发动机数字化设计

发动机数字化设计徐让书2007年4月1本课程主要内容绪论发动机结构CAD三维实体建模UnigraphicsNX发动机结构强度的仿真计算有限单元法（FiniteElementMethod,FEM）MSC.Nastran发动机气动性能的仿真计算计算流体力学（ComputationalFluidDynamics,CFD）FLUENT发动机总体性能的仿真计算基于气体一维不定常流动理论的内燃机性能仿真GT-Power0绪论1-1发动机设计信息化的任务1-2发动机设计信息化基本方法和技术手段1-3发动机设计信息化在工程中应用现状和发展0绪论世界发动机行业在突破设计技术、材料科学技术和制造技术的同时，大力推进信息化技术，进一步加快了发动机产品的发展速度。发动机设计信息化的任务是在信息技术的支持下，实现发动机研制过程集成化，发动机设计信息化技术可以融合多年来积累的发动机设计宝贵经验，是实现技术继承和创新的数字化平台。发动机设计信息化技术可以大幅度缩短研制周期，降低研制成本，增强工程师的判断能力，提高设计质量，降低研制风险。0绪论CAD/CAM技术在发动机设计信息化中发挥着主导作用。发动机设计信息化的基本方法是以计算结构力学、计算流体力学、计算传热学、计算燃烧学等理论为基础，在计算机图形学、人机交互技术、计算机仿真技术、工程数据库技术、系统集成技术等支持下，实现对发动机工作过程的数学描述和结构的计算机辅助设计，进而实现性能预测、结构优化和计算机辅助制造。0绪论50’~70’：二维计算机图形技术交互式计算机图形学概念三维线框式造型系统CAD(ComputerAidedDrafting)的应用研究：GM的DAG/1自动设计系统Bell实验室的GRAPHIC-1远程显示系统LockheedMartin洛克希德·马丁、McDonnellDouglas、Boeing等公司在飞机、导弹设计中应用计算机绘图技术CAE(ComputerAidedEngineering)的发展：结构分析与热流科学分析理论：有限单元法、计算流体力学、计算传热学、计算燃烧学0绪论70’：CAD技术曲线、曲面技术研究，实体造型技术初步研究达索公司：三维曲面造型系统CATIAGE：CALMASDRC：I-DEASMD：CADD，UniGraphics洛克希德·马丁公司：CADAMBoeing：TIGER(Turbomachinery

InteractiveGridgenERation)GM：CADANCENISSAN：BLD，CADII0绪论80’：SDRC：基于实体造型技术的I-DEAS发展了非均匀有理B样条NURBS(Non-UniformRationalB-Spline)方法，可统一表示初等解析曲线和曲面、有理与非有理Bezier、非有理B样条曲线和曲面，是当前描述自由曲线和曲面的主流技术提出了基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的参数化实体造型方法：PTC公司：Pro/Engineer在参数化技术的基础上采用欠约束设计的变量化造型技术：SDRC：I-DEASMasterSeriesCAE技术FEM：Nastran，ADINA，ANSYS，Abaqus，COSMOS，Marc机构运动学和动力学：Adams，LS-DynaCFD：Phoenics，Fluent，Star-CD，CFX，CFDRC，CFD-ACE，NUMECA0绪论80’：提出了CAD、CAPP、CAM应用系统的集成，要求作为产品信息源头的CAD系统提供几何拓扑信息和非几何信息：形状、公差、表面粗糙度、材料、制造工艺规则基于特征的造型技术计算机集成制造系统CIMS(ComputerIntegratedSystem)：将各种与制造有关的技术系统集成起来，系统的观点和信息化的观点产品数据管理PDM(ProductDataManagement)技术，跟踪管理整个企业中，整个产品生命周期的全部数据和过程，管理信息流，即与产品的设计、制造、供销及维护相关的数据的创建、共享、存取和维护过程，保证在正确的时刻、将正确的数据以正确的形式传递到正确的人。成功的典范：Boeing777，X35，实现了产品设计的全数字化定义和数字化预装配，异地设计和制造0绪论90’~：CAD与CAE的结合，形成现在新的意义上的CAD(ComputerAidedDesign)企业资源规划ERP(EnterpriseResourcePlanning)供应链管理SCM(SupplyChainManagement)客户关系管理CRM(CustomerRelationshipManagement)产品协同商务CPC(CollaborativeProductCommerce)CAD与CAE的无缝集成多学科优化

MDO(MultidisciplinaryDesignOptimization)发动机性能仿真：GTI：GT-PowerAVL：Fire0绪论采用CAD技术的综合效果：高度重复性工作提高效率 15倍标准化的工作提高效率 5倍通用典型化工作提高效率 2倍元件设计提高效率 1倍开发性设计分析提高效率 1倍CAD/CAM集成技术的效益降低工程设计成本 15%~30%缩短产品设计到投产的时间 30%~60%提高产品质量 量级提高2~5倍提高工程师分析问题深度广度的能力 3~35倍增加产品作业生产率 40%~70%增加设备生产率 2~3倍减少加工过程 30%~60%降低人工成本 5%~20%0绪论CAD技术在航空发动机和内燃机研制中的应用PrattHuetneyGERolls-Royce0绪论主要CAD/CAM软件系统CATIAUNIGRAPHICSI-DEASMasterSeriesPro/ENGINEERSolidworksAutoCAD发动机研制阶段的主要技术活动用户要求可行性论证方案设计技术设计详细设计试制生产试验设计定型分析工具（性能、气动、传热、强度等）主要技术活动任务分析：确定发动机设计指标气动方案：台架点主要界面气动参数，流路设计高度、速度、温度特性总体及部件结构方案质量估算研制周期、风险及费用分析确定发动机主要指标选择热力循环参数，确定设计点设计点热力计算高度速度特性调节规律确定强度计算点参数各部件/系统流场、特性计算总体/部件/系统结构方案设计主要受力件强度估算转子动力学计算总体/部件/系统的热力计算、特性计算、流场计算温度场计算及热分析调节计划及实施方案结构大样图设计强度计算工程图设计主要零部件温度场计算、强度计算试验计划及试验件设计质量计算生产计划工艺设计工装设计及制造装配数控编程零部件试验地面台架试验高空台试验飞行台试验试飞定型试验设计、修改、完善、生产定型概念设计详细设计物理样机试制性能评估a.费用b.性能c.可靠性d.寿命e.质量f.生产量定型生产传统设计过程设计是否符合要求是否还有时间和经费项目取消是否是否最终确认a.费用b.性能c.可靠性d.寿命e.质量f.生产量定型生产物理样机试制性能评估a.费用b.性能c.可靠性d.寿命e.质量f.生产量设计系统优化设计仿真系统数值仿真优化设计及数值仿真预测设计过程第1篇发动机结构CAD1概述1.1UGS企业PLM解决方案与NX1.2NX应用模块应用模块简介入口建模实体建模特征建模自由形状建模钣金特征建模用户定义特征装配几何公差模块产品和制造信息分析制图高质量图像知识熔接制造开放的用户界面设计编程语言质量控制走线钣金电子表格WebExpresswireHarness1.3系统协定坐标系：绝对坐标系，工作坐标系右手规则1.5关联性在对象间的关联性制图对象到几何体或位置对象到部件或视图非几何信息到对象、组或部件1.6参数模式2使用NX建立一新的部件文件打开一已存部件存储部件为关闭部件和退出NX文件名：由英文字母、数字和合法符号组成，最多128个字符，扩展名：部件文件：*.prt路径名长度最多256个字符，不得使用汉字2.2用户界面主窗口标题栏菜单栏图形窗口工具条区资源条提示行状态行进程尺菜单下拉式菜单弹出式菜单工具条定制主菜单条和工具条对话框图形对象操作用户界面对象操作工作坐标系点构造器资源条组织部件文件层组3实体建模基础——绪论3.1NX复合建模显式建模参数化建模基于约束的建模复合建模3.2基于特征的建模基于特征的建模过程模仿零件的加工形成过程毛坯设计特征（DesignFeature）；体素特征（PrimitiveFeature）；扫描特征（SweptFeature）粗加工向毛坯添加材料：凸台，凸垫；由毛坯减去材料：孔，腔，键槽，沟槽；用户定义特征精加工相关复制（AssociativeCopy）；组合体（CombineBody）；修剪（Trim）；偏置/比例（Offset/Scale）；细节特征（DetailFeature）；直接建模（DirectModeling）4体素特征与布尔运算4.1体素特征基本概念体素特征是参数化的，但特征间不相关，每个体素都是相对于模型空间建立的体素是显式定位的，通过规定模型空间点设置它们的原点为了确保组成模型的特征间彼此关联，在一个模型中建议仅使用一个体素，并且仅用作第一个特征（毛坯）块圆柱锥球4.2布尔运算和差交4.3体素编辑体素特征尺寸编辑（Edit->Feature->

Parameter）体素特征位置编辑（Edit->

Transform）5草图5.1综述草图（Sketch）草图特征是驻留在一规定平面中的二维曲线和点的集合。草图通常是组成一个轮廓曲线的集合，可以用于拉伸或旋转特征，也可以用于定义自由形状特征或过曲线片体的截面。可以作用约束到一草图。尺寸和几何约束用于建立设计意图，约束提供参数驱动改变模型的能力。为什么使用草图但明确知道一个设计意图时，约束可以快速作用以满足该意图当需要迭代许多解决方案以验证某一设计意图时。何时使用草图需要参数化地控制曲线时。当建立用标准设计特征无法建立的形状时。如果使用一组标准设计特征来建立模型会使编辑困难时。不同部件尺寸改变但有一共同形状时，草图应考虑作为一个用户定义特征的一部分。如果形状本身适于拉伸或旋转，草图可以用作一个模型的基础特征。考虑草图用作扫描特征的引导路径或用作自由形状特征的生成母线。草图与部件导航器草图和层5草图使用草图的一般步骤为要建模的特征或部件建立设计意图使用公司标准去设置计划建立的草图的层与类目检查和修改草图参数预设置建立和编辑草图按用户的设计意图约束草图使用草图建立在用户的模型上的特征存取草图在Modeling下，选择Insert->Sketch，进入草图环境。设定工作层选择草图平面建议当从零开始建模时，第一张草图的平面选择工作坐标系平面，然后拉伸或旋转建立毛坯。从已有实体上建立草图时，选择实体表面或相对基准面为草图平面选择参考方向，决定草图的X,Y方向建立草图。根据与设置情况，草图会自动建立许多约束添加或编辑约束拖拽形状或修改尺寸参数退出草图环境5草图草图界面草图工具条选择工具条草图曲线工具条草图约束工具条草图操作工具条当前命令图标捕捉点工具条草图中的曲线动态输入框草图平面状态信息草图工具条建立草图对象方法徒手草绘：在当前活动草图环境内建立曲线加对象到草图：转换非草图对象到草图对象建立约束包括几何约束（GeometricConstraint）和尺寸约束（DimensionalConstraint）所在地草图和路径上的草图所在地草图（SketchinPlace）路径上的草图（SketchonPath）5草图5.2建立和约束草图建立草图对象徒手草图曲线外形：包括线与圆弧直线圆弧圆推导线快速修剪快速延伸圆角矩形Studio样条拟合样条样条点椭圆与通用二次曲线加对象到草图建立草图约束草图点自由度与约束草图的约束状态欠约束草图充分约束草图过约束草图草图约束工具条尺寸约束几何约束自动约束建立显示/移去约束动画尺寸转换到/从参考变换求解推断约束设置草图操作工具镜像投射曲线偏置曲线编辑定义线串5草图5.3草图管理改变视图方位到草图平面改变视图方位到模型重附着草图定位草图延迟求值求值草图更新模型5.4草图参数预设置6扫描特征6.1综述扫描特征（SweptFeature）拉伸特征：截面线串沿指定方向拉伸扫描旋转特征：绕指定轴旋转扫描沿引导线串扫描特征：沿指定引导线串扫描管子特征：指定内外直径沿指定引导线串的扫描扫描的截面线串截面线串类型与选择用于扫描的截面线串可以使曲线、曲线链、草图、实体边缘、实体表面和片体扫描特征是相关和参数化的特征选择意图（SelectionIntent）6扫描特征6.2拉伸综述拉伸（Extrude）通过在一指定方向扫描截面线串一线形距离建立实体简单拉伸操作拉伸图形手柄拉伸工具条与对话框6.3旋转综述旋转（Revolve）通过绕一给定轴以非零角度旋转截面曲线建立以旋转体特征，生成圆形或部分圆形体旋转工具条与对话框旋转实例简单旋转、带偏置的旋转、旋转到一对象、两对象间旋转6扫描特征6.4变化的扫描综述变化的扫描（VariationalSweep）可以沿一路径扫描一主控横截面来建立一实体或片体。主控横截面是用在草图中的SketchonPath建立的一个草图。用约束控制扫描改变约束控制扫描变化扫描的图形工具条与对话框6.5沿引导线串扫描6.6管道/电缆6.7编辑扫描特征7仿粗加工的设计特征7.1综述通用概念添加材料到目标实体：凸台、凸垫从目标实体减去材料：孔、键槽、腔、沟槽用户定义特征安放平面水平参考定位尺寸通用步骤7仿粗加工的设计特征7.2孔综述简单孔沉头孔埋头孔7.3凸台7.4凸垫7.5腔7.6键槽7.7沟槽7.8编辑设计特征编辑参数、带回退的编辑、编辑定位8基准特征8.1综述基准特征（DatumFeature）是构造工具，辅助用户在要求的位置和方位建立实体特征和草图。有3种类型：基准面、基准轴、基准坐标系8.2基准面相对基准面固定基准面编辑基准面8.3基准轴8.4基准坐标系9仿精加工的设计特征9.1综述相关复制（AssociatveCopy）包括WAVE几何链接器、抽取、引用阵列、提升体组合体（CombineBodies）包括求和、求差、求交布尔运算，还包括浮雕片、装配切割、缝合、补片修剪（Trim）包括修剪体、修剪片体、修剪和延伸、分割面、连接面、分割体细节特征（DetailFeature）偏置/比例（Offset/Scale）直接建模（DirectModeling）9仿精加工的设计特征9.2相关复制抽取（Extract）可以从另一实体/片体抽取一对象来建立一实体/片体抽取曲线、抽取表面、抽取表面区、抽取实体引用阵列（Instance）矩形阵列圆形阵列镜像体镜像特征9.3修剪体（TrimBody）9.4补片体（Patch）9仿精加工的设计特征9.5细节特征（DetailedFeature）边缘倒圆（EdgeBlend）边缘倒角（EdgeChamfer）面倒圆（FaceBlend）软倒圆（SoftBlend）拔锥（Taper）体拔锥（BodyTaper）9.6比例与壳（Scale&Shell）10表达式11模型结构查询11.1可视化地检查部件11.2层与类目11.3部件导航器11.4信息获取11.5距离11.6质量特征12装配建模基础12.1UG装配介绍装配的主要特征组件几何体被虚拟指向装配件，而不是复制到装配件利用自顶向下（Top-Down）或从底向上（Bottom-Up）的方法建立装配多零件可以同时被打开和编辑组件几何体可以在装配的上下文范围中建立和编辑相关性被维护在全装配件中，而不管编辑是在何处和怎样做的一个装配的图形表示可以被简化，而不必编辑下属几何体装配件自动更新反映引用部件的最后版本配对条件通过规定在组件间的约束关系，在装配件中定位组件装配导航器提供一装配结构的图形显示为在其它功能中使用选择和操纵组件可以在其它应用中，特别是在制图和制造应用中利用装配功能高级装配功能12.2术语定义12装配建模基础12.3装配建模装配建模基本概念装配下拉式菜单/装配工具条12.4装配导航器12.5装配选项顶级装配子装配1子装配2零件零件零件零件零件零件零件13从底向上设计方法13.1综述13.2引用集13.3定位组件配对组件配对约束类型图例配对提示与技巧14自顶向下设计方法14.1建立新组件14.2上下文中设计15组件列阵15.1综述15.2从特征引用集阵列15.3主组件列阵线性的主组件列阵圆形的主组件列阵16WAVE几何连接器17能变形的组件18装配爆炸视图与排列19装配顺序与运动20自由形状建模基础21展开曲线22建立、编辑与分析主片体23建立、编辑过渡片体24制图基础第2篇发动机结构强度的仿真计算1有限元法（FEM）简介1.1一个实例航空发动机叶片在离心力作用下的静力分析2有限元法理论简介2.1有限元法的产生与基本思想工程中许多问题可以用微分方程和相应的边界条件描述，如：等截面悬臂梁在自由端集中力的作用下，其挠度y满足微分方程和边界条件描述固体中导热稳态温度场的微分方程和边界条件为微分方程和边界条件构成对物理问题的数学描述，称为数学模型求解数学模型的方法有：解析法——得到解析解，数值法——得到近似解数值法之一种——差分法以下列一维问题为例说明差分法原理。函数y(x)的求解域为[a,b]将[a,b]划分为n等分，形成n+1个节点xi，相邻节点距离h称为步长用差分代替微分，有将差分表达式带入原方程，得数值法之一种——有限元法实在差分法和变分法的基础上发展的一种数值方法，其基本思想有两个方面：离散和分片插值2.2有限元法基本原理弹性力学基本方程平衡方程几何方程物理方程，也称为本构方程（ConstitutiveEq.）基本方程共包括15个方程，含有6个应力分量、6个应变分量和3个位移分量平面问题平面应力问题平面应变问题2.3平面问题有限元法结构离散将描述一个连续的弹性体的形状和尺寸的几何区域（求解域）分割为一定形状和数量的单元，使连续体变为由有限个单元组成的组合体。单元与单元之间仅通过节点相连，即力只通过节点传递。也把单元称为网格（mesh），离散过程也成为网格划分（meshing）。平面问题每个节点有两个位移分量，也成为自由度（DoF:DegreeofFreedom）单元分析位移函数定义于某一闭区域内的函数总可以用已知函数，如多项式，逼近三节点三角形单元有6个自由度，位移函数为将节点i,j,k的位移带入上式，得并可根据Gramer法则得到以节点位移表示的系数，其中，则可以用节点坐标和节点位移表示位移函数为，以矩阵形式表示为其中，Ni，Nj，Nk称为形函数，也称为插值函数。其物理意义是，当某一节点在某坐标方向发生单位位移而其它节点的位移为零时，单元内的位移分布。形函数是单元内各点坐标的函数，并不是节点位移的函数，其表达式与单元的位移函数有关，因此不同类型单元的形函数是不同的。利用形函数，可以根据几何方程和物理方程求的单元应变和单元应力。3有限元建模方法3.1有限元分析过程从应用角度来看，用有限元方法分析一个具体问题的过程可划分为三个阶段前处理（Pre-processing）建立有限元模型，又称为建模（Modeling）。任务是将实际问题抽象为能够为数值计算提供所有输入数据的有限元模型，包括判断问题的力学行为（Behaviour），确定几何、材料、载荷、约束等方面的特性，划分网格。求