Abaqus在航空發(fā)動機中的應(yīng)用

2016-12-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

發(fā)動機是飛行器的心臟,它每個部件的性能、強度、結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣好壞對于飛行器而言都是很重要的,因此對發(fā)動機大多數(shù)零部件進(jìn)行有限元分析是非常必要的。

軸系

軸系在工作中承受的主要載荷有:

扭矩
軸向載荷
慣性載荷
不平衡彎曲載荷

主要涉及彈塑性、靜動力分析、疲勞分析和優(yōu)化設(shè)計等有限元分析類型。

Abaqus具有多種塑性和蠕變本構(gòu)模型,從而方便準(zhǔn)確地進(jìn)行軸系的熱彈塑性計算。

Abaqus模態(tài)分析功能可以方便地同時計算出軸系預(yù)應(yīng)力下的模態(tài)及自振頻率,通過頻率優(yōu)化進(jìn)行錯頻,可以避免軸系發(fā)生共振現(xiàn)象。

Fe-safe疲勞分析能方便地輸入如載荷譜等復(fù)雜的載荷邊界條件,允許各種方式的載荷組合,含有多種疲勞損傷模型,提供了豐富的材料庫,并允許用戶方便地擴充和修改,完全能滿足軸系疲勞計算的要求。

主軸產(chǎn)生疲勞斷裂的部位,常在局部高應(yīng)力區(qū),如臺肩、圓角、齒槽、螺紋和小孔附近,是故障常見區(qū)域,進(jìn)行疲勞強度分析對主軸的設(shè)計有重要意義,Abaqus對此提供了全面的分析工具。

盤系

盤系承受的主要載荷有:

旋轉(zhuǎn)引起的離心載荷和葉片對它施加的徑向載荷
溫度場引起的熱載荷(尤其對渦輪盤)
機動載荷
氣動載荷

Abaqus的彈塑性、粘塑性分析可以進(jìn)行盤系的靜力計算和模態(tài)計算和動力響應(yīng)計算等;Abaqus/Explicit提供了顯式求解器,它可有效地完成瞬態(tài)動力分析。

渦輪盤處在高溫、高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷的工作環(huán)境,蠕變計算變得非常重要,尤其是當(dāng)盤的局部進(jìn)入塑性時,蠕變疲勞交互作用對渦輪盤的壽命具有很大的影響。Abaqus軟件提供了顯示、隱式蠕變模型,用戶還可以通過用戶子程序建立自己的蠕變本構(gòu)模型。

除無約束、無阻尼模態(tài)分析外,Abaqus還提供了預(yù)應(yīng)力模態(tài)和復(fù)模態(tài)(有阻尼)分析的功能,可深入地研究盤系、軸系的動力特性。針對渦輪盤結(jié)構(gòu)形式具有周期對稱的特點,Abaqus還提供了循環(huán)對稱模態(tài)分析功能,只需取一個扇區(qū)進(jìn)行計算,后處理中可方便地得到整個渦輪盤的振型,并繪制出振型圖,而且不需要對沉面的節(jié)點匹配。

Abaqus斷裂力學(xué)分析,可以進(jìn)行裂紋區(qū)域的模擬和計算斷裂參數(shù),裂紋區(qū)域的模擬包括2D和3D斷裂模型,可以計算的斷裂參數(shù)有應(yīng)力強度因子、J積分和能量釋放率等。可以協(xié)助完成對盤系的損傷容限分析。

對于某些帶有很小冷卻孔的盤或葉片,在進(jìn)行盤、葉片或盤葉整體計算分析時,由于規(guī)模比較大,在Abaqus軟件中可以進(jìn)行子模型結(jié)構(gòu)分析,先進(jìn)行整體“粗網(wǎng)格計算”,然后根據(jù)粗網(wǎng)格計算結(jié)果選出關(guān)心的部位。再建立關(guān)心部位的局部模型,對局部模型進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分,通過整體模型得到局部模型邊界條件,進(jìn)行局部模型的求解。Abaqus的子模型分析功能可自動從整體計算結(jié)果中取出細(xì)分區(qū)域邊界上的位移結(jié)果,并自動插值施加在子區(qū)模型的邊界上。

對帶有冷卻孔的盤,冷卻分析也十分重要。利用Abaqus分析可以得到它的溫度場情況。

葉片

葉片在發(fā)動機里,是最重要的部件,它的受力在發(fā)動機的零部件里是最惡劣的。承受的主要載荷有:

旋轉(zhuǎn)引起的離心載荷
熱載荷
隨機載荷
氣動力
交變力

在新型的發(fā)動機里,單晶材料和定向結(jié)晶材料等新型材料已廣泛地應(yīng)用于渦輪葉片上,Abaqus可以計算上述各向異性材料,并且可以考慮材料主軸與總體坐標(biāo)不一致的情況。

Abaqus/Standard的結(jié)構(gòu)動力分析可以進(jìn)行葉片的模態(tài)計算和動力響應(yīng)計算等。

Abaqus/Explicit提供了顯式求解器,它可以使用戶有效地完成動態(tài)分析,模擬發(fā)動機吸入飛鳥和異物時,對葉片撞擊分析。

在進(jìn)行葉片蠕變計算時,Abaqus可以同時考慮材料的各向異性。

對于葉片而言,熱疲勞是非常關(guān)鍵的,Abaqus可以輸入隨時間變化的溫度載荷和離心力,使常規(guī)疲勞和熱疲勞的計算變得容易和準(zhǔn)確。

對于渦輪葉片榫頭,要準(zhǔn)確地計算葉片榫頭的應(yīng)力場,就必須考慮葉片榫頭與盤榫齒的接觸。Abaqus強大的接觸計算能力支持點-點、點-面、面-面接觸,并且有多種摩擦模型可供選擇。接觸收斂問題是困繞計算分析人員的一大難題,Abaqus默認(rèn)的接觸參數(shù)設(shè)置,可以讓分析人員通過最小的干預(yù),得到計算結(jié)果。

發(fā)動機機匣

發(fā)動機靜子和機匣承受的主要載荷有:

氣動載荷
溫度載荷
地面吊運載荷
隨機振動

Abaqus的彈塑性分析可以解決限制載荷、極限壓力、疲勞和變形等問題,蠕變分析功能可以準(zhǔn)確地進(jìn)行發(fā)動機機匣蠕變計算分析。

轉(zhuǎn)子包容性設(shè)計是機匣設(shè)計當(dāng)中重要的一環(huán)。Abaqus/Explicit顯式動力求解功能可有效地進(jìn)行包容性分析,模擬發(fā)動機吸入飛鳥等各類異物時,異物與葉片的撞擊、葉片的破碎及對機匣的撞擊。

Abaqus的動力分析可以準(zhǔn)確的進(jìn)行模態(tài)分析和動力學(xué)響應(yīng)分析,通過計算結(jié)果可以對機匣進(jìn)行剛度優(yōu)化設(shè)計。

燃燒室/加力燃燒室/推進(jìn)劑

燃燒室和加力燃燒室是發(fā)動機部件中溫度環(huán)境最高的,承受的主要載荷有:

氣動載荷
溫度載荷
質(zhì)量慣性力

Abaqus的結(jié)構(gòu)分析能解決燃燒室和加力燃燒室設(shè)計中遇到的下列問題:

彈塑性
熱力分析(2000K左右的高溫環(huán)境)
疲勞蠕變交互作用
優(yōu)化設(shè)計

燃燒室和火焰筒等高溫部件的熱設(shè)計對保證其正常工作是至關(guān)重要的,另外還有熱應(yīng)力、熱疲勞、靜力等分析內(nèi)容,Abaqus產(chǎn)品系列可對其進(jìn)行全面的計算分析。

發(fā)動機鳥撞分析

據(jù)概略統(tǒng)計,全球每年大約發(fā)生1萬次鳥撞飛機事件,國際航空聯(lián)合會已把鳥害升級為“A”類航空災(zāi)難。鳥撞對航空器尤其是發(fā)動機的破壞是災(zāi)難性的:一只0.45千克重的飛鳥與時速500公里的飛機相撞時,沖擊力為8000多公斤,足以使發(fā)動機葉片或外罩等嚴(yán)重變形或斷裂,造成災(zāi)難性后果。因此,航空發(fā)動機的抗鳥撞性能一直是設(shè)計者追求的目標(biāo),現(xiàn)代發(fā)動機研制時都要進(jìn)行鳥撞物理試驗,從最初的每只0.8公斤的單鳥撞擊到現(xiàn)在的每只3.6公斤的多鳥撞擊試驗,通常要求發(fā)動機在鳥撞后仍保持足夠的推力和能夠繼續(xù)飛行約20分鐘。對于現(xiàn)代設(shè)計來說,由于鳥撞物理試驗費用昂貴、周期長、難以提供足夠的信息,因而通常都只是驗證性的試驗,在研究過程中,利用計算機進(jìn)行有限元仿真模擬的技術(shù)得到廣泛的采用,并成為主要的研究手段。

由于極高的撞擊速度,此過程中飛鳥肌體將發(fā)生流動變形和解體而四處拋灑,發(fā)動機結(jié)構(gòu)亦將產(chǎn)生大變形,甚至發(fā)生破壞,例如發(fā)動機風(fēng)扇葉片斷裂等

發(fā)動機一般是在運行過程中收到鳥類的沖擊,運行過程中本身就會使得葉片產(chǎn)生離心力,對于離心力分析,不能直接采用顯示分析,必須使用隱式分析。但是在撞擊的過程是一個非常短暫的過程,必須使用顯式分析。Abaqus既提供顯式求解器,也提供了隱式求解器,這樣為發(fā)動機的撞擊提供了非常好的平臺。目前在世界范圍內(nèi),對發(fā)動機鳥撞進(jìn)行分析仿真中,Abaqus得到了廣泛采用。

Abaqus在航空發(fā)動機中的應(yīng)用abaqus有限元圖片1