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当前位置:中仿 » 公司产品 » 虚拟仿真 »仿真平台 航空发动机设计仿真平台

    发动机是飞行器的心脏,其性能对飞行器的发展有着至关重要的影响。传统的发动机总体设计,主要通过对原准机的研究和改进,并在详细设计中对各种部件性能试验和地面台架试车、高空模拟试验、飞行试验等整机试验来预测其性能,研制周期较长。 

    随着飞行器研制速度加快,传统设计模式已不能满足快速设计验证的要求。伴随着科学技术的进步,航空航天和空间技术有了飞跃的发展,在这些飞跃的发展技术中主要的技术就是CAE技术。航空工业可以说是CAE技术发展的摇篮,各种CAE技术正是在以航空工业为主的实际工业应用的推动下在不到半个世纪时间里迅猛发展起来的。

    20世纪90年代以来,在西方航空发达国家引发了一场设计技术的“革命”,初步实现了从“传统设计”向依靠计算机数学模型优化计算和虚拟现实仿真“预测设计”的转变,将“基于物理样机试验的传统设计方法”带入了“基于虚拟样机仿真的现代设计方法”中, 从而大大减少了试验工作量,提高了设计的成功率,既节约了经费,又缩短了研制周期,提高了企业竞争力。

    目前国际知名企业的航空发动机研制周期从过去的10~15年缩短到6~8年甚至4~5年,试验机也从过去的40~50台减少到10台左右。在发达国家的航空企业里CAE已经作为产品研发设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施,在生产实践作为必备工具普遍应用。

 

解决方案

 

图 1:航空发动机仿真流程

 

  • 限制了机械和空气动力学后,引擎的流道很大程度上是由热力循环决定的
  • 收集引擎热力循环数据
  • 通过引擎的热力循环数据,确定引擎的参数化结构,包括:

         ——指定出入口的马赫数来确定出入口区域

        ——入口中心/尖端半径比确定入口通道高度

        ——指定固定的中心、平均数或半径来设定出口通道的高度

        ——假设一样的分级加载来确定分级数

        ——假设转子和静子的纵横比是线性变化的来设定弦长和压缩机长度

         ——指定硬度来确定每排叶片的叶片数量

         ——计算每个叶片、内外套管以及盘的重量等

  • 压缩器约束分析

         ——确定边界约束

         ——计算流量角()分布和每个约束轴的转速()

         ——确定一个可行的和设计集合,选择一个设计点

         ——计算中心/顶端、分级加载、流量系数

  • 涡扇约束分析

         ——确定边界约束

         ——计算平均半径的分布(Rm)和每个约束的轴转速(ω)

         ——确定一个可行的Rm和设计集合,选择一个设计点

         ——计算分级加载、流量系数

  • 建立引擎各个部件的三维几何模型
  • 设置网格尺寸以及入口流的条件和迭代参数等
  1. 轴系仿真分析:应用该设计仿真平台对发动机的轴系进行包括弹塑性、静动力分析、疲劳分析和优化设计等有限元分析类型,计算仿真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

  1. 盘系仿真分析:应用该设计仿真平台对发动机的盘系进行设计仿真,计算仿真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

  1. 叶片仿真分析:应用该设计仿真平台对发动机的叶片进行设计仿真,叶片在发动机里,作为最重要的部件,它的受力在发动机的零部件里是最恶劣的。计算仿真叶片承受的主要载荷有:

-  旋转引起的离心载荷

-  热载荷

-  随机载荷

-  气动力

-  交变力

  1. 发动机机匣仿真分析:应用该设计仿真平台对发动机机匣进行设计仿真,计算仿真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

  1. 燃烧室仿真分析:应用该设计仿真平台对发动机的燃烧室/加力燃烧室/推进剂进行设计仿真,燃烧室和加力燃烧室是发动机部件中温度环境最高的,计算仿真其承受的主要载荷有:

-  气动载荷

-  温度载荷

-  质量惯性力

  1. 发动机鸟撞分析: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,应用该设计仿真平台对离心力分析,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。

-  喷气发动机叶片剥离模拟

-  非线性材料本构

-  强健的接触算法

-  通用接触

-  并行运算来减小分析时间

某研究所采用航空发动机设计仿真平台研究某航空发动机

某研究所位于某市经济技术开发区,与众多知名高新企业、重点高校毗邻,工作生活环境好。本单位长期从事中国航空附件科研工作。主要从事机载机电液压综合控制系统的研究,专业研究领域涵盖:飞机机电控制与管理系统、飞机液压操纵系统、飞机燃油控制系统、飞机环境控制系统、飞机电源传动系统、飞机第二动力系统等领域。该研究所使用了航空发动机设计仿真平台对某涡扇发动机进行计算仿真,较好的完成了各种性能参数的仿真数据计算收集,并与试验平台的数据进行了对比分析。帮助公司在此发动机的设计研制过程中降低了时间成本,也减少了试验费用,并且取得了令人满意的产品性能效果。

图 为:平台对航空发动机进行几何建模

图 为:平台对航空发动机进行网格划分