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發動機大型復雜組合結構的靜動態設計CAD系統的應用

發布日期:2017-11-18 來源: 本網 查看次數: 2219 

核心提示:  發動機大型復雜組合結構的靜動態設計CAD系統的應用蘇鐵熊,楊世文,崔志琴,李小雷,張保成(華北工學院機械電子工程系,太原030051)發動機復雜組合結構靜、動態設計系統,可以解決發動機設計中的決策和可靠性問題。應用該系統可提高工程設計質量,并縮短研制過程。  FiniteElementAnalysis;Engine:總體設計;結構可靠性;動態設計;CAD;有限元分析;發動機:TK402;文猷:

  發動機大型復雜組合結構的靜動態設計CAD系統的應用蘇鐵熊,楊世文,崔志琴,李小雷,張保成(華北工學院機械電子工程系,太原030051)發動機復雜組合結構靜、動態設計系統,可以解決發動機設計中的決策和可靠性問題。應用該系統可提高工程設計質量,并縮短研制過程。

  FiniteElementAnalysis;Engine:總體設計;結構可靠性;動態設計;CAD;有限元分析;發動機:TK402;文猷:A 1概述自七十年代以來,美國、英國、日本等發達國家在發動機工業中廣泛使用CAD技術,我國從八十年代開始進行發動機CAD軟件開發及應用的研究工作。“八五”和“九五”期間,由兵器第七零研究所牽頭,開展了“軍用發動機CAD應用研究”項目的研制工作。

  的計算機輔助設計工作,尤其是針對組合結構的靜態和動態剛、強度問題,較全面地探索了簡化原則、模型規模、單元類型、邊界條件、加載措施、后處理以及相應的。

  軟件各子系統關系CAD系統功能和應用本系統的功能由5個子系統、15個模塊實現。

  3.1系統總控程序及人機界面子系統0結構化設計語言設計統一的總控程序和總控界面。程序的各子系統及各功能模塊由統一的總控程序進行控制。調用過程采用屏幕菜單選取或工具欄圖標點擊的方式進行選擇。為方便使用,每一菜單項和工具欄圖標都設計有在線提示和動態導引提示。

  在參數輸人過程中,對難于用簡潔語言描述清楚的數據項,一律以輔助示意圖的方式為使用提供幫助。示意圖根據當前參數項或命令項的不同,實時地進行相應地改變。

  3.2運動學/動力學分析子系統。

  0為集成開發工具,可用于對V型、直列116缸發動機進行曲柄連桿機構運動學分析、動力學分析、發動機內部載荷頻譜分析。各分析計算結果在以數據文件形式存貯的基礎上,以文本報告的形式展示文本列表,或以曲線圖形形式直觀展示結果歷程。文本報告和圖形報告都提供打印支持,以供完成報告等書面資料。

  3.3靜態設計子系統0為二次開發平臺,以VC++6.0和IDEAL語言為接口編程語言,可對缸蓋、缸墊、機體、缸套、曲軸、主軸瓦、螺栓及其組合結構進行實體模型建立和有限元模型建立。當以機體為主要研究對象時,根據計算允許的規模,其它構件可進行適當的簡化,機體則基本保持真實結構,從而可計算給出機體上重要部位的應力和變形值為了使機體有限元分析能盡量實現自動化,程序采用自動劃分單元的方法來構造有限元網格。同時,為了模擬缸蓋、曲軸、軸承蓋和缸套等關聯件對機體的接觸效應及其對機體有限元計算精度的影響,在有限元模型中建立了這些關聯件的相對簡化的模型,并組合成為一個整機的有限元模型。

  靜態設計子系統主要內容包括:實體建模、有限元網格剖分、施加邊界條件、求解、后處理、結果分析、結構修改、再分析。關鍵技術包括:實體模型的簡化原則、單元類型的選取原則、有限元網格粗細程度的確定原則、位移邊界條件的處理方法、載荷邊界條件的處理方法、求解結果正確與否的判斷標準、多種后處理結果相互關系的分析、結構改進意見的提出和依據等等。

  示出缸蓋、缸墊、缸套、曲軸、主軸承蓋、機體、螺栓等組合結構的實體模型;示出其組合結構的有限元模型。

  組合結構的有限元模型3.4動態設計子系統動態設計時,載荷隨時間變化。由于載荷是一個時間歷程,所以無論從方法上、規模上,還是從反映的問題上都和靜態設計不同。對零部件和組合結構進行動態設計,是以動態試驗為基礎,將理論分析、計算技術和試驗技術緊密結合,互相補充、相互驗證,才能解決工程實際問題M.該子系統主要包括三個部分:計算模態分析、試驗模態分析和動態結構優化設計。

  計算模態分析,是運用有限元法進行結構的動態特性計算,獲得結構的模態參數,并用對應的試驗模態分析結果加以修正,以獲得修正后的符合實際的有限元動力分析模型,為動態結構優化設計提供真實可靠的計算模型。

  試驗模態分析,是運用試驗模態分析理論和技術對己有零部件和組合結構進行全面的測試分析,獲得零部件和組合結構的動力特性,用以檢驗和修正有限元模型。

  動態結構優化設計,是通過計算、試驗的反復修正,得到反映實際特性的有限元模型后,考慮結構實際載荷,計算結構的實際響應,按照結構動態特性要求進行結構動力修改,達到結構優化設計的目的。

  關鍵技術包括:實體模型的簡化、單元類型的選取、有限元網格粗細程度的確定、實驗模型的處理、載荷邊界條件的處理、求解結果正確與否的判斷、靈敏度分析、結構改進意見的提出等。

  大型復雜結構的動態分析模型的建立及動態特性的計算,關鍵在于確定合理的簡化原則,控制動力學模型的規模以適應計算機硬件、軟件等資源的限制。在獲得了零部件的動態特性后,進行組合結構動態特性分析時,由于組合結構結合面之間非線性材料的存在,如缸蓋與機體之間的氣缸墊,曲軸與機體之間的油膜等。如何分析這些結合面對組合結構的動態特性的影響,是獲得反映組合結構實際動態特性的有限元模型的關鍵。在獲得了組合結構動態特性的有限元模型的基礎上進行結構優化設計,其動態優化模型的建立、動態設計規范的建立也是一個關鍵所在。

  組合結構的某階振型示出缸蓋、缸墊、缸套、曲軸、主軸承蓋、機體、螺栓等組合結構的某階振型。

  3.5其它子系統除了上述工程分析以外,本CAI)系統還開發了相應的輔助子系統或模塊。圖形處理模塊:該模塊在圖形處理系統的支持下進行靜、動態設計的各種圖形生成,主要包括:機體、缸蓋、曲軸等的三維實體造型、有限元網格、應力、位移、振型及組合結構的有關圖形;數據庫模塊:包括有限元分析和模態分析結果數據、組合結構有限元分析和模態分折的結果、與其它CAD系統的庫接口,分析評估模塊:根據對現有型號動力系統或新設計型號動力系統的分析結果,進行分析評估;技術文檔編輯模塊:該模塊進行技術資料、文件的編輯和輸出,主要包括計算表格、計算說明書、使用說明書、研究報告、4結論應用該CAD系統可進行新型發動機的開發設計,以及現有發動機的改進和提高。應用該CAD系統成功地完成了WR703、ZZ8V、YS150、BF6V150和LQ150等型號發動機的開發和研制工作。

  該系統的應用范圍還包括發動機動態特性的分析和評估,發動機的減振和降噪研究,原則上也可應用于艦船發動機和其它用途發動機的設計。

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