矢量推力發(fā)動機試車臺有限元建模

王麗，高瀚君，王光發(fā)

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

0 引言

航空發(fā)動機在定型試驗階段要經(jīng)過反復的臺架試驗，在生產(chǎn)和維修過程中，也都需要通過試車臺對發(fā)動機的性能進行測試。航空發(fā)動機的推力是鑒定發(fā)動機性能指標的關(guān)鍵參數(shù)，但是由于各種因素的影響，試車臺測得的發(fā)動機推力與其真實推力有可能相差甚遠。建立矢量推力發(fā)動機試車臺有限元分析模型，分析各影響量的權(quán)重，對矢量推力發(fā)動機試車和試車臺校準有重要的指導作用。

1 矢量推力發(fā)動機試車臺有限元建模

1.1 矢量推力發(fā)動機試車臺分析

航空發(fā)動機是一個強非線性、時變、高度復雜的多維氣動熱力學系統(tǒng)，為了研究其工作特性和進行有效的控制，需要建立一套推力測量裝置。典型的發(fā)動機推力測量裝置由動架、定架、測力傳感器、二次儀表和校準裝置組成。發(fā)動機固定在動架上，試車時，在發(fā)動機推力的作用下，發(fā)動機連同動架沿軸向移動，與定架上的推力測量傳感器相平衡，從而測得發(fā)動機推力。另外，在推力測量傳感器兩端都裝有撓性件，以保證發(fā)動機推力能夠全部分解在空間的三個軸向，從而測試到真實的發(fā)動機推力。

矢量推力發(fā)動機試車臺有限元建模完成后，可以得到撓性件、環(huán)境、發(fā)動機安裝、校準加載位置等因素對推力測量的影響，從而對矢量推力發(fā)動機試車臺推力測量和試車臺校準提供指導。

1.2 矢量推力發(fā)動機試車臺有限元建模

1.2.1 矢量推力發(fā)動機試車臺有限元建模方法

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中進行編輯修改。為了建立四邊形/六面體網(wǎng)格，得到較好的計算速度和準確度，矢量推力發(fā)動機試車臺的幾何模型在UG軟件中建立。

模型的簡化和修整:應用不同的有限元分析軟件劃分網(wǎng)格時，需要根據(jù)分析對象的結(jié)構(gòu)特點、有限元分析軟件的功能和使用者自身的習慣對模型進行必要的改動和修整。例如，對于平板梁結(jié)構(gòu)，大多使用平面殼單元，有時就需要提取平板結(jié)構(gòu)的中間面作為劃分幾何位置參考。矢量推力發(fā)動機試車臺的幾何模型在UG和ICEM軟件中簡化和休整。

有限元模型的建立:矢量推力發(fā)動機試車臺有限元模型的建立在ANSYS APDL(ANSYS Parametric Design Language)中進行的建模過程，包括有限元網(wǎng)格的劃分、網(wǎng)格導入、單元類型定義、材料定義、實常數(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)動機試車臺各部分建模

1)靜架的建模

靜架在整個結(jié)構(gòu)中是基礎的作用。它的受力以及力學特性不是我們研究的主要內(nèi)容。故此，在整個建模中可以不用建立靜架的實體模型，直接將靜架當做基礎處理。如圖2所示靜架對動架為固定整體約束，即靜架對動架的3個平動約束和3個轉(zhuǎn)動約束均為0。

圖2 靜架建模

2)傳感器及撓性件的建模

在整體模型中，各個傳感器位置采用X，Y，Z三個方向的三個彈簧線單元等效替代傳感器與撓性件的組合。并通過對傳感器和撓性件組件單獨的建模分析，計算得到組件在X，Y，Z三個方向的剛度。再將三個方向的剛度值賦給對應的彈簧單元。從而實現(xiàn)組件的等效替代。

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

3)動架的建模

動架是整體結(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)動機試車臺有限元分析工作中的重要部分?；趧澐志W(wǎng)格難度、計算精度、計算效率等方面考慮，動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，具體建模過程如圖3。

圖3 動架建模過程

①幾何模型導入ICEM

將簡化后的模型保存成“*.igs”格式，導入ICEM中。導入后，ICEM軟件會自動對裝配體中的每個部件編號。這些編號具有隨機性。動架共有105個部件，因此在導入后，需要將每個零件與編號相對應，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

導入的.igs格式的CAD模型，只有點、線、面元素，沒有體元素。六面體梁結(jié)構(gòu)導入ICEM后即只有六個面及其附屬的點和線。由于梁結(jié)構(gòu)要劃分成平面的殼單元，因此需要在ICEM中確定每個梁需要劃分網(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，還要對模型進行一些清理和分塊，以提高對模型的管理效率。

③建立塊

與ABAQUS等有限元軟件的網(wǎng)格劃分方法不同，對于幾何形狀相對復雜的模型，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，通過對塊的切分和合并，使模型并分為若干個簡單的形狀，從而通過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

對于其中幾個實體結(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 動架建模

⑥網(wǎng)格導入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。從而可以實現(xiàn)將ICEM所劃分的網(wǎng)格導入ANSYS。

⑦設置單元、材料、實常數(shù)、邊界條件等參數(shù)

a)定義單元類型

ANSYS的單元庫可謂琳瑯滿目，本課題根據(jù)各單元的特點和試用條件，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)點單元，用于后面的剛體建模)

b)定義單元實常數(shù)

在這里，只有COMBIN14單元需要定義單元的實常數(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)動機試車臺的結(jié)構(gòu)主要由某種鋼組成，該分析僅僅需要材料。通過查看《飛機設計手冊第3冊材料(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)動機試車臺共受四個集中力載荷，分別是發(fā)動機重力、進氣道重力、自身重力和發(fā)動機推力。根據(jù)各個載荷的大小和方向進施加。

1.3 網(wǎng)格密度的驗證

在建模初步完成后，需要對有限元模型進行驗證。對于同一種類型的網(wǎng)格來說，劃分網(wǎng)格數(shù)量的不同，會對分析結(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)點數(shù)量越多，則分析結(jié)果越精確。在網(wǎng)格數(shù)量到達一定程度后，繼續(xù)加密網(wǎng)格只能極小地提高計算精度，甚至有可能使計算精度降低。

分別建立節(jié)點數(shù)從多到少分別為139779，126479，97978，83656四組模型。通過施加相同條件的載荷對比，最大變形非常接近，最大相對誤差不足0.7%。在工程實踐上，可認為四組模型均可作為計算模型，在10萬節(jié)點數(shù)條件下，適當?shù)脑黾踊驕p少網(wǎng)格數(shù)量，對最大變形結(jié)果幾乎無影響。

2 結(jié)論

通過在UG軟件中建立矢量推力發(fā)動機試車臺的幾何模型，在ICEM中進行編輯修改幾何模型，最后在ANSYS APDL建立有限元模型。這個矢量推力發(fā)動機試車臺有限元模型包括97978個節(jié)點，30336個單元，經(jīng)過試算，網(wǎng)格質(zhì)量合格，計算能夠收斂，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)動機試車臺推力測量校準現(xiàn)狀及展望［J］.計測技術(shù)，2012，32(4):1-3.

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