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    CAE咨询 / Data Area

    12年的专业CAE咨询服务经验,超过1000个项目的丰富经验积累。

    航空发动机分析及流固耦合及气弹性分析

    发布时间:2013-12-18

    浏览次数:

    • 1.航空发动机

       

      发动机是飞行器的心脏,它每个部件的性能、强度、结构的优劣好坏对于飞行器而言都是很重要的,因此对发动机大多数零部件进行有限元分析是非常必要的。

      1.1 轴系

      轴系在工作中承受的主要载荷有:扭矩;轴向载荷;惯性载荷;不平衡弯曲载荷等。主要涉及弹塑性、静动力分析、疲劳分析和优化设计等有限元分析类型。

      Abaqus具有多种塑性和蠕变本构模型,从而方便准确地进行轴系的热弹塑性计算。Abaqus模态分析功能可以方便地同时计算出轴系预应力下的模态及自振频率,通过频率优化进行错频,可以避免轴系发生共振现象。Fe-safe疲劳分析能方便地输入如载荷谱等复杂的载荷边界条件,允许各种方式的载荷组合,含有多种疲劳损伤模型,提供了丰富的材料库,并允许用户方便地扩充和修改,完全能满足轴系疲劳计算的要求。

      主轴产生疲劳断裂的部位,常在局部高应力区,如台肩、圆角、齿槽、螺纹和小孔附近,是故障常见区域,进行疲劳强度分析对主轴的设计有重要意义,Abaqus对此提供了全面的分析工具。

      1.2 盘系

      盘系承受的主要载荷有:旋转引起的离心载荷和叶片对它施加的径向载荷;温度场引起的热载荷(尤其对涡轮盘);机动载荷;气动载荷。Abaqus的弹塑性、粘塑性分析可以进行盘系的静力计算和模态计算和动力响应计算等;Abaqus/Explicit提供了显式求解器,它可有效地完成瞬态动力分析。

      涡轮盘处在高温、高转速和高负荷的工作环境,蠕变计算变得非常重要,尤其是当盘的局部进入塑性时,蠕变疲劳交互作用对涡轮盘的寿命具有很大的影响。Abaqus软件提供了显示、隐式蠕变模型,用户还可以通过用户子程序建立自己的蠕变本构模型。除无约束、无阻尼模态分析外,Abaqus还提供了预应力模态和复模态(有阻尼)分析的功能,可深入地研究盘系、轴系的动力特性。针对涡轮盘结构形式具有周期对称的特点,Abaqus还提供了循环对称模态分析功能,只需取一个扇区进行计算,后处理中可方便地得到整个涡轮盘的振型,并绘制出振型图,而且不需要对沉面的节点匹配。

      Abaqus断裂力学分析,可以进行裂纹区域的模拟和计算断裂参数,裂纹区域的模拟包括2D和3D断裂模型,可以计算的断裂参数有应力强度因子、J积分和能量释放率等。可以协助完成对盘系的损伤容限分析。

      对某些带有很小冷却孔的盘、叶片或盘叶整体计算分析时,由于规模比较大,在Abaqus软件中可以进行子模型结构分析,先进行整体“粗网格计算”,然后根据粗网格计算结果选出关心的部位。再建立关心部位的局部模型,对局部模型进行细致的网格划分,通过整体模型得到局部模型边界条件,进行局部模型的求解。Abaqus的子模型分析功能可自动从整体计算结果中取出细分区域边界上的位移结果,并自动插值施加在子区模型的边界上。对带有冷却孔的盘,冷却分析也十分重要。利用Abaqus分析可以得到它的温度场情况。

      1.3 叶片

      叶片在发动机里,是最重要的部件,它的受力在发动机的零部件里是最恶劣的。承受的主要载荷有:旋转引起的离心载荷;热载荷;随机载荷;气动力;交变力。

      在新型的发动机里,单晶材料和定向结晶材料等新型材料已广泛地应用于涡轮叶片上,Abaqus可以计算上述各向异性材料,并且可以考虑材料主轴与总体坐标不一致的情况。

      Abaqus/Standard的结构动力分析可以进行叶片的模态计算和动力响应计算等。Abaqus/Explicit提供了显式求解器,它可以使用户有效地完成动态分析,模拟发动机吸入飞鸟和异物时,对叶片撞击分析。在进行叶片蠕变计算时,Abaqus可以同时考虑材料的各向异性。对于叶片而言,热疲劳是非常关键的,Abaqus可以输入随时间变化的温度载荷和离心力,使常规疲劳和热疲劳的计算变得容易和准确。对于涡轮叶片榫头,要准确地计算叶片榫头的应力场,就必须考虑叶片榫头与盘榫齿的接触。Abaqus强大的接触计算能力支持点-点、点-面、面-面接触,并且有多种摩擦模型可供选择。接触收敛问题是困绕计算分析人员的一大难题,Abaqus默认的接触参数设置,可以让分析人员通过最小的干预,得到计算结果。

      1.4 发动机机匣

      发动机静子和机匣承受的主要载荷有:气动载荷;温度载荷;地面吊运载荷;随机振动。

       

              

       

      Abaqus的弹塑性分析可以解决限制载荷、极限压力、疲劳和变形等问题,蠕变分析功能可以准确地进行发动机机匣蠕变计算分析。

      转子包容性设计是机匣设计当中重要的一环。Abaqus/Explicit显式动力求解功能可有效地进行包容性分析,模拟发动机吸入飞鸟等各类异物时,异物与叶片的撞击、叶片的破碎及对机匣的撞击。

      Abaqus的动力分析可以准确的进行模态分析和动力学响应分析,通过计算结果可以对机匣进行刚度优化设计。

      1.5 燃烧室/加力燃烧室/推进剂

      燃烧室和加力燃烧室是发动机部件中温度环境最高的,承受的主要载荷有:气动载荷;温度载荷;质量惯性力。Abaqus的结构分析能解决燃烧室和加力燃烧室设计中遇到的下列问题:弹塑性;热力分析(2000K左右的高温环境);疲劳蠕变交互作用;优化设计。燃烧室和火焰筒等高温部件的热设计对保证其正常工作是至关重要的,另外还有热应力、热疲劳、静力等分析内容,Abaqus产品系列可对其进行全面的计算分析。

      1.6 发动机鸟撞分析

      据概略统计,全球每年大约发生1万次鸟撞飞机事件,国际航空联合会已把鸟害升级为“A”类航空灾难。鸟撞对航空器尤其是发动机的破坏是灾难性的:一只0.45千克重的飞鸟与时速500公里的飞机相撞时,冲击力为8000多公斤,足以使发动机叶片或外罩等严重变形或断裂,造成灾难性后果。因此,航空发动机的抗鸟撞性能一直是设计者追求的目标,现代发动机研制时都要进行鸟撞物理试验,从最初的每只0.8公斤的单鸟撞击到现在的每只3.6公斤的多鸟撞击试验,通常要求发动机在鸟撞后仍保持足够的推力和能够继续飞行约20分钟。对于现代设计来说,由于鸟撞物理试验费用昂贵、周期长、难以提供足够的信息,因而通常都只是验证性的试验,在研究过程中,利用计算机进行有限元仿真模拟的技术得到广泛的采用,并成为主要的研究手段。

      由于极高的撞击速度,此过程中飞鸟肌体将发生流动变形和解体而四处抛洒,发动机结构亦将产生大变形,甚至发生破坏,例如发动机风扇叶片断裂等。发动机一般是在运行过程中收到鸟类的冲击,运行过程中本身就会使得叶片产生离心力,对于离心力分析,不能直接采用显示分析,必须使用隐式分析。但是在撞击的过程是一个非常短暂的过程,必须使用显式分析。Abaqus既提供显式求解器,也提供了隐式求解器,这样为发动机的撞击提供了非常好的平台。目前在世界范围内,对发动机鸟撞进行分析仿真中,Abaqus得到了广泛采用。

       

                  

                             2ms时刻发动机叶片的应力状态                                   4ms时刻发动机叶片的应力状态       

       

      2.流固耦合及气弹性分析

      2.1  流固耦合

      流固耦合问题涵盖的范围非常广泛。流体和结构的变形相互影响,其中流体和固体的接触可以是热接触、机械接触或两者同时存在;可以是稳态问题,也可以是瞬态问题。许多问题都包含流固耦合问题,但是由于求解技术的限制,实际应用过程中经常忽略流固耦合效应。      

               

       Abaqus有多种办法实现流固耦合,既可以和其他商业有限元软件一些协同求解,Abaqus也提供CEL办法独立求解流固耦合问题。

                  

        Abaqus和Fluent联合求解                                          CEL 模拟鸟撞              

       

      Zentrum für Strukturtechnologien, ETH Zürich 公司以往对DG-1000型滑翔机机翼的分析,就忽略了流固耦合效应。由于翼展很大,流体和结构的相互作用影响很大,结果计算结果不能有效地反映升力和机翼后倾角的关系。引入流固耦合分析之后,Zentrum für Strukturtechnologien, ETH Zürich 公司对机翼的不同后倾角构型进行了流固耦合分析。后倾角分别为,-1°、-5°和-10°。从分析结果,可以清晰地看到流固耦合分析和非流固耦合分析结果的区别。其中虚线为非流固耦合分析结果,实线为流固耦合分析结果。

                   

                

                   不同后倾角升力计算结果

      2.2 气弹性分析

      颤振将导致飞行器结构的振动发散。我们希望飞行器在飞行包络线内,避开结构的不稳定状态。Abaqus通过同ZAERO的交互,实现气动弹性分析。具体步骤如下:

      ►通过Abaqus/CAE创建结构有限元模型

      ►创建翼段气弹模型

      ►计算结构模型的动力学属性(在Abaqus中求解特征值)

      ►利用abaqus tozaero脚本,转换输出数据库到中性文件,以便ZAERO用于气弹分析

      ►利用ZAERO求解离散的翼段气动弹性问题

      ►从ZAERO将气弹载荷写入Abaqus,继续进行应力/位移分析

       

              

                    写出数据到ZAERO  

                                

                           0.5马赫数出现发散

              

       

       

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