Abaqus在航空發動機中的應用

2016-12-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

發動機是飛行器的心臟,它每個部件的性能、強度、結構的優劣好壞對于飛行器而言都是很重要的,因此對發動機大多數零部件進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、疲勞分析和優化設計等有限元分析類型。

Abaqus具有多種塑性和蠕變本構模型,從而方便準確地進行軸系的熱彈塑性計算。

Abaqus模態分析功能可以方便地同時計算出軸系預應力下的模態及自振頻率,通過頻率優化進行錯頻,可以避免軸系發生共振現象。

Fe-safe疲勞分析能方便地輸入如載荷譜等復雜的載荷邊界條件,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。

主軸產生疲勞斷裂的部位,常在局部高應力區,如臺肩、圓角、齒槽、螺紋和小孔附近,是故障常見區域,進行疲勞強度分析對主軸的設計有重要意義,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、粘塑性分析可以進行盤系的靜力計算和模態計算和動力響應計算等;Abaqus/Explicit提供了顯式求解器,它可有效地完成瞬態動力分析。

渦輪盤處在高溫、高轉速和高負荷的工作環境,蠕變計算變得非常重要,尤其是當盤的局部進入塑性時,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模型。

除無約束、無阻尼模態分析外,Abaqus還提供了預應力模態和復模態(有阻尼)分析的功能,可深入地研究盤系、軸系的動力特性。針對渦輪盤結構形式具有周期對稱的特點,Abaqus還提供了循環對稱模態分析功能,只需取一個扇區進行計算,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點匹配。

Abaqus斷裂力學分析,可以進行裂紋區域的模擬和計算斷裂參數,裂紋區域的模擬包括2D和3D斷裂模型,可以計算的斷裂參數有應力強度因子、J積分和能量釋放率等。可以協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,在進行盤、葉片或盤葉整體計算分析時,由于規模比較大,在Abaqus軟件中可以進行子模型結構分析,先進行整體“粗網格計算”,然后根據粗網格計算結果選出關心的部位。再建立關心部位的局部模型,對局部模型進行細致的網格劃分,通過整體模型得到局部模型邊界條件,進行局部模型的求解。Abaqus的子模型分析功能可自動從整體計算結果中取出細分區域邊界上的位移結果,并自動插值施加在子區模型的邊界上。

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

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

旋轉引起的離心載荷
熱載荷
隨機載荷
氣動力
交變力

在新型的發動機里,單晶材料和定向結晶材料等新型材料已廣泛地應用于渦輪葉片上,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不一致的情況。

Abaqus/Standard的結構動力分析可以進行葉片的模態計算和動力響應計算等。

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

在進行葉片蠕變計算時,Abaqus可以同時考慮材料的各向異性。

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

對于渦輪葉片榫頭,要準確地計算葉片榫頭的應力場,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默認的接觸參數設置,可以讓分析人員通過最小的干預,得到計算結果。

發動機機匣

發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確地進行發動機機匣蠕變計算分析。

轉子包容性設計是機匣設計當中重要的一環。Abaqus/Explicit顯式動力求解功能可有效地進行包容性分析,模擬發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的動力分析可以準確的進行模態分析和動力學響應分析,通過計算結果可以對機匣進行剛度優化設計。

燃燒室/加力燃燒室/推進劑

燃燒室和加力燃燒室是發動機部件中溫度環境最高的,承受的主要載荷有:

氣動載荷
溫度載荷
質量慣性力

Abaqus的結構分析能解決燃燒室和加力燃燒室設計中遇到的下列問題:

彈塑性
熱力分析(2000K左右的高溫環境)
疲勞蠕變交互作用
優化設計

燃燒室和火焰筒等高溫部件的熱設計對保證其正常工作是至關重要的,另外還有熱應力、熱疲勞、靜力等分析內容,Abaqus產品系列可對其進行全面的計算分析。

發動機鳥撞分析

據概略統計,全球每年大約發生1萬次鳥撞飛機事件,國際航空聯合會已把鳥害升級為“A”類航空災難。鳥撞對航空器尤其是發動機的破壞是災難性的: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,足以使發動機葉片或外罩等嚴重變形或斷裂,造成災難性后果。因此,航空發動機的抗鳥撞性能一直是設計者追求的目標,現代發動機研制時都要進行鳥撞物理試驗,從最初的每只0.8公斤的單鳥撞擊到現在的每只3.6公斤的多鳥撞擊試驗,通常要求發動機在鳥撞后仍保持足夠的推力和能夠繼續飛行約20分鐘。對于現代設計來說,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,利用計算機進行有限元仿真模擬的技術得到廣泛的采用,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生流動變形和解體而四處拋灑,發動機結構亦將產生大變形,甚至發生破壞,例如發動機風扇葉片斷裂等

發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,這樣為發動機的撞擊提供了非常好的平臺。目前在世界范圍內,對發動機鳥撞進行分析仿真中,Abaqus得到了廣泛采用。

Abaqus在航空發動機中的應用abaqus有限元圖片1