航空发动机转子动力学计算软件开发.pdf

信息技术于磊等航空发动机转子动力学计算软件开发第一作者简介:于磊()男辽宁朝阳人硕士研究生研究方向为转子动力学.:./.航空发动机转子动力学计算软件开发于磊钟易成李丽(南京航空航天大学 能源与动力学院江苏 南京)摘 要:为打破国外技术封锁摆脱对 等闭源计算平台的依赖采用 语言开发航空发动机转子动力学计算软件 基于一维梁单元模型和二维轴对称等参单元模型实现多种动力学特性求解功能具有良好的前后处理可视化交互界面 利用 转子模型将自研软件的计算结果与商业软件进行对比 结果表明:其误差较小验证了软件的正确性与实用性关键词:航空发动机转子动力学有限元软件开发中图分类号:.文献标志码:文章编号:()():.:引言转子系统是航空发动机的核心部件其高速旋转带来的振动问题一直是制约航空发动机可靠性和寿命的重要问题之一 转子动力学主要关注旋转机械及其支承系统的平衡、振动与稳定性问题 对于航空发动机来说需要避免工作转速范围内存在临界转速并且要留有一定的裕度(一般要在 左右)防止发动机在临界转速附近产生共振同时尽量消除加工及装配误差带来的影响故需要对转子系统的动力学特性进行细致的分析和精心的设计航空发动机的转子动力学特性研究主要有试验和数值模拟等方法其中数值模拟研究的平台大多采用国外成熟的工业 软件如、等 由于前期技术积累和重视程度不足及用户范围小等原因我国工业软件长期被国外垄断处于被“卡脖子”的状态 近年来随着重视程度的提高越来越多的研究人员开始投身于工业软件国产化研究中 国内方面针对转子动力学特性的研究大多采用国外商业软件或针对某些具体问题编写基于 等第三方平台的数值计算程序 独立研发转子动力学软件的团队较少 近年来国外对我国部分学校机构的 等工业软件进行了技术封锁限制了部分软件的使用 因此摆脱第三方闭源平台开发独立可视化的转子动力学有限元软件的需求越来越强烈 系统架构.转子动力学有限元动力学方程转子动力学有限元方法的实质是采用离散方法求解转子系统的动力学方程其一般形式如下:()()()式中:为系统惯性矩阵 为系统阻尼矩阵 为系统刚度矩阵 为外力矩阵 为系统位移向量 对于典型转子系统来说上式中的系数项可以根据转子部件和振动因素分解为()式中:下标“”代表转动部件下标“”代表转子支承为阻尼引起的附加刚度矩阵 为陀螺矩阵 为转速.总体框架与主界面根据转子系统动力学有限元方程求解需求构建软件总体框架 软件总体分为 界面、前处理模块、后处理模块和求解器模块等 大模块组成由 整合各个模块的内容 软件整体框架如图 所示信息技术于磊等航空发动机转子动力学计算软件开发*4#2U75,)#0QFOCMBTSQBDL&JHFO4VQFS-V*DEBDDEA=,64343=*4#2U75,)!?3-K3=4!?)3/!?4!?UDDU4!?UDDU4!?4E33=4.D8图 软件整体框架 转子动力学软件主界面如图 所示 主界面分为 个功能部分采用 派生类嵌套分割生成 图形每个部分包含其对应的管理类实现该部分的对应功能 用户可以拖动 改变所选择区域的位置图 转子动力学软件主界面.求解器架构软件求解器主要分为两大功能的实现分别是一维转子系统计算与二维转子系统 在整体架构上两种求解都含有相似的架构即读取模型数据、模型单元矩阵计算、转子系统模型组装及整体矩阵计算、动力学方程求解、后处理操作 求解器整体流程图如图 所示A-DJA*L.3=D3D!?!?33图 转子动力学求解流程对于一维模型系统模型组件主要包括节点、轴段、集中质量盘、支承等 各个组件通过节点编号实现模型装配进而将各个组件的单元矩阵组装成系统的整体矩阵一维模型组件定义、属性及关联关系、拓扑关系如图 所示7%D,LL555D4PDDD1 ID.K2D4BF,DFDF55;KE+3AU+317%3.E07%3=F=F=F3/.E+37%/.3=F3A2图 模型装配流程图二维模型网格的创建可以采用自定义网格划分的形式也可以导入 生成的.格式的网格 由于采用轴对称等参单元本文的网格体系以几何模型剖面的一半尺寸设计 自定义网格划分需要选择网格单元类型(包括 节点四边形单元和 节点四边形单元)输入网格单元尺度(设置最小网格单元的大小)然后分四步进行网格划分)基于几何模型将其划分为多个四边形块)根据每个四边形块的 向、向长度以及网格单元尺度计算 向、向的网格节点数量)根据该节点数量对该四边形块进行网格划分并对所有的节点及单元进行编号建立拓扑关系)对块与块之间的共用节点进行去重形成整体网格 网格生成如图 所示图 网格生成.后处理界面计算后处理显示功能包括临界转速表与坎贝尔图、振型后处理、轴心轨迹图、谐响应、不平衡响应、应变能等图形显示功能主要包括二维曲线图、三维曲线图、模型渲染图、柱状图等 曲线图和柱状图主要采用 中的 实现如图 所示图 二维曲线图与柱状图振型的计算结果可以采用三维曲线和三维渲染模型显示如图 所示 其中三维渲染图使用 类以计算出振型曲线作为中心线设置振型曲线不同位置的半径拉伸出圆柱体 针对空心轴需要根据内径与外径生成两根轴然后对两根轴进行布尔运算获取到最终的空心轴实现三维模型重构(a)43(b)4#图 振型图 算例验证.一维模型计算结果验证采用文献论文中的算例验证转子动力学软件 单转子系统计算准确性 转子系统模型材料为钢其密度为 /弹性模量为泊松比为.和自研软件建立的模型图形如图 所示 模型分为 个信息技术于磊等航空发动机转子动力学计算软件开发节点 其中第 个节点上含有一集中质量盘 该盘的质量为.直径转动惯量为.极转动惯量为.在第 节点和第 节点装有支承轴承两个轴承的 和 刚度都为./B/4:4C74D图 算例模型图形文献中 转子的前三阶临界转速计算结果如表 所示自编软件与 计算结果的最大误差为.小于 最大误差在三阶正进动的位置 二阶反进动的误差最小误差为.表 一维模型临界转速条件临界转速/(/)自编软件误差/一阶反 .一阶正 .二阶反 .二阶正 .三阶反 .三阶正 .图 为 和自编软件获得的 图 由图可知转子的正反进动特性基本一致 自编软件计算结果与 结果非常相近这说明自编软件计算结果满足工程计算精度要求(a)ANSYS1 7001 3601 0206803400FW stableFW stableFW stableFW stableBW stableBW stableBW stableBW stableBW stable10F=1x spinSpin velocity/(rad/s)41.887159.173276.459511.031628.317745.603862.889980.1751 097.4611 214.749393.745(b)851 7001 3601 02068034002 0004 0006 0008 00010 000/(rad/s)/Hz12 000图 软件与自编软件的 图一阶正进动临界转速下对应的振型如表 所示 自编软件采用 图形渲染的方式与 计算结果进行对比 自编软件图形中的方框为转子未变形时的图形边界 由表 可以看出转子在前三阶正进动转速下表现均为弯曲振型自编软件的振型与 的计算结果弯曲趋势基本一致表 一维系统振型图振型自编软件一阶正进动二阶正进动三阶正进动.二维模型计算结果验证二维算例转子系统模型与一维一致其对称面网格如图所示 为排除网格对计算结果的影响 自编软件采用 生成的网格进行计算保证对比计算的网格一致x图 转子二维网格模型二维模型前三阶临界转速计算结果如表 所示对比 的 单元计算结果与自编软件的结果可以看出自编软件计算出的临界转速比 计算得到的较小最大误差在第三阶正进动位置相对误差为.最小误差位于二阶正进动位置误差为.表 二维模型临界转速条件临界转速/(/)自编软件误差/一阶反 .一阶正 .二阶反 .二阶正 .三阶反 .三阶正 .(下转第 页)信息技术吴不鸣等航天液体火箭液氢泵叶片积叠线空化性能优化仿真研究 结语本文运用数值模拟方法进行了液氢涡轮泵的仿真探究了叶片前缘积叠线构型在不同流量工况下对离心轮性能的影响得到了以下结论)未考虑空化时标准与小流量工况的压头分别较大流量工况增大 及 而效率则减小了 及 较低的流量会导致更严峻的工作条件)压头和效率在大流量工况下随积叠线倾斜度上升而在小流量工况下则随之下降 对积叠线的倾斜调整能使冲角沿叶高减小改善小流量工况下的空化性能)标准流量下倾斜角 的取值在 时该泵体具有较好的抑制空化能力 此时冲角在叶根与叶尖较小最高可使空泡体积减小.但继续增大 则会促使空化发生参考文献:朱一骁王申白雪蕊.国内高校重点实验室火箭发动机发展现状.机械制造与自动化():.季斌程怀玉黄彪等.空化水动力学非定常特性研究进展及展望.力学进展():.陈尧.基于 的低比转速离心泵叶轮多目标优化设计与实验.杭州:浙江大学.项乐陈晖谭永华等.液体火箭发动机诱导轮空化热力学效应研究.推进技术():.():.:.():.:.张亚太陈晖项乐等.基于正交优化设计的诱导轮空化性能研究.推进技术():.收稿日期:(上接第 页)计算出的坎贝尔图与自编软件计算出的坎贝尔图如图 所示 可以看出坎贝尔图的正负进动计算结果一致(a)ANSYS2 0691 655.21 241.4827.6413.800222.222444.444111.111333.333555.555666.666777.777888.8881 000FW stableFW stableFW stableFW stableBW stableBW stableBW stableBW stable102F=1x spinSpin velocity(r/min)(b)74SNJO2 5002 0001 5001 0005000012345678910 104图 软件与自编软件计算出的二维模型的 图 结语本文基于一维梁单元和二维轴对称单元构建了转子系统的有限元求解平台并验证了其计算的正确性)构建了转子系统的动力学模型实现了临界转速、振型等动力学特性的求解 并通过与 软件计算结果对比验证了固有特性的正确性 自编软件计算出的 转子一维转子系统前三阶临界转速误差在.以内二维转子系统前三阶临界转速误差在.以内)基于 框架实现了较为完善的软件前处理功能 构建了材料属性定义模块 完成了模型组件的建模、拾取、装配等功能开发 针对二维模型实现了网格划分、网格读取等功能)实现了较为强大的后处理功能 针对后处理需求实现了曲线图、柱状图、渲染图等多种后处理功能开发 后处理模块结果显示直观清晰显示效果美观参考文献:廖明夫.航空发动机转子动力学.西安:西北工业大学出版社.:.:.于晓凯徐俊谢鹏飞等.基于 和 的某滚动轴承转子系统固有频率分析.智能制造():.周建君许俊海范青山等.二次开发在自冲铆接模拟中的研 究 .机械 制 造 与 自 动 化 ():.申超群高静.基于 的 断面图像三维重建系统构建.计算机仿真():.():.收稿日期: