WAVE 系統(tǒng)工程在某六級(jí)軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)件上的應(yīng)用

項(xiàng)潔瓊 苗海豐 顧明恒

（新奧能源動(dòng)力科技（上海）有限公司，上海201499）

圖1 六級(jí)軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)件模塊劃分

1 概述

WAVE 技術(shù)[1]是一項(xiàng)基于UG的、針對(duì)產(chǎn)品級(jí)參數(shù)的設(shè)計(jì)技術(shù)，提供了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要的自頂向下的全相關(guān)產(chǎn)品級(jí)的設(shè)計(jì)環(huán)境。WAVE 系統(tǒng)工程是WAVE 技術(shù)的高級(jí)應(yīng)用，將UG 的部件間關(guān)聯(lián)建模、自頂向下設(shè)計(jì)的功能和方法納入到依據(jù)系統(tǒng)工程確定的設(shè)計(jì)流程中。某六級(jí)軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)件涉及的零件圖號(hào)為100-200 數(shù)量級(jí)，在氣動(dòng)方案設(shè)計(jì)階段就需開展并行設(shè)計(jì)，且面臨結(jié)構(gòu)人員缺乏的困境。按傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，各設(shè)計(jì)成果之間關(guān)聯(lián)性差、面向迭代適應(yīng)能力差，在輸入反復(fù)變更的情況下需要大量專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)和質(zhì)量維護(hù)，設(shè)計(jì)周期長、流程復(fù)雜，產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量難以保證。WAVE 系統(tǒng)工程有望解決這樣的困境，并依靠軟件平臺(tái)主動(dòng)適應(yīng)方案討論、評(píng)審、強(qiáng)度分析和詳細(xì)設(shè)計(jì)等各環(huán)節(jié)。

2 建立模塊劃分和制定主要零件設(shè)計(jì)方法

某六級(jí)軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)件根據(jù)整機(jī)的設(shè)計(jì)使命，確定了初步的結(jié)構(gòu)方案，并根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的方案、零組件內(nèi)部的關(guān)聯(lián)性、設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)背景，確定了圖1 所示的壓氣機(jī)試驗(yàn)件的模塊劃分[2]。

“6stage_test”為試驗(yàn)件型別代號(hào)頂層模型。整個(gè)試驗(yàn)件設(shè)計(jì)過程中各模型的絕對(duì)坐標(biāo)系零點(diǎn)與壓氣機(jī)氣動(dòng)零點(diǎn)重合，轉(zhuǎn)子軸線為Z 軸，氣動(dòng)子午面為YOZ 平面?！癷nput”為存放各類總體輸入的部件級(jí)模型。壓氣機(jī)S2 設(shè)計(jì)流道和葉片造型為非參數(shù)化的樣條和空間曲面，設(shè)計(jì)初期通過Input_0208 鏈接到Input_6666 里，后續(xù)隨著氣動(dòng)、強(qiáng)度等改進(jìn)迭代，通過不同版本的input_XX_XXXX 鏈接到Input_6666 里，保證了氣動(dòng)輸入的關(guān)聯(lián)更新和可追溯性。試驗(yàn)臺(tái)接口、各級(jí)葉排的定位軸線、定位基準(zhǔn)以草圖、自定義基準(zhǔn)的形式存放在Input_6666 里，各級(jí)葉排的數(shù)量、可調(diào)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)角度、氣動(dòng)扭矩等以公式的形式存放在Input_6666 里?？紤]到試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子中封嚴(yán)篦齒數(shù)量較多，將整個(gè)試驗(yàn)件的篦齒進(jìn)行了結(jié)構(gòu)形式和尺寸的統(tǒng)一，并通過絕對(duì)坐標(biāo)系控制軸向、徑向定位尺寸，建立“篦齒”模型?？紤]到試驗(yàn)件轉(zhuǎn)子中使用圓弧端齒的結(jié)構(gòu)特征比較多，圓弧端齒建模過程復(fù)雜，在Input_6666 里建立了“圓弧端齒”次部件級(jí)模型，D196-Z48-off200 是外徑196mm、齒數(shù)48、軸向位置200 的凹、凸齒完全參數(shù)化的模型，其余部位的圓弧端齒通過“復(fù)制組件為”命令在“篦齒”模型下建立，并通過設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行模型的更新和定位的更新?？紤]到試驗(yàn)件測(cè)點(diǎn)種類和數(shù)量均較多，會(huì)造成個(gè)別結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件如對(duì)開機(jī)匣、進(jìn)氣承力機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)一步復(fù)雜，也為了統(tǒng)一與測(cè)點(diǎn)相關(guān)的尺寸和方便協(xié)調(diào)測(cè)點(diǎn)位置，建立了“測(cè)試點(diǎn)”模型。該模型見圖2，引用了Input_6666里的進(jìn)出口固定支板、各級(jí)葉排和S2 氣動(dòng)流路，并對(duì)各級(jí)葉排按實(shí)際數(shù)量和裝配位置進(jìn)行布局，三維顯性化測(cè)試點(diǎn)軸向、角向位置布局。

圖2 測(cè)點(diǎn)布局圖

圖3 0 級(jí)靜子葉片生命周期內(nèi)流程

“靜子”、“轉(zhuǎn)子”、“1 支點(diǎn)”、“2 支點(diǎn)”均為實(shí)體部件級(jí)模型。對(duì)于結(jié)構(gòu)形式類似、可參數(shù)化控制的結(jié)構(gòu)，如各級(jí)靜子葉排、各級(jí)轉(zhuǎn)子葉排、各級(jí)靜子內(nèi)環(huán)、各級(jí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，均從Input-_6666中引用參考基準(zhǔn)和輸入，并采用參數(shù)化形式進(jìn)行第一個(gè)零件的建模，其余級(jí)別采用“復(fù)制組件為”功能生成，利用“更新父部件”和“表達(dá)式”驅(qū)動(dòng)的形式使結(jié)構(gòu)適應(yīng)新級(jí)別的葉型大小、更新定位。由于本試驗(yàn)件的氣動(dòng)需要保證可調(diào)導(dǎo)葉前緣葉尖間隙足夠小、建議采用軸頸定位平臺(tái)包裹葉片前緣的輸入要求，各級(jí)靜子葉排的旋轉(zhuǎn)軸在各級(jí)靜子葉片模型中確認(rèn)，并引用到各級(jí)相應(yīng)的內(nèi)環(huán)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。

“1 支點(diǎn)”、“2 支點(diǎn)”部件級(jí)模型下包括外環(huán)處各類機(jī)匣、承力支板、內(nèi)環(huán)處各類機(jī)匣和擋板等結(jié)構(gòu)特征，形成了壓氣機(jī)進(jìn)口段、出口段的氣動(dòng)通道，傳遞整個(gè)壓氣機(jī)的徑向和軸向載荷，配合各類封嚴(yán)腔和軸承進(jìn)行試驗(yàn)件的軸向力平衡，為軸承提供進(jìn)油、回油、封嚴(yán)氣通道，并布置各類面向氣動(dòng)性能、空氣系統(tǒng)、振動(dòng)、試驗(yàn)安全的測(cè)點(diǎn)和提供測(cè)試引線通道。各功能件之間尺寸協(xié)調(diào)性要求較高，為方便結(jié)構(gòu)內(nèi)部尺寸調(diào)整，在部件級(jí)模型中以YOZ 平面的草圖形式進(jìn)行了各功能件的架構(gòu)設(shè)計(jì)和物理界面的劃分。為方便方案討論和評(píng)審、檢查支板最小壁厚，各通道孔均在該草圖中顯示。

“Simu”為存放各類仿真分析輸出模型的部件級(jí)模型。內(nèi)部子模型為針對(duì)強(qiáng)度仿真、運(yùn)動(dòng)仿真等各階段仿真分析的輸出，均從各實(shí)體模型中引入，針對(duì)分析的需求進(jìn)行局部特征簡化或者處理，又或者針對(duì)葉排數(shù)量進(jìn)行利用公式進(jìn)行扇形塊處理，隨著實(shí)體模型的更新能實(shí)現(xiàn)輸出的快速更新。

3 0 級(jí)可調(diào)靜子葉片的設(shè)計(jì)

在圖1 的模塊劃分中，選取0 級(jí)可調(diào)靜子葉片開展具體設(shè)計(jì)。0 級(jí)靜子葉片全生命周期內(nèi)主要的設(shè)計(jì)流程見圖3[3-5]，可調(diào)導(dǎo)葉的具體設(shè)計(jì)、建模流程見圖4。根據(jù)生命周期內(nèi)的流程，0 級(jí)可調(diào)導(dǎo)葉的主要利益攸關(guān)者包括：總體結(jié)構(gòu)方案、壓氣機(jī)氣動(dòng)、強(qiáng)度（包括配合零件）、加工（包括配合零件）、裝配、試驗(yàn)、六性和設(shè)計(jì)背景、設(shè)計(jì)使命、成本、周期等。針對(duì)0 級(jí)可調(diào)靜子葉片的主要設(shè)計(jì)輸入：

3.1 總體結(jié)構(gòu)方案：葉片周向分布需滿足壓氣機(jī)使用對(duì)開機(jī)匣的要求。

3.2 壓氣機(jī)氣動(dòng)：0-5 級(jí)靜子葉片單獨(dú)線性可調(diào)，軸頸定位平臺(tái)包裹前緣，葉尖間隙盡量小。

3.3 強(qiáng)度：壓氣機(jī)機(jī)匣與軸頸配合處定位孔周向留有2-5mm 基體，可調(diào)靜子葉片面積突變區(qū)域增加去應(yīng)力凹槽，可調(diào)靜子葉片能在最大氣動(dòng)扭矩作用和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可能卡滯的情況下靜強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)足夠大。

3.4 加工：可調(diào)導(dǎo)葉與搖臂配合異形軸需預(yù)設(shè)角度，降低搖臂異形孔加工難度。

3.5 設(shè)計(jì)背景：第一個(gè)可調(diào)導(dǎo)葉設(shè)計(jì)后能根據(jù)其他級(jí)別葉片的位置和大小快速進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征適應(yīng)性調(diào)整。氣動(dòng)方案設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)基本同步進(jìn)行，各級(jí)葉排及從葉片引用結(jié)構(gòu)特征的機(jī)匣、內(nèi)環(huán)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)均需適應(yīng)氣動(dòng)葉型、軸向位置、數(shù)量的調(diào)整。各級(jí)葉排需適應(yīng)靜強(qiáng)度分析、模態(tài)分析、配合零件尺寸協(xié)調(diào)等各類原因產(chǎn)生的迭代。

3.6 六性和成本：六級(jí)試驗(yàn)件級(jí)數(shù)較多，需盡量考慮統(tǒng)一零件的部分尺寸，如可調(diào)靜子葉片上下軸頸的直徑和高度，減少襯套、搖臂、連接段等圖號(hào)數(shù)量、減少聯(lián)動(dòng)環(huán)、凸耳等零件毛坯尺寸規(guī)格、減少工藝種類。

與傳統(tǒng)可調(diào)靜子葉片設(shè)計(jì)相比，按WAVE 系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的可調(diào)靜子葉片需具備以下特點(diǎn)：(1)參數(shù)化控制。(2)部件間關(guān)聯(lián)性高；總體輸入與配合零件均通過鏈接草圖、基準(zhǔn)、公式達(dá)到單向關(guān)聯(lián)的要求。(3)部件內(nèi)部關(guān)聯(lián)性高；增加內(nèi)部基準(zhǔn)或參考線，保證各特征草圖有一處軸向尺寸通過絕對(duì)坐標(biāo)系定義，其余定位尺寸均通過內(nèi)部基準(zhǔn)或者參考線進(jìn)行定義，草圖內(nèi)部其余尺寸標(biāo)注需考慮方便強(qiáng)度迭代和其余葉排的尺寸適應(yīng)性調(diào)整。使用關(guān)聯(lián)性高的操作取代關(guān)聯(lián)性低的操作，關(guān)聯(lián)性低的、不能取代的操作放置在最后，如使用求差命令代替剪切命令，使用組中的體代替單個(gè)體。(4)設(shè)計(jì)過程顯性化；為方便質(zhì)量檢查和評(píng)審，旋轉(zhuǎn)軸和軸頸定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)、上下葉尖的設(shè)計(jì)均可保留輔助平面，將過程分析顯性化。將各處葉尖間隙設(shè)計(jì)值通過測(cè)量尺寸或命名公式顯性化。(5)面向仿真分析的設(shè)計(jì)。仿真分析需要處理掉的結(jié)構(gòu)特征需放置在最后，并將符合要求的模型引用給“simu”中對(duì)應(yīng)的模型?？珊唵吻笕∑骄鶓?yīng)力的操作特征可放在最終模型后面，用于結(jié)構(gòu)初步評(píng)估應(yīng)力水平。

4 結(jié)論

實(shí)踐結(jié)果表明，由于大量使用關(guān)聯(lián)復(fù)制、參數(shù)驅(qū)動(dòng)、表達(dá)式和部件間鏈接，該設(shè)計(jì)方法可以大大縮減結(jié)構(gòu)形式比較雷同的多級(jí)軸流壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)工作量，設(shè)計(jì)成果對(duì)輸入變更和迭代的適應(yīng)性強(qiáng)、關(guān)聯(lián)性強(qiáng)?？梢葬槍?duì)需求驗(yàn)證、各類評(píng)審顯性化需求指標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)，針對(duì)仿真分析快速更新輸出，能主動(dòng)適應(yīng)方案討論、評(píng)審、強(qiáng)度分析、詳細(xì)設(shè)計(jì)等各環(huán)節(jié)。

圖4 0 級(jí)靜子葉片設(shè)計(jì)