航空發動機高空模擬試車臺架參數化設計研究

范澤兵，胡 楊，吳 鋒，何培壘

(1.中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川江油621703；2.航空工業江西洪都航空工業集團有限責任公司，江西南昌330000)

1 引言

航空發動機高空模擬試車臺(以下簡稱高空臺)承擔著航空發動機科研驗證和考核鑒定試驗任務[1]。不同型號發動機因安裝結構、尺寸及接口等方面存在差異，其對試車臺架工藝系統的要求有所不同，就是同一型號不同批次發動機對臺架的要求也會隨著研發進度而發生變化。因此，在進行發動機高空模擬試驗時，常需要根據不同型號不同批次發動機對臺架的要求進行臺架適應性設計。目前，我國高空臺試車臺架設計存在零部件通用性不高、設計周期長，導致臺架設計工作量大、效率低等問題。

隨著計算機技術的不斷發展，利用三維軟件開發出參數化的零部件結構、建立標準零件庫對零件進行整體驅動，可大大減少重復性勞動，縮短設計周期，提高效率，這種參數化設計技術已在橋梁[2]、汽車[3]、航空發動機[4-7]等領域得到廣泛的應用。鑒于參數化設計技術的優勢，本文將參數化設計技術引入航空發動機高空模擬試車臺架設計中，通過分析確認試車臺架的典型結構特征、關鍵參數和約束管理，在構建零組件參數化模型和數字樣機的基礎上建立了試車臺架參數化設計系統，可有效提升發動機高空模擬試驗效率。

2 參數化設計技術

2.1 參數化設計技術

參數化設計技術又稱尺寸驅動技術，廣泛應用于可用一組參數約束、結構和形狀變化均較小的構件[8]。參數化設計分為零件級和部件級參數化設計。零件級參數化設計是運用一組變量控制零件的拓撲結構。部件級參數化設計是采用多級控制參數，從最上級向下逐級進行驅動，直到最下級的單一變量控制單一特征變型，才完成部件參數化過程。多級參數驅動流程如圖1所示。

圖1 多級參數驅動流程Fig.1 Multi-level parameter driven process

2.2 模塊化設計技術

模塊化設計是機械產品設計中產品族劃分的基本方法。將具有相似結構、性能或功能的零部件劃分出一系列模塊，通過模塊的選擇和組合構成不同結構和功能的產品，實現產品的多變性與零部件標準化的有機結合。試車臺架也可根據其結構和功能的不同劃分為不同的模塊，以便于實現臺架的模塊化設計。

2.3 WAVE技術

WAVE技術是一種實現相關部件間建模的技術。體現為自頂向下的設計方法，即先進行總體設計，再根據總體設計進行部件設計，最后進行零件的詳細設計。WAVE技術在試車臺架參數化設計中的應用主要體現在設計思想與方法上，在進行臺架設計時先進行總體設計，確認臺架的布局，然后運用參數化設計技術進行部件級、零件級的參數驅動，實現試車臺架自頂向下的逐級設計。

3 試車臺架參數化設計系統

試車臺架中回轉結構和對稱結構零件較多，且發動機在試驗臺上的安裝方式較為固定，便于實現參數化設計。試車臺架參數化設計流程見圖2，主要包括臺架參數化建模和臺架參數化設計兩部分。

圖2 試車臺架參數化設計流程Fig.2 The flowchart of test rig parametric design

航空發動機高空模擬試車臺架參數化設計的主要內容包括：①試車臺架分析——對臺架進行分類，確定需要進行參數化設計的臺架，提取臺架零組件的典型結構特征、關鍵參數和約束關系；②模塊劃分——根據臺架的功能和結構對臺架進行模塊劃分，并建立重用件庫和標準件庫；③零部件參數化建?！⑴_架零件的參數化模型；④數字樣機建立——運用虛擬裝配技術建立試車臺架的數字樣機；⑤參數化設計——運用WAVE技術和參數化設計技術建立自頂向下的臺架參數化設計系統。

3.1 試車臺架分析

通過分析發動機結構及臺架結構，確認發動機的主要結構形式及該結構對應的主要參數。發動機及試車臺架在試驗設備上的安裝如圖3所示。

圖3 發動機在試車臺架上的安裝Fig.3 Installation on the test rig of aero-engine

圖4 發動機主要結構特征及參數Fig.4 Main structural features and parameters

圖4示出了發動機的結構特征和主要參數。其中，與臺架相關的主要結構特征包括：發動機進口的密封形式、主支點和輔助支點的布置及支撐形式、發動機最大外輪廓、發動機管路接口結構和其他結構形式。與臺架相關的主要參數為：進口直徑，尾噴口最大直徑、總長、主支點位置、輔助支點位置及安裝角度等。發動機與臺架流量管的連接主要有端面壓緊和螺栓連接兩種。發動機主支點的結構形式主要有主支點和主支座兩種。發動機在試驗設備上的支撐形式種類較多，如圖5所示。試驗核心機和整機由于在結構上差異較大，進行臺架設計時需分別進行。

圖5 發動機支點布置方式Fig.5 Fulcrum arrangement

3.2 模塊劃分

試車臺架按功能可分為流量管、主支點、輔助支點、排氣擴壓器、附件等模塊，如圖6所示。模塊化劃分完成后可根據各個模塊的特點建立參數化模型，參數化設計時直接引入該模塊并根據需要修改模塊的參數和局部結構。

圖6 試車臺架模塊劃分Fig.6 The modular division of the test rig

3.3 零部件參數化建模

零件參數化建模是整個參數化設計的基礎，在試車臺架分析和模塊劃分基礎上進行，是實現試車臺架參數化設計的關鍵。根據零件結構可采取不同的建模和定位方法，建立的參數化模型允許對模型的結構和尺寸進行修改。圖7為流量管收縮段參數化模型。

圖7 流量管收縮段參數化模型Fig.7 Parameterized model of flow tube contraction segment

部件參數化建模在零件參數化建模的基礎上進行，主要是加入了零件之間的裝配約束關系和關鍵參數。流量管等直段組件的參數化建模如圖8所示。

3.4 數字樣機

在完成試車臺架零件參數化建模的基礎上，按模塊劃分結果建立各個模塊的參數化模型，最終建立試車臺架的虛擬數字樣機，形成參數化的試車臺架模型。

圖8 流量管等直段組件參數化建模Fig.8 Parameterized model of flow tube straight section component

數字樣機是將各個模塊運用參數化的方法裝配在一起，并根據各模塊之間的關系建立幾何約束和尺寸約束。由于不同發動機的參數和結構不同，試車臺架各模塊組件之間以及模塊中各零件的尺寸約束和幾何約束會在一定范圍內變化，因此建立的試車臺架數字樣機要適應這種變化。

試車臺架各段長度按照式(1)確定：

式中：l為試車臺架空氣進口到排氣擴壓器錐段之間的距離，為定值；ll為流量管長度，且ll≥3dj，其中dj為發動機進口直徑；lf為發動機長度；lfp為發動機尾噴口到排氣擴壓器進口的距離，其值在(0.4～1.0)dw之間，其中dw為發動機尾噴口最大直徑；lp為排氣擴壓器長度。

臺架設計時，排氣擴壓器一般根據現有排氣擴壓器進行選配。通過分析可得到不同直徑下排氣擴壓器長度組合，因此一般情況下lp為可選值。初步確定試車臺架各段長度范圍后，對流量管各段的參數進行詳細計算。

式中：ldz為流量管等直段長度，根據臺架安裝位置及長度確定；lss為流量管收縮段長度；lbc為流量管篦齒段長度；lcl為流量管測量段長度；lzj為流量管轉接段長度；dd為設備導流盆出口直徑。

試車臺架設計時除滿足上述條件外，還需考慮試驗臺安裝位置的限制。試車臺架主支架、輔助支架只能在試驗臺上的一定范圍內安裝(即只能在圖9帶安裝孔位置的部分安裝)。建立數字樣機時應初步確定流量管各段的長度，然后結合試車臺架的安裝條件進行調整。分析現有發動機整機參數，可確定試車臺架主輔支點在設備上的安裝位置范圍，再結合式(1)～式(4)就可確定試車臺架的安裝位置。

圖9 試驗臺Fig.9 Test rig

3.5 參數化設計

與數字樣機自下向上的建立過程相反，試車臺架參數化設計過程則是自頂向下。設計時，首先輸入發動機主要參數，根據式(1)～式(4)初步確定試車臺架的總參數及主要結構，根據試車臺架的限制條件進行調整直至滿足發動機安裝要求。然后根據確定的總體參數和主要結構對臺架進行總體設計，并逐級向下進行組件設計、零件設計并輸出工程圖和零件模型。完成試車臺架設計后，需對臺架零組件之間及臺架與發動機之間的干涉進行檢查并予以避免。同時，還可模擬發動機安裝路徑，避免臺架與發動機在吊裝過程中出現干涉。

4 實例應用

試車臺架參數化設計系統是在三維設計平臺上開發建立的，是運用參數化設計技術、WAVE技術、模塊化設計技術等技術，根據發動機結構及尺寸對試車臺架進行適應性設計的軟件設計系統。其還具備對試驗艙、發動機和試車臺架的安裝進行檢查的功能，確保設計的臺架滿足安裝要求。

試車臺架參數化設計系統的核心，是實現企業已有產品資源和經驗的有效利用、試車臺架產品模塊化配置和部件結構的參數化設計，達到這一目的基礎是產品模塊化和零部件族參數化模型的建立。利用模塊化技術對試車臺架產品進行模塊劃分，并以參數化建模方式建立部件模塊主要結構參數化模型，基于事物特性表技術完成產品面向用戶需求的配置。對于配置的部件模塊模型，通過參數驅動將其實例化，在實例化的過程中調用零部件重用模型庫中元素。

無論是產品的三維模型建立還是變異設計，都是以參數化特征造型技術為基礎，通過參數化造型軟件和二次開發技術來建立參數化模板模型和實現尺寸變異。為實現產品有效配置和部件參數化變型，還需要數據庫等技術的支持。圖10為試車臺架參數化設計的體系結構。圖中，技術層為試車臺架參數化設計提供技術支持，功能層在技術層的支持下完成系統的設計功能，數據層為試車參數化設計提供各種基礎數據。

圖10 試車臺架參數化設計體系結構Fig.10 Test rig parametric design system architecture

試車臺架總體設計功能如圖11所示。臺架設計時輸入發動機和臺架的主要參數，系統按照設計要求自動生成臺架三維模型；獲得臺架整體模型(圖11)后，可根據需要進一步修改臺架組件、零件的參數和結構(圖12)，保證設計的臺架滿足使用要求。

圖11 試車臺架參數化設計系統Fig.11 Test rig parametric design system

5 結束語

圖12 流量管參數化設計Fig.12 Flow tube parametric design

試車臺架參數化設計可實現試車臺架設計的規范化、可視化和無紙化，提高試車臺架的重用性和通用性。在縮短試車臺架設計周期、提高設計效率、降低試驗現場返修返工和試驗成本以及減輕勞動強度等方面具有巨大優勢。同時，參數化設計獲得的數值模型還可快速用于其他專業分析，如測試布局研究、強度可靠性分析、諧振分析、流場分析等。

試車臺架參數化設計系統現已應用在某型發動機及某型核心機臺架設計中，并在其他類型發動機和試車臺架設計中推廣應用，且取得了明顯的效果。后續可結合虛擬現實技術和智能化技術，對試車臺架進行虛擬設計和智能化設計。