發(fā)動機數(shù)字化設(shè)計

發(fā)動機數(shù)字化設(shè)計徐讓書2007年4月1本課程主要內(nèi)容緒論發(fā)動機結(jié)構(gòu)CAD三維實體建模UnigraphicsNX發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度的仿真計算有限單元法（FiniteElementMethod,FEM）MSC.Nastran發(fā)動機氣動性能的仿真計算計算流體力學（ComputationalFluidDynamics,CFD）FLUENT發(fā)動機總體性能的仿真計算基于氣體一維不定常流動理論的內(nèi)燃機性能仿真GT-Power0緒論1-1發(fā)動機設(shè)計信息化的任務(wù)1-2發(fā)動機設(shè)計信息化基本方法和技術(shù)手段1-3發(fā)動機設(shè)計信息化在工程中應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展0緒論世界發(fā)動機行業(yè)在突破設(shè)計技術(shù)、材料科學技術(shù)和制造技術(shù)的同時，大力推進信息化技術(shù)，進一步加快了發(fā)動機產(chǎn)品的發(fā)展速度。發(fā)動機設(shè)計信息化的任務(wù)是在信息技術(shù)的支持下，實現(xiàn)發(fā)動機研制過程集成化，發(fā)動機設(shè)計信息化技術(shù)可以融合多年來積累的發(fā)動機設(shè)計寶貴經(jīng)驗，是實現(xiàn)技術(shù)繼承和創(chuàng)新的數(shù)字化平臺。發(fā)動機設(shè)計信息化技術(shù)可以大幅度縮短研制周期，降低研制成本，增強工程師的判斷能力，提高設(shè)計質(zhì)量，降低研制風險。0緒論CAD/CAM技術(shù)在發(fā)動機設(shè)計信息化中發(fā)揮著主導作用。發(fā)動機設(shè)計信息化的基本方法是以計算結(jié)構(gòu)力學、計算流體力學、計算傳熱學、計算燃燒學等理論為基礎(chǔ)，在計算機圖形學、人機交互技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等支持下，實現(xiàn)對發(fā)動機工作過程的數(shù)學描述和結(jié)構(gòu)的計算機輔助設(shè)計，進而實現(xiàn)性能預測、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和計算機輔助制造。0緒論50’~70’：二維計算機圖形技術(shù)交互式計算機圖形學概念三維線框式造型系統(tǒng)CAD(ComputerAidedDrafting)的應(yīng)用研究：GM的DAG/1自動設(shè)計系統(tǒng)Bell實驗室的GRAPHIC-1遠程顯示系統(tǒng)LockheedMartin洛克希德·馬丁、McDonnellDouglas、Boeing等公司在飛機、導彈設(shè)計中應(yīng)用計算機繪圖技術(shù)CAE(ComputerAidedEngineering)的發(fā)展：結(jié)構(gòu)分析與熱流科學分析理論：有限單元法、計算流體力學、計算傳熱學、計算燃燒學0緒論70’：CAD技術(shù)曲線、曲面技術(shù)研究，實體造型技術(shù)初步研究達索公司：三維曲面造型系統(tǒng)CATIAGE：CALMASDRC：I-DEASMD：CADD，UniGraphics洛克希德·馬丁公司：CADAMBoeing：TIGER(Turbomachinery

InteractiveGridgenERation)GM：CADANCENISSAN：BLD，CADII0緒論80’：SDRC：基于實體造型技術(shù)的I-DEAS發(fā)展了非均勻有理B樣條NURBS(Non-UniformRationalB-Spline)方法，可統(tǒng)一表示初等解析曲線和曲面、有理與非有理Bezier、非有理B樣條曲線和曲面，是當前描述自由曲線和曲面的主流技術(shù)提出了基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改的參數(shù)化實體造型方法：PTC公司：Pro/Engineer在參數(shù)化技術(shù)的基礎(chǔ)上采用欠約束設(shè)計的變量化造型技術(shù)：SDRC：I-DEASMasterSeriesCAE技術(shù)FEM：Nastran，ADINA，ANSYS，Abaqus，COSMOS，Marc機構(gòu)運動學和動力學：Adams，LS-DynaCFD：Phoenics，F(xiàn)luent，Star-CD，CFX，CFDRC，CFD-ACE，NUMECA0緒論80’：提出了CAD、CAPP、CAM應(yīng)用系統(tǒng)的集成，要求作為產(chǎn)品信息源頭的CAD系統(tǒng)提供幾何拓撲信息和非幾何信息：形狀、公差、表面粗糙度、材料、制造工藝規(guī)則基于特征的造型技術(shù)計算機集成制造系統(tǒng)CIMS(ComputerIntegratedSystem)：將各種與制造有關(guān)的技術(shù)系統(tǒng)集成起來，系統(tǒng)的觀點和信息化的觀點產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM(ProductDataManagement)技術(shù)，跟蹤管理整個企業(yè)中，整個產(chǎn)品生命周期的全部數(shù)據(jù)和過程，管理信息流，即與產(chǎn)品的設(shè)計、制造、供銷及維護相關(guān)的數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、共享、存取和維護過程，保證在正確的時刻、將正確的數(shù)據(jù)以正確的形式傳遞到正確的人。成功的典范：Boeing777，X35，實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計的全數(shù)字化定義和數(shù)字化預裝配，異地設(shè)計和制造0緒論90’~：CAD與CAE的結(jié)合，形成現(xiàn)在新的意義上的CAD(ComputerAidedDesign)企業(yè)資源規(guī)劃ERP(EnterpriseResourcePlanning)供應(yīng)鏈管理SCM(SupplyChainManagement)客戶關(guān)系管理CRM(CustomerRelationshipManagement)產(chǎn)品協(xié)同商務(wù)CPC(CollaborativeProductCommerce)CAD與CAE的無縫集成多學科優(yōu)化

MDO(MultidisciplinaryDesignOptimization)發(fā)動機性能仿真：GTI：GT-PowerAVL：Fire0緒論采用CAD技術(shù)的綜合效果：高度重復性工作提高效率 15倍標準化的工作提高效率 5倍通用典型化工作提高效率 2倍元件設(shè)計提高效率 1倍開發(fā)性設(shè)計分析提高效率 1倍CAD/CAM集成技術(shù)的效益降低工程設(shè)計成本 15%~30%縮短產(chǎn)品設(shè)計到投產(chǎn)的時間 30%~60%提高產(chǎn)品質(zhì)量 量級提高2~5倍提高工程師分析問題深度廣度的能力 3~35倍增加產(chǎn)品作業(yè)生產(chǎn)率 40%~70%增加設(shè)備生產(chǎn)率 2~3倍減少加工過程 30%~60%降低人工成本 5%~20%0緒論CAD技術(shù)在航空發(fā)動機和內(nèi)燃機研制中的應(yīng)用PrattHuetneyGERolls-Royce0緒論主要CAD/CAM軟件系統(tǒng)CATIAUNIGRAPHICSI-DEASMasterSeriesPro/ENGINEERSolidworksAutoCAD發(fā)動機研制階段的主要技術(shù)活動用戶要求可行性論證方案設(shè)計技術(shù)設(shè)計詳細設(shè)計試制生產(chǎn)試驗設(shè)計定型分析工具（性能、氣動、傳熱、強度等）主要技術(shù)活動任務(wù)分析：確定發(fā)動機設(shè)計指標氣動方案：臺架點主要界面氣動參數(shù)，流路設(shè)計高度、速度、溫度特性總體及部件結(jié)構(gòu)方案質(zhì)量估算研制周期、風險及費用分析確定發(fā)動機主要指標選擇熱力循環(huán)參數(shù)，確定設(shè)計點設(shè)計點熱力計算高度速度特性調(diào)節(jié)規(guī)律確定強度計算點參數(shù)各部件/系統(tǒng)流場、特性計算總體/部件/系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計主要受力件強度估算轉(zhuǎn)子動力學計算總體/部件/系統(tǒng)的熱力計算、特性計算、流場計算溫度場計算及熱分析調(diào)節(jié)計劃及實施方案結(jié)構(gòu)大樣圖設(shè)計強度計算工程圖設(shè)計主要零部件溫度場計算、強度計算試驗計劃及試驗件設(shè)計質(zhì)量計算生產(chǎn)計劃工藝設(shè)計工裝設(shè)計及制造裝配數(shù)控編程零部件試驗地面臺架試驗高空臺試驗飛行臺試驗試飛定型試驗設(shè)計、修改、完善、生產(chǎn)定型概念設(shè)計詳細設(shè)計物理樣機試制性能評估a.費用b.性能c.可靠性d.壽命e.質(zhì)量f.生產(chǎn)量定型生產(chǎn)傳統(tǒng)設(shè)計過程設(shè)計是否符合要求是否還有時間和經(jīng)費項目取消是否是否最終確認a.費用b.性能c.可靠性d.壽命e.質(zhì)量f.生產(chǎn)量定型生產(chǎn)物理樣機試制性能評估a.費用b.性能c.可靠性d.壽命e.質(zhì)量f.生產(chǎn)量設(shè)計系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計仿真系統(tǒng)數(shù)值仿真優(yōu)化設(shè)計及數(shù)值仿真預測設(shè)計過程第1篇發(fā)動機結(jié)構(gòu)CAD1概述1.1UGS企業(yè)PLM解決方案與NX1.2NX應(yīng)用模塊應(yīng)用模塊簡介入口建模實體建模特征建模自由形狀建模鈑金特征建模用戶定義特征裝配幾何公差模塊產(chǎn)品和制造信息分析制圖高質(zhì)量圖像知識熔接制造開放的用戶界面設(shè)計編程語言質(zhì)量控制走線鈑金電子表格WebExpresswireHarness1.3系統(tǒng)協(xié)定坐標系：絕對坐標系，工作坐標系右手規(guī)則1.5關(guān)聯(lián)性在對象間的關(guān)聯(lián)性制圖對象到幾何體或位置對象到部件或視圖非幾何信息到對象、組或部件1.6參數(shù)模式2使用NX建立一新的部件文件打開一已存部件存儲部件為關(guān)閉部件和退出NX文件名：由英文字母、數(shù)字和合法符號組成，最多128個字符，擴展名：部件文件：*.prt路徑名長度最多256個字符，不得使用漢字2.2用戶界面主窗口標題欄菜單欄圖形窗口工具條區(qū)資源條提示行狀態(tài)行進程尺菜單下拉式菜單彈出式菜單工具條定制主菜單條和工具條對話框圖形對象操作用戶界面對象操作工作坐標系點構(gòu)造器資源條組織部件文件層組3實體建?；A(chǔ)——緒論3.1NX復合建模顯式建模參數(shù)化建模基于約束的建模復合建模3.2基于特征的建?；谔卣鞯慕＿^程模仿零件的加工形成過程毛坯設(shè)計特征（DesignFeature）；體素特征（PrimitiveFeature）；掃描特征（SweptFeature）粗加工向毛坯添加材料：凸臺，凸墊；由毛坯減去材料：孔，腔，鍵槽，溝槽；用戶定義特征精加工相關(guān)復制（AssociativeCopy）；組合體（CombineBody）；修剪（Trim）；偏置/比例（Offset/Scale）；細節(jié)特征（DetailFeature）；直接建模（DirectModeling）4體素特征與布爾運算4.1體素特征基本概念體素特征是參數(shù)化的，但特征間不相關(guān)，每個體素都是相對于模型空間建立的體素是顯式定位的，通過規(guī)定模型空間點設(shè)置它們的原點為了確保組成模型的特征間彼此關(guān)聯(lián)，在一個模型中建議僅使用一個體素，并且僅用作第一個特征（毛坯）塊圓柱錐球4.2布爾運算和差交4.3體素編輯體素特征尺寸編輯（Edit->Feature->

Parameter）體素特征位置編輯（Edit->

Transform）5草圖5.1綜述草圖（Sketch）草圖特征是駐留在一規(guī)定平面中的二維曲線和點的集合。草圖通常是組成一個輪廓曲線的集合，可以用于拉伸或旋轉(zhuǎn)特征，也可以用于定義自由形狀特征或過曲線片體的截面。可以作用約束到一草圖。尺寸和幾何約束用于建立設(shè)計意圖，約束提供參數(shù)驅(qū)動改變模型的能力。為什么使用草圖但明確知道一個設(shè)計意圖時，約束可以快速作用以滿足該意圖當需要迭代許多解決方案以驗證某一設(shè)計意圖時。何時使用草圖需要參數(shù)化地控制曲線時。當建立用標準設(shè)計特征無法建立的形狀時。如果使用一組標準設(shè)計特征來建立模型會使編輯困難時。不同部件尺寸改變但有一共同形狀時，草圖應(yīng)考慮作為一個用戶定義特征的一部分。如果形狀本身適于拉伸或旋轉(zhuǎn)，草圖可以用作一個模型的基礎(chǔ)特征?？紤]草圖用作掃描特征的引導路徑或用作自由形狀特征的生成母線。草圖與部件導航器草圖和層5草圖使用草圖的一般步驟為要建模的特征或部件建立設(shè)計意圖使用公司標準去設(shè)置計劃建立的草圖的層與類目檢查和修改草圖參數(shù)預設(shè)置建立和編輯草圖按用戶的設(shè)計意圖約束草圖使用草圖建立在用戶的模型上的特征存取草圖在Modeling下，選擇Insert->Sketch，進入草圖環(huán)境。設(shè)定工作層選擇草圖平面建議當從零開始建模時，第一張草圖的平面選擇工作坐標系平面，然后拉伸或旋轉(zhuǎn)建立毛坯。從已有實體上建立草圖時，選擇實體表面或相對基準面為草圖平面選擇參考方向，決定草圖的X,Y方向建立草圖。根據(jù)與設(shè)置情況，草圖會自動建立許多約束添加或編輯約束拖拽形狀或修改尺寸參數(shù)退出草圖環(huán)境5草圖草圖界面草圖工具條選擇工具條草圖曲線工具條草圖約束工具條草圖操作工具條當前命令圖標捕捉點工具條草圖中的曲線動態(tài)輸入框草圖平面狀態(tài)信息草圖工具條建立草圖對象方法徒手草繪：在當前活動草圖環(huán)境內(nèi)建立曲線加對象到草圖：轉(zhuǎn)換非草圖對象到草圖對象建立約束包括幾何約束（GeometricConstraint）和尺寸約束（DimensionalConstraint）所在地草圖和路徑上的草圖所在地草圖（SketchinPlace）路徑上的草圖（SketchonPath）5草圖5.2建立和約束草圖建立草圖對象徒手草圖曲線外形：包括線與圓弧直線圓弧圓推導線快速修剪快速延伸圓角矩形Studio樣條擬合樣條樣條點橢圓與通用二次曲線加對象到草圖建立草圖約束草圖點自由度與約束草圖的約束狀態(tài)欠約束草圖充分約束草圖過約束草圖草圖約束工具條尺寸約束幾何約束自動約束建立顯示/移去約束動畫尺寸轉(zhuǎn)換到/從參考變換求解推斷約束設(shè)置草圖操作工具鏡像投射曲線偏置曲線編輯定義線串5草圖5.3草圖管理改變視圖方位到草圖平面改變視圖方位到模型重附著草圖定位草圖延遲求值求值草圖更新模型5.4草圖參數(shù)預設(shè)置6掃描特征6.1綜述掃描特征（SweptFeature）拉伸特征：截面線串沿指定方向拉伸掃描旋轉(zhuǎn)特征：繞指定軸旋轉(zhuǎn)掃描沿引導線串掃描特征：沿指定引導線串掃描管子特征：指定內(nèi)外直徑沿指定引導線串的掃描掃描的截面線串截面線串類型與選擇用于掃描的截面線串可以使曲線、曲線鏈、草圖、實體邊緣、實體表面和片體掃描特征是相關(guān)和參數(shù)化的特征選擇意圖（SelectionIntent）6掃描特征6.2拉伸綜述拉伸（Extrude）通過在一指定方向掃描截面線串一線形距離建立實體簡單拉伸操作拉伸圖形手柄拉伸工具條與對話框6.3旋轉(zhuǎn)綜述旋轉(zhuǎn)（Revolve）通過繞一給定軸以非零角度旋轉(zhuǎn)截面曲線建立以旋轉(zhuǎn)體特征，生成圓形或部分圓形體旋轉(zhuǎn)工具條與對話框旋轉(zhuǎn)實例簡單旋轉(zhuǎn)、帶偏置的旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)到一對象、兩對象間旋轉(zhuǎn)6掃描特征6.4變化的掃描綜述變化的掃描（VariationalSweep）可以沿一路徑掃描一主控橫截面來建立一實體或片體。主控橫截面是用在草圖中的SketchonPath建立的一個草圖。用約束控制掃描改變約束控制掃描變化掃描的圖形工具條與對話框6.5沿引導線串掃描6.6管道/電纜6.7編輯掃描特征7仿粗加工的設(shè)計特征7.1綜述通用概念添加材料到目標實體：凸臺、凸墊從目標實體減去材料：孔、鍵槽、腔、溝槽用戶定義特征安放平面水平參考定位尺寸通用步驟7仿粗加工的設(shè)計特征7.2孔綜述簡單孔沉頭孔埋頭孔7.3凸臺7.4凸墊7.5腔7.6鍵槽7.7溝槽7.8編輯設(shè)計特征編輯參數(shù)、帶回退的編輯、編輯定位8基準特征8.1綜述基準特征（DatumFeature）是構(gòu)造工具，輔助用戶在要求的位置和方位建立實體特征和草圖。有3種類型：基準面、基準軸、基準坐標系8.2基準面相對基準面固定基準面編輯基準面8.3基準軸8.4基準坐標系9仿精加工的設(shè)計特征9.1綜述相關(guān)復制（AssociatveCopy）包括WAVE幾何鏈接器、抽取、引用陣列、提升體組合體（CombineBodies）包括求和、求差、求交布爾運算，還包括浮雕片、裝配切割、縫合、補片修剪（Trim）包括修剪體、修剪片體、修剪和延伸、分割面、連接面、分割體細節(jié)特征（DetailFeature）偏置/比例（Offset/Scale）直接建模（DirectModeling）9仿精加工的設(shè)計特征9.2相關(guān)復制抽?。‥xtract）可以從另一實體/片體抽取一對象來建立一實體/片體抽取曲線、抽取表面、抽取表面區(qū)、抽取實體引用陣列（Instance）矩形陣列圓形陣列鏡像體鏡像特征9.3修剪體（TrimBody）9.4補片體（Patch）9仿精加工的設(shè)計特征9.5細節(jié)特征（DetailedFeature）邊緣倒圓（EdgeBlend）邊緣倒角（EdgeChamfer）面倒圓（FaceBlend）軟倒圓（SoftBlend）拔錐（Taper）體拔錐（BodyTaper）9.6比例與殼（Scale&Shell）10表達式11模型結(jié)構(gòu)查詢11.1可視化地檢查部件11.2層與類目11.3部件導航器11.4信息獲取11.5距離11.6質(zhì)量特征12裝配建?；A(chǔ)12.1UG裝配介紹裝配的主要特征組件幾何體被虛擬指向裝配件，而不是復制到裝配件利用自頂向下（Top-Down）或從底向上（Bottom-Up）的方法建立裝配多零件可以同時被打開和編輯組件幾何體可以在裝配的上下文范圍中建立和編輯相關(guān)性被維護在全裝配件中，而不管編輯是在何處和怎樣做的一個裝配的圖形表示可以被簡化，而不必編輯下屬幾何體裝配件自動更新反映引用部件的最后版本配對條件通過規(guī)定在組件間的約束關(guān)系，在裝配件中定位組件裝配導航器提供一裝配結(jié)構(gòu)的圖形顯示為在其它功能中使用選擇和操縱組件可以在其它應(yīng)用中，特別是在制圖和制造應(yīng)用中利用裝配功能高級裝配功能12.2術(shù)語定義12裝配建?；A(chǔ)12.3裝配建模裝配建模基本概念裝配下拉式菜單/裝配工具條12.4裝配導航器12.5裝配選項頂級裝配子裝配1子裝配2零件零件零件零件零件零件零件13從底向上設(shè)計方法13.1綜述13.2引用集13.3定位組件配對組件配對約束類型圖例配對提示與技巧14自頂向下設(shè)計方法14.1建立新組件14.2上下文中設(shè)計15組件列陣15.1綜述15.2從特征引用集陣列15.3主組件列陣線性的主組件列陣圓形的主組件列陣16WAVE幾何連接器17能變形的組件18裝配爆炸視圖與排列19裝配順序與運動20自由形狀建?；A(chǔ)21展開曲線22建立、編輯與分析主片體23建立、編輯過渡片體24制圖基礎(chǔ)第2篇發(fā)動機結(jié)構(gòu)強度的仿真計算1有限元法（FEM）簡介1.1一個實例航空發(fā)動機葉片在離心力作用下的靜力分析2有限元法理論簡介2.1有限元法的產(chǎn)生與基本思想工程中許多問題可以用微分方程和相應(yīng)的邊界條件描述，如：等截面懸臂梁在自由端集中力的作用下，其撓度y滿足微分方程和邊界條件描述固體中導熱穩(wěn)態(tài)溫度場的微分方程和邊界條件為微分方程和邊界條件構(gòu)成對物理問題的數(shù)學描述，稱為數(shù)學模型求解數(shù)學模型的方法有：解析法——得到解析解，數(shù)值法——得到近似解數(shù)值法之一種——差分法以下列一維問題為例說明差分法原理。函數(shù)y(x)的求解域為[a,b]將[a,b]劃分為n等分，形成n+1個節(jié)點xi，相鄰節(jié)點距離h稱為步長用差分代替微分，有將差分表達式帶入原方程，得數(shù)值法之一種——有限元法實在差分法和變分法的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種數(shù)值方法，其基本思想有兩個方面：離散和分片插值2.2有限元法基本原理彈性力學基本方程平衡方程幾何方程物理方程，也稱為本構(gòu)方程（ConstitutiveEq.）基本方程共包括15個方程，含有6個應(yīng)力分量、6個應(yīng)變分量和3個位移分量平面問題平面應(yīng)力問題平面應(yīng)變問題2.3平面問題有限元法結(jié)構(gòu)離散將描述一個連續(xù)的彈性體的形狀和尺寸的幾何區(qū)域（求解域）分割為一定形狀和數(shù)量的單元，使連續(xù)體變?yōu)橛捎邢迋€單元組成的組合體。單元與單元之間僅通過節(jié)點相連，即力只通過節(jié)點傳遞。也把單元稱為網(wǎng)格（mesh），離散過程也成為網(wǎng)格劃分（meshing）。平面問題每個節(jié)點有兩個位移分量，也成為自由度（DoF:DegreeofFreedom）單元分析位移函數(shù)定義于某一閉區(qū)域內(nèi)的函數(shù)總可以用已知函數(shù)，如多項式，逼近三節(jié)點三角形單元有6個自由度，位移函數(shù)為將節(jié)點i,j,k的位移帶入上式，得并可根據(jù)Gramer法則得到以節(jié)點位移表示的系數(shù)，其中，則可以用節(jié)點坐標和節(jié)點位移表示位移函數(shù)為，以矩陣形式表示為其中，Ni，Nj，Nk稱為形函數(shù)，也稱為插值函數(shù)。其物理意義是，當某一節(jié)點在某坐標方向發(fā)生單位位移而其它節(jié)點的位移為零時，單元內(nèi)的位移分布。形函數(shù)是單元內(nèi)各點坐標的函數(shù)，并不是節(jié)點位移的函數(shù)，其表達式與單元的位移函數(shù)有關(guān)，因此不同類型單元的形函數(shù)是不同的。利用形函數(shù)，可以根據(jù)幾何方程和物理方程求的單元應(yīng)變和單元應(yīng)力。3有限元建模方法3.1有限元分析過程從應(yīng)用角度來看，用有限元方法分析一個具體問題的過程可劃分為三個階段前處理（Pre-processing）建立有限元模型，又稱為建模（Modeling）。任務(wù)是將實際問題抽象為能夠為數(shù)值計算提供所有輸入數(shù)據(jù)的有限元模型，包括判斷問題的力學行為（Behaviour），確定幾何、材料、載荷、約束等方面的特性，劃分網(wǎng)格。求