(duì)于其中幾個(gè)實(shí)體結(jié)構(gòu)，采用四面體(自由網(wǎng)格)和六面體(結(jié)構(gòu)網(wǎng)格)的體單元。

圖4 動(dòng)架建模

⑥網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS APDL

在ICEM中劃分好所需的網(wǎng)格后，將網(wǎng)格數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在“.in”格式的文件中。ANSYS APDL可以很好地讀取“.in”格式的文件中的網(wǎng)格。從而可以實(shí)現(xiàn)將ICEM所劃分的網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS。

⑦設(shè)置單元、材料、實(shí)常數(shù)、邊界條件等參數(shù)

a)定義單元類型

ANSYS的單元庫(kù)可謂琳瑯滿目，本課題根據(jù)各單元的特點(diǎn)和試用條件，選用了以下4種單元:SOLID185(體單元)、SHELL181(殼單元)、COMBIN14(彈簧單元)和MASS21(質(zhì)點(diǎn)單元，用于后面的剛體建模)

b)定義單元實(shí)常數(shù)

在這里，只有COMBIN14單元需要定義單元的實(shí)常數(shù)，即彈簧單元的剛度。各彈簧單元的剛度就是該位置傳感器在該方向上的剛度。

c)定義材料屬性

矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)的結(jié)構(gòu)主要由某種鋼組成，該分析僅僅需要材料。通過(guò)查看《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第3冊(cè)材料(上)》中第一章中的內(nèi)容可以獲得材料的彈性模量、泊松比和密度等性能。

d)施加載荷

矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)共受四個(gè)集中力載荷，分別是發(fā)動(dòng)機(jī)重力、進(jìn)氣道重力、自身重力和發(fā)動(dòng)機(jī)推力。根據(jù)各個(gè)載荷的大小和方向進(jìn)施加。

1.3 網(wǎng)格密度的驗(yàn)證

在建模初步完成后，需要對(duì)有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于同一種類型的網(wǎng)格來(lái)說(shuō)，劃分網(wǎng)格數(shù)量的不同，會(huì)對(duì)分析結(jié)果造成影響。在一定的范圍內(nèi)，網(wǎng)格劃分的越密，即單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，則分析結(jié)果越精確。在網(wǎng)格數(shù)量到達(dá)一定程度后，繼續(xù)加密網(wǎng)格只能極小地提高計(jì)算精度，甚至有可能使計(jì)算精度降低。

分別建立節(jié)點(diǎn)數(shù)從多到少分別為139779，126479，97978，83656四組模型。通過(guò)施加相同條件的載荷對(duì)比，最大變形非常接近，最大相對(duì)誤差不足0.7%。在工程實(shí)踐上，可認(rèn)為四組模型均可作為計(jì)算模型，在10萬(wàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)條件下，適當(dāng)?shù)脑黾踊驕p少網(wǎng)格數(shù)量，對(duì)最大變形結(jié)果幾乎無(wú)影響。

2 結(jié)論

通過(guò)在UG軟件中建立矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)的幾何模型，在ICEM中進(jìn)行編輯修改幾何模型，最后在ANSYS APDL建立有限元模型。這個(gè)矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)有限元模型包括97978個(gè)節(jié)點(diǎn)，30336個(gè)單元，經(jīng)過(guò)試算，網(wǎng)格質(zhì)量合格，計(jì)算能夠收斂，可以轉(zhuǎn)入下一階段的有限元分析的工作。

［1］吳惠明.渦噴渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)推力測(cè)量校準(zhǔn)現(xiàn)狀及展望［J］.計(jì)測(cè)技術(shù)，2012，32(4):1-3.

［2］宋江濤，鄧小寶，魏海濤.航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)推力仿真技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2012，29(1):6-70.