基于NX 的航空發(fā)動機測試受感部參數(shù)化設(shè)計

宋昕宜 劉宜勝

（中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責任公司，上海 200241）

航空發(fā)動機的氣動參數(shù)主要通過測量受感部獲得。受到高溫、高壓氣流的作用，工作環(huán)境較為惡劣，同時自身結(jié)構(gòu)不可避免對流場產(chǎn)生了一定的干擾，因此受感部設(shè)計需要同時滿足結(jié)構(gòu)安全性和尺寸小型化的要求[1-2]。

在受感部設(shè)計過程中，需要先根據(jù)簡化的強度計算公式和工程經(jīng)驗設(shè)計受感部的初始結(jié)構(gòu)，通過有限元分析校核其結(jié)構(gòu)安全性。由于結(jié)構(gòu)安全性和尺寸小型化的要求存在矛盾，在設(shè)計過程中需要重復(fù)進行結(jié)構(gòu)調(diào)整和有限元計算，影響設(shè)計效率。

利用軟件進行參數(shù)化設(shè)計可以實現(xiàn)零組件的快速建模，減少人為失誤，提高設(shè)計效率。目前，參數(shù)化設(shè)計方法在化工、機械、汽車和航空發(fā)動機等領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用[3-4]。通過三維設(shè)計軟件的二次開發(fā)，可以集成參數(shù)化建模和模型數(shù)據(jù)庫管理，建立零組件參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)零組件的參數(shù)化設(shè)計。

鑒于參數(shù)化設(shè)計的優(yōu)勢，文章將參數(shù)化設(shè)計技術(shù)引入受感部設(shè)計過程。采用NX 表達式建模法構(gòu)建多種受感部參數(shù)化模型，并在Teamcenter 中構(gòu)建受感部零組件參數(shù)化模型庫?；贑#語言開發(fā)了功能集成模塊，實現(xiàn)模型檢索、模型重用、有限元計算和仿真報告生成等功能的集成，并在Teamcenter 集成環(huán)境下，與參數(shù)化模型庫組成受感部參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，最終完成受感部參數(shù)化設(shè)計，提高受感部的設(shè)計效率。

1 受感部參數(shù)化建模

受感部各零部件的尺寸和裝配關(guān)系均可用尺寸參數(shù)表示，且若干尺寸參數(shù)之間存在相互約束的關(guān)系。參數(shù)化建模流程，如圖1 所示。首先分析受感部的結(jié)構(gòu)特征，提取尺寸參數(shù)，其次關(guān)聯(lián)尺寸之間構(gòu)建表達式，以控制尺寸之間的約束關(guān)系，實現(xiàn)相同特征、不同尺寸受感部的參數(shù)化表達，再次采用NX 表達式建模法建立參數(shù)化模型，最后建立模型數(shù)據(jù)庫管理歷史模型，提高模型重用率，縮短受感部結(jié)構(gòu)設(shè)計時間。

圖1 受感部參數(shù)化建模流程

1.1 受感部結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)化

1.1.1 滯止罩和安裝座結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)化

滯止罩與安裝座（含墊片）結(jié)構(gòu)和尺寸特征如圖2所示。滯止罩結(jié)構(gòu)分為測試段輪廓與安裝段輪廓兩大部分。圖2（a）中滯止罩為單測點帶臺階形式。由于某些結(jié)構(gòu)的滯止罩不存在安裝臺階，可通過表達式控制L5和D5，以便根據(jù)實際需求刪除或保留特征尺寸。安裝座主要結(jié)構(gòu)包括螺栓安裝板、支桿安裝孔和塞塊基本體。因為墊片與安裝座配套使用，所以在尺寸參數(shù)化時需要同時考慮兩個部件之間的尺寸，并在NX中采用裝配的形式制作參數(shù)化模型。

圖2 滯止罩、安裝座的結(jié)構(gòu)和尺寸特征

1.1.2 支桿結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)化

支桿結(jié)構(gòu)和需要提取的尺寸特征如圖3 所示。支桿結(jié)構(gòu)分為焊接板、安裝段外輪廓、變截面段外輪廓（需與安裝座塞塊尺寸相互配合）、引線操作空間和滯止罩安裝孔5 部分。由于需根據(jù)流道尺寸調(diào)整支桿長度，需要在模型中增加調(diào)整性尺寸，包括流道內(nèi)徑Rin、流道外徑R0、安裝座軸線與機匣徑向夾角α3、氣流俯仰角α2、變截面起始基準面偏移量以及變截面底部基準面（支桿頂端）偏移量。

圖3 支桿結(jié)構(gòu)及參數(shù)化尺寸

受感部安裝位置的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。由于支桿的滯止罩安裝孔位置受測點數(shù)量、安裝座軸線與機匣徑向夾角、流道尺寸的影響，需要通過表達式控制支桿上的孔位。

圖4 受感部安裝位置結(jié)構(gòu)

根據(jù)測點按等環(huán)面分布可得

式中：N為受感部上的測點總數(shù)；n為測點號，沿流道由內(nèi)徑向外徑方向遞增；Rn為第n個測點的流道半徑位置。

式中：Pn為第n個測點距離流道外表面參考面的距離；Rn-1為第n-1 個測點的流道半徑位置。

為了保證測點數(shù)量滿足要求，預(yù)先建立20 個安裝孔特征所需的孔位關(guān)系函數(shù)。由于測點總數(shù)不同，需要調(diào)用的公式也不同，在NX 中通過if else 語句調(diào)用公式。以第3 個孔位距離流道基準面距離為例，其控制表達式為

GR_Point3=if(3

(3=GR_N_Point)then(GR_R0/cos(GR_Ang_Base))-(GR_R2+GR_R20)/(2*cos(GR_Ang_Base))

else((GR_R0-GR_RN)/(2*cos(GR_Ang_Base)))//第3 孔位與流道基準面距離

GR_R3=if(3

GR_R2=if(2

GR_R20=if(20

在NX 表達式中：GR_R0 為流道外徑R0；GR_RN為流道內(nèi)徑Rin；GR_Ang_Flow 為氣流俯仰角α2；GR_Ang_Base 為安裝座軸線與機匣徑向夾角α3；GR_N_Point 為測點數(shù)量N；GR_point3 為第3 個測點距離流道基準面距離Pn；GR_R2、GR_R3、GR_R20分別為Rn2、Rn3、Rn20。

若所需測點數(shù)小于20，多余的開孔特征需要被抑制，因此要對每個安裝孔特征設(shè)置控制表達式。以第4 個安裝孔為例，其控制表達式為if(4<=GR_N_Point)then(1)else(0)。

1.1.3 受感部裝配參數(shù)化

受感部裝配的控制參數(shù)只與滯止罩數(shù)量和安裝位置有關(guān)，相關(guān)參數(shù)為測點數(shù)量、流道內(nèi)徑和流道外徑[5-6]。裝配過程中，滯止罩的裝配位置與支桿孔位相同，因此裝配位置參數(shù)可借用1.1.2 節(jié)支桿孔位參數(shù)，不再詳述。

1.2 受感部參數(shù)化模型模板庫

將參數(shù)化尺寸輸入NX 表達式管理器進行管理，然后在產(chǎn)品模板工作室（Product Template Studio，PTS）模塊下，通過調(diào)用管理器中的表達式建立受感部零組件和裝配的參數(shù)化模型。生成的模型可以通過NX CAE 進行前處理，包括劃分網(wǎng)格、設(shè)置材料屬性、施加邊界條件和載荷等[7-9]。NX CAE 模型將會與計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）模型自動產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。當模型局部結(jié)構(gòu)改變時，網(wǎng)格自動重新劃分，邊界條件和載荷施加方向會隨著結(jié)構(gòu)變化重新生成，從而簡化有限元前處理過程。

為了便于模型的設(shè)計和重用，根據(jù)受感部的安裝位置、結(jié)構(gòu)特征等信息，建立多種受感部零組件參數(shù)化模型作為模板，然后在Teamcenter 中建立受感部參數(shù)化模型庫和零部件模型庫，進行模板的分類管理，如圖5 所示。

2 受感部參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)

基于C#語言開發(fā)受感部參數(shù)化設(shè)計功能集成模塊，并嵌入NX。模塊界面和部分源代碼如圖6 和圖7所示。

圖6 受感部參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)界面

圖7 模塊部分源代碼

該模塊在Teamcenter 集成環(huán)境下通過NX 運行，可以實現(xiàn)的功能如下。首先，在Teamcenter 集成環(huán)境下，通過總成檢索工具按照相關(guān)屬性過濾條件在參數(shù)化模型庫中快速檢索符合的受感部模板或歷史數(shù)據(jù)，包括關(guān)聯(lián)的計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）仿真數(shù)據(jù)。其次，通過克隆工具對檢索出的受感部模板進行克隆，快速生成新的受感部。再次，基于受感部模板的用戶界面（User Interface，UI）參數(shù)化完成受感部的參數(shù)調(diào)整，并通過屬性填寫工具賦予相關(guān)屬性映射到Teamcenter。最后，通過CAD 數(shù)據(jù)檢索到CAE 數(shù)據(jù)，切換到仿真環(huán)境進行仿真分析。分析完成后，通過CAE 分析報告工具快速生成報告。

3 受感部參數(shù)化設(shè)計

3.1 設(shè)計流程

基于參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)建的受感部參數(shù)化設(shè)計流程，如圖8 所示。該流程可通過4 個節(jié)點降低受感部設(shè)計周期。

圖8 受感部參數(shù)化設(shè)計流程

第一，模型檢索。通過總成檢索、CAE 數(shù)據(jù)檢索和模型克隆工具，根據(jù)使用條件快速完成參數(shù)化模型加載[10]。

第二，模型修改。通過受感部模板的UI 參數(shù)化界面和受感部屬性填寫工具，可以快速完成模型尺寸、材料屬性的更改[11]。

第三，CAE 前處理。前處理階段只需根據(jù)受感部使用環(huán)境更改材料強度屬性、載荷大小等，根據(jù)CAD 模型的變化更新模型網(wǎng)格、邊界條件等。

第四，仿真報告生成。基于仿真報告生成工具，在有限元后處理階段生成仿真報告，無須單獨編寫仿真報告[12]。

3.2 應(yīng)用實例

以某型號發(fā)動機中的一件受感部設(shè)計為例進行參數(shù)化設(shè)計說明。

第一，模型檢索加載。根據(jù)受感部安裝位置和測點類型（溫度或壓力）等相關(guān)信息，在參數(shù)化設(shè)計工具中通過“總成檢索”功能完成參數(shù)化CAD 模型的檢索和加載，然后采用“CAE 數(shù)據(jù)檢索功能”加載對應(yīng)的CAE 模型，如圖9 所示。本例中加載了某件總溫總壓復(fù)合受感部的參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型及其CAE文件。

圖9 受感部參數(shù)化CAD 和CAE 模型檢索和加載界面

第二，模型屬性和尺寸更改。根據(jù)安裝接口、流道尺寸、測點數(shù)量需求，在UI 參數(shù)化界面和受感部屬性填寫界面完成對模型尺寸和材料的更改。檢索和屬性更改界面如圖10 所示。本例由于受感部所受最高溫度為200 ℃，根據(jù)使用經(jīng)驗選擇GH3044 材料，墊片選擇T2 等。

圖10 受感部參數(shù)化模型尺寸和屬性更改界面

第三，進行CAE 計算。進入NX CAE 模塊，無須進行前處理，直接進行仿真計算，最終獲得應(yīng)力云圖。通過“CAE 分析報告生成”工具生成仿真報告，如圖11 所示?？梢钥闯觯畲驧ises 應(yīng)力為219 MPa。在最高使用溫度下GH3044 材料屈服強度為372.84 MPa，安全系數(shù)大于1.5，因此滿足強度需求。

圖11 仿真結(jié)果和仿真報告

第四，若需要降低應(yīng)力水平，可以重復(fù)進行第1 ～3 步，即重新切換到NX CAD 界面進行受感部尺寸更改和材料替換，然后進行有限元仿真、后處理和仿真報告生成，最終完成受感部的設(shè)計。

4 結(jié)語

首先，通過分析受感部結(jié)構(gòu)特征，將受感部尺寸進行參數(shù)化表達?；贜X 產(chǎn)品模板工作室的表達式建模方法建立受感部參數(shù)化模型，并在Teamcenter 中構(gòu)建受感部參數(shù)化模型庫，對受感部和零組件參數(shù)化模型進行分類管理，提高模型的重用效率。其次，基于C#語言開發(fā)功能集成模塊，實現(xiàn)模型檢索、模型克隆、受感部屬性填寫、CAE 數(shù)據(jù)檢索和CAE 分析報告生成等功能集成。最后，基于Teamcenter 集成環(huán)境，結(jié)合參數(shù)化模型庫、功能集成模塊構(gòu)建受感部參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，并提出受感部參數(shù)化設(shè)計流程，最終縮短了受感部設(shè)計周期，提高了設(shè)計效率。