ANSYS飞机仿真方案.docx
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ANSYS飞机仿真方案
ANSYS航空发动机仿真方案
第三章航空发动机仿真方案 1.航空发动机行业概况
1903年12月17日，美国莱特兄弟实现了人类历史上首次有动力、载人、持续、稳定和可操作的重于空气飞行器的飞行。
这使得几千年来由少数人从事的飞行探索事业在后来的百年中发展成为对世界政治、经济、军事和技术，甚至人们的生活方式都有重要影响的航空业。
因此，从狭义上说，航空发动机是航空器飞行的动力，是航空器的“心脏”；从广义上说，航空发动机是航空事业发展的推动力，对航空器的性能和研制有着决定性的影响。
1.1.世界航空发动机发展历史
航空发动机百余年的发展历史大致可分为两个时期：
第一个时期从莱特兄弟的首次飞行开始到二次世界大战结束为止。
这个时期内，活塞式发动机统治了40年左右的时间。
第二个时期是从二次世界大战结束至今，燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机，居航空动力的主导地位，开创了喷气时代。
在燃气涡轮发动机的60多年发展历程中，大致经历了四次更新换代：
第一代是单转子亚音速喷气发动机。
这一代发动机大多数在20世纪30～40年代研制，40年代末50年代初投入使用。
压气机采用离心式和轴流式两种，总增压比在5左右，单管燃烧室，单级涡轮；推重比3左右。
有代表性的机种有：
美国的J47（TG-190）、前苏联的VK-1和法国的阿塔（Atar）发动机。
第二代是超声速涡喷发动机。
这些发动机在第一代发动机的基础上有了许多创新，大都在50年代研制。
主要技术特点是：
双转子、进口导流叶片可调、超声速压气机、高温涡轮、推重比达到5左右。
用这一代发动机装配的飞机都是超声速战斗机。
代表机种有：
美国的J79和前苏联的R11-300R。
第三代是超声速涡扇发动机。
这一代发动机的研制始于60年代，主要技术特点是：
涡扇发动机、核心机技术，2D设计、环形燃烧室、气冷涡轮、结构完整性设计、新材料、推重比8。
这一代发动机的成长得益于全世界各种大型试验设备的建设、计算技术和制造技术的发展。
用这一代发动机装配的飞机都是高性能超声速战斗机。
代表机种有：
美国的F404和F100、前苏联的AL31F和RD33、英国的RB199和法国的M88-2。
第四代是先进技术涡扇发动机。
这一代从80年代中期开始发展，目前仍处于研制阶段。
主要技术特点是：
结构简单，抗撞击能力强，具有良好的耐久性可维护性；增加了不加力条件下的持续超声速巡航能力、采用2D喷管的有限矢量推力能力和隐身能力。
第四代发动机的推重比为9～10。
代表机种有：
美国的F119、前苏联的AL-41F和英国的EJ200。
航空燃气涡轮发动机在60多年的发展历史中经历了众多技术进步，如表3-1-1所示：
表3-1-1航空燃气涡轮发动机的技术进步
目前，美、英第一、二代均已退役，第三代是现役主力机种。
由于其性能先进，且还在不断改进改型，服役期比第一、二代长很多，估计将使用到2010年左右，俄、法、日、印、韩等国第二、第三代并存，以第三代为主。
第四代战斗机是美、苏冷战对抗时期开始研制的，原计划90年代中期装备部队。
自苏联和华约解体后，是否还需要继续发展，在美国和西欧开展了一场大辩论。
许多国会议员提出，将F15、F16经现代化改装后，就可以达到应付未来“地区冲突”的要求。
在此影响下，德国曾一度退出欧洲战斗机EF2000发展计划。
但辩论的结果认为：
F15、F16经改装后，不能跨越“代”的鸿沟。
为了满足“全球到达，全球力量”的战略目标，发展第四代战斗机是必须的。
这场辩论使第四代战斗机的装备时间推迟了十年左右。
第四代战斗机具有隐身、过失速机动、不加力超声速巡航、短距起降、超视距多目标攻击和装备更先进的航空电子与武器系统等许多特点，较之第三代具有全面优势。
据报道，F22与F15相比，每飞行小时的维修工时降低约70%，其综合作战效能提高近10倍。
但由于F22太贵，难以大量装备部队，又决定同时研制装单台F119发动机（推力增大型）的JSF联合战斗机，已有近10个国家参与该项计划。
该机三种型别（常规型、短距起飞/垂直降落型和垂直起降型）的意向订货量高达3300架左右，总价达1800亿美元的订单已被马丁公司所得。
美国将以联合战斗机JSF和F22这两种第四代战斗机轻重搭配跨入21世纪，从2003年起陆续装备部队，全面取代现役的第三代战斗机，成为美国、部分西方国家、甚至我国部分周边国家和地区21世纪上半叶的主战机种。
西方各国对航空动力技术的预先研究一向给予极大重视，开展了一系列大型研究计划。
如美国军方早从50年代中期就开始实施航空推进技术探索发展计划；70年代初至80年代又相继实施了先进战术战斗机发动机计划（ATFE）、先进涡轮发动机燃气发生器计划（ATEGG）和飞机推进分系统综合计划；70年代末以来，美国政府（由NASA主持）也先后实施了发动机部件改进计划、高效节能发动机计划（E3）、先进螺旋桨计划和发动机热端部件技术计划（HOST）。
正是这些研究计划，为各种先进军、民用发动机提供了坚实的技术基础，才使得美国达到了当今世界的领先水平，使军、民用发动机跨上了一个又一个技术新台阶。
航空动力行业已成为世界各航空强国的军事工业和国民经济的重要支柱产业之一。
美国在研制第四代F119发动机的同时，从1988年起的15年内又投入50亿美元巨资，由军方与政府联合主持实施“综合高性能发动机技术计划”（即IHPTET计划）；英国则着手进行先进军用核心发动机第II阶段计划（ACME-II）。
其共同目标是利用计算流体力学（CFD）、结构力学、燃烧、传热、新材料、新工艺、电子调节和计算机仿真等方面的最新成就，使推进系统的能力在现有基础上翻一番，预计2020年后有可能研制出第五代推重比为15～20的发动机。
这意味着他们用15年左右的时间，在推重比、耗油率、成本等方面取得的技术进步，相当于过去30~40年的成就，充分表明世界航空发动机技术呈现加速发展态势。
1.2.我国航空发动机发展历史
我国航空动力行业经过几十年的建设，从无到有，由小到大，在维护修理、测绘仿制、批量生产、改进改型、民机开发等方面均取得很大成绩。
新机研制和预先研究也取得可喜进展，共生产了近60000万台各型发动机，为建立一支强大的人民空军、海军和陆军航空兵，保障国家安全和促进国民经济建设做出了重大贡献。
但是，航空动力长期在测绘仿制中徘徊，走了不少弯路，与加速发展的世界先进水平相比，我国航空发动机大大落后了。
我国现役军机大量使用的发动机，大都是仿制前苏联的产品或者是其改进改型，推重比为5～5.5左右，仅相当于国外早已淘汰的第二代水平；民机动力方面，目前生产的仍是仿制前苏联50～60年代的中小型涡桨发动机，干线民航机大涵道比涡扇发动机基本上还是空白；在航改燃机方面，80年代在成熟的航空发动机基础上改型了6种型号，生产了百余台，但仅占我国近800万千瓦燃机总装机容量的5%左右；从80年代初开始的高性能发动机关键技术预研，虽取得一定进展，但距工程应用还有一段较长的路要走；80年代中期开始研制的某发动机，虽已实现首飞，但距设计定型尚需时日。
综合评估我国航空动力的总体技术水平，较国外相差一代半，落后约25～30年，而且这种差距还有进一步拉大的危险。
我国航空发动机落后，已成为严重制约整个航空工业快速发展的“瓶颈”，这是不争的事实。
造成这种局面的原因很多，“冰冻三尺，非一日之寒”，客观上航空发动机技术十分复杂，研制难度很大，花钱多，周期长，我国工业和技术基础相对薄弱，预研和型号经费投入不足；主观上对航空发动机研制的复杂性和规律性认识不足，对预研工作重视不够，技术储备少；摊子大，战线长，力量分散，型号品种多。
在国际形势出现变化和动力技术快速发展的新形势下，却未能及时进行必要的结构调整和技术改造；引进仿制机种过多，总以为测仿来得快，40多年中先后测仿了来自国外的十多种型号，大都是当时该国的二、三流产品；尤为失策的是对引进技术未能很好地组织消化、吸收和创新，且引进往往挤掉或消弱了国内的新机研制；长期过份强调型号牵引，有了型号才有钱，对预先研究、打基础重视不够，预研投资强度太低，结果使基础薄弱，技术储备不足，许多关键技术没有提前突破，型号研制成了“无米之炊”，久攻不下，为了满足飞机对发动机的需求而不得不再来一轮新的引进、仿制，从而陷入“恶性循环”；在管理上，领导机构重叠，管理分散，政出多门，意见不一，缺乏稳定、权威的中长期发展规划，缺乏科学的决策程序，型号和大型预研项目的“上马”和“下马”，往往因机构调整和人事变动而出现大的变化；没有协调处理好发动机与飞机（平台）、型号与预研、全新研制与改进改型、自行研制与国外引进、工业部门和使用单位之间的关系；在工业基础方面没有安排好提前突破先进的关键材料和制造工艺。
管理上滞后和指导思想上的 不适应，对发动机的发展有时甚至比技术上落后的影响更大。
事实上，早在上世纪60年代，周恩来总理就指出：
我们的飞机得了“心脏病”。
40多年过去了，这种状况并没有实质性的好转，国内民航干线客机动力已全部被国外所占领，而新研军机因没有自行研制的先进动力可用，不得不买装国外发动机。
我军装备因动力而受制于人，形势十分严峻。
根治飞机“心脏病”已刻不容缓，这是摆在我们面前严肃而又紧迫的任务。
图3-1-1表明，从军用航空发动机最重要的性能指标“推重比”来看，我国航空发动机与国外发达国家对比呈现出剪刀差的落后趋势，我国航空发动机仿制生产起于50年代初，起步并不算晚，而70年代以后差距愈拉愈大，与世界航空发动机技术的加速发展态势形成巨大的反差！
值得特别指出的是，我国周边国家日本早就与美国合作生产第三代F110发动机，并参与世界一流水平的大型民用涡扇发动机的国际合作研制，目前又正在与美、英合作研制飞行速度5倍声速的HYPR-9组合循环发动机，力图在高超声速推进技术领域抢占领先地位。
印度自行研制的GTX-35VS双转子涡扇发动机，推重比7.5左右，预计2002年将装在他们自行设计的LCA轻型战斗机上首飞（后改用美国的F404-F2发动机）。
他们计划在未来几年内对其现有的780架各型作战飞机进行大规模更新换代，使现役第三代飞机由目前的230架增加至560多架，还准备引进50架装有推力矢量喷管的俄制SU-30MKT战斗机，并计划在15年内生产150～200架。
台湾地区虽未独自研制航空发动机，但在美国人帮助下，合资研制了FTE1042涡扇发动机，并成功地应用于“经国号”轻型战斗机（装备130多架）。
此外继购买150架F16A/B之后，又引进60架幻影2000-5，明显地提高了装备水平，增强了空军实力。
可以说，我国空军（包括海军航空兵和陆军航空兵）的装备，除了数量上仍占一定优势之外，其技术水平已经或即将被这些周边国家和地区赶上和超过。
这种严峻的形势，对我国国家安全已构成严重威胁。
对此我们应有高度警惕和足够的认识。
1.3.新世纪我国航空动力具有良好的发展机遇
虽然我国还没有一台自行研制的发动机投入使用，但经过半个世纪的努力，我们进行了多个型号研制，开展了推重比8和推重比10发动机这两项大型预研工作，建成了包括大型高空台在内的基本配套的试验设施，形成了较强的制造加工能力。
特别是改革开放20多年来的快速发展和对外合作，为21世纪航空动力的快速发展打下了较坚实的技术和人才基础。
过去航空产品的设计主要是依赖于各种试验，使得航空产品尤其是航空发动机的研制周期长、耗资多、风险高。
近年来，由于信息技术特别是计算机辅助工程仿真（CAE）和计算流体力学（CFD）技术的发展以及大量试验数据的积累，20世纪90年代以来，在西方航空发达国家引发了一场设计技术的“革命”，初步实现了从“传统设计”向依靠计算机数学模型优化计算和虚拟现实仿真“预测设计”的转变，从而大大减少了试验工作量，提高了设计的成功率，既节约了经费，又缩短了研制周期。
使发动机的研制周期从过去的10～15年缩短到6～8年甚至4～5年，试验机也从过去的40～50台减少到10台左右。
我们若能牢牢抓住这个机遇，在我国预研和型号已取得成果的基础上，再加大力度引进、消化一些国外的先进软件，建立一套中国自己的航空动力设计体系和数值仿真系统，提高设计“起跑线”，发挥“后发优势”，不再重复西方几十年所走过的老路。
这是我国航空动力走出困境，以较少的投入、较快的速度缩短与国际先进水平差距的有效途径，也是实现跨越式发展的难得机遇。
2.航空发动机研制中的典型CAE问题
如前所述，计算机辅助工程分析技术已经在西方航空发达国家引发了一场设计技术的“革命”，在航空发动机领域更是如此。
其最直接的效益就是：
大大减少试验工作量、提高了设计成功率、节约研制经费、缩短了研制周期。
现代航空发动机设计对CAE分析的要求呈现三大趋势：
一是对分析的精度要求越来越高、二是需要分析的对象越来越庞大和复杂（系统级分析）、三是对多物理场耦合分析尤其是流固耦合分析的需求越来越多。
下面简单罗列一些航空发动机研制过程中的典型CAE问题以供参考，在下面几个章节中，我们会针对这些问题予以更详细的说明并提出ANSYS的解决方案。
与结构力学分析相关的典型问题有:
压气机和涡轮的叶片、轮盘等重要构件在考虑温度、气动力、高速旋转离心力等载荷作用下的强度、振动以及高低周疲劳计算；
高低压转子系统以及与支撑结构相耦合的转子系统在考虑温度、气动力、高速旋转离心力和陀螺力矩等载荷作用下的动力特性（转子动力学）和不平衡响应计算；
齿轮、轴承、传动轴、机匣、管路系统以及其它辅机系统在相应复杂载荷和约束条件下的结构强度、振动、疲劳计算；
叶片鸟撞、包容性、抗异物损伤等高度非线性结构动力计算；
……
与计算流体力学分析相关的典型问题有
单/多级风扇、单/多级压气机、单/多级涡轮、进气道、喷管等零部件气动计算；
燃油喷射和雾化、燃烧室/加力燃烧室燃烧分析；
涡轮盘、涡轮叶片、燃烧室、喷管冷却分析；
飞机/发动机匹配气动计算，以及多相流模拟发动机地面吞水试验；……
与计算电磁学分析相关的典型问题有
多/全电发动机耐高温高性能磁悬浮轴承、启动发电机等关键零部件电磁特性计算；
电气化传动附件电磁特性及EMC/EMI计算；……
需要高性能计算的多物理场耦合计算问题示例
风扇和压气机叶片的气动-结构耦合分析；
涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室以及喷管的气动-热-结构耦合分析；
磁悬浮轴承、启动发电机电磁-热-结构耦合分析；……
3.航空发动机结构力学计算需求及ANSYS实现
计算结构力学分析是航空发动机领域最重要、也是最早并且获得了最广泛应用的CAE方向。
航空燃气涡轮发动机对性能、安全性、可靠性、耐久性、适用性的要求非常高，其重点就是体现在对结构强度、振动和寿命的设计要求上。
计算结构力学分析的所有应用方向在航空燃气涡轮发动机的设计中都有很强的需求，本小节中我们将对这样一些主要分析领域的特点和ANSYS解决方案予以简要说明。
3.1结构静力分析
结构静力分析是计算结构力学分析领域中的最基础应用方向，在航空燃气涡轮发动机中，几乎所有零部件都会涉及重要性、程度和精度要求不等的静力计算问题，其主要目的是获得结构件的静强度和静刚度，并为后续的其它分析要求服务。
3.1.1.线性静力分析
线性静力分析通常适用于支承及传力框架、机匣、附件设备等对保形及刚度要求较高的零部件，有时也用于对叶片、轮盘等重要构建的前期分析。
比如，在发动机总体结构中，支承刚度往往是影响整机振动的关键因素，必须对支承刚度进行分析。
发动机常用的弹性支承元件包括弹性环、鼠笼和拉杆等。
通过有限元静态分析，求得在一定载荷作用下结构的变形，进一步得到结构的刚度。
对于CAE程序而言，线性静力分析在技术层面上早已不是难题，可能存在的问题通常仅限于对大型问题的方便建模以及有效求解（例如，复杂叶片结构的全自动六面体协调单元网格划分、发动机整机结构的刚度和模态分析等）。
在对大型问题的方便建模方面，ANSYS提供诸多全球独一无二的领先技术来完美解决，比如AWE环境下与CAD的双向参数传递技术、复杂装配体自动识别技术、AI*Environment的基于拓扑映射的网格雕塑技术、复杂结构全自动六面体网格划分（ANSYS高级网格模块），等等；在求解方面，ANSYS也提供一系列独具特色的高效求解器，比如拥有众多专利技术的迭代求解器（JCG、ICCG、PCG等），以及大量的网络分布式并行求解器（DDS、DPCG、DJCG等）。
3.1.2.弹塑性/蠕变等材料非线性静力分析
航空燃气涡轮发动机CAE分析中非常普遍地会遇到以弹塑性/蠕变为代表的材料非线性问题。
从理论上说，任何结构分析都应该是非线性的，线性分析只是对其在低强度、小变形状态下的假设而已。
发动机中的高速旋转部件，如叶片、盘、鼓（以弹塑性分析为主），以及高温部件，如涡轮、燃烧室、喷管等（以蠕变以及弹塑性与蠕变组合作用分析为主）均存在不可忽视的材料非线性行为，在准确的强度/寿命校核中必然要考虑到各种复杂的材料非线性因素。
材料非线性是一种非常复杂的物理现象，在工程设计和分析中，要获得满意的仿真结果，必须很好地理解和准确地描述材料行为特性，但要做到这一点是比较困难的，Lemaitre和Chaboche曾经用如下很形象的例子描述了材料特性的复杂性：
“在室温下的一块钢材，可以认为是：
常规结构分析中的线弹性材料；
振动阻尼问题中的粘弹性材料；
在非常大的载荷作用下，是理想塑性材料；
要精确计算永久变形时，它是具有硬化特性的弹塑性材料；
对于应力松弛问题，又有弹性粘塑性特性；
当计算成型极限时，它是延展性破坏；
当计算寿命极限时，它是疲劳破坏；……”
因此，在什么情况下用什么材料模型，与分析者所关心的现象相关。
ANSYS通用结构力学分析所提供的非线性材料本构非常复杂和宽泛，计有：
20种率无关弹塑性模型，125种组合蠕变模型，7种粘塑性模型，以及粘弹性、混凝土、D-P、垫片、铸铁、形状记忆合金等等，可最大限度地满足航空发动机分析中的需求。
同时，ANSYS的材料模型具有很多独特特性，比如：
多线性随动硬化模型允许直接输入实验数据；
Chachoche模型可与数个非线性随动硬化模型组合以模拟材料的复杂循环特性（如棘齿效应、循环稳定、循环硬化和软化等）；
Hill屈服准则及其与各种强化模式的组合可模拟各种各向异性材料的非线性特性（如定向结晶和单晶涡轮叶片、复合材料风扇叶片和机匣等）；
ANSYS提供线性和非线性回归算法，用户可直接输入材料的试验数据即可获得其材料参数值，该功能适用于所有超弹模型、粘弹模型和蠕变模型。
在最常用的弹塑性材料方面，ANSYS所提供的丰富模型可以综合考虑单调硬化、包辛格效应、循环硬化或软化、棘齿效应以及记忆效应（形状记忆合金）等等，已经是非常的完善了，除此之外，ANSYS还提供了诸多在航空发动机设计中会遇到的较特殊的非线性材料模型，包括：
铸铁
铸铁由于其石墨颗粒的作用使其呈现与其它金属材料显著不同的塑性特性：
在拉和压两个方向上有不同的屈服强度、塑性流动特性和硬化特性；
粘弹性
ANSYS中的粘弹性模型是Maxwell模型的通用积分形式，其松弛函数由Prony级数表示。
该模型功能全面，Maxwell、Kevin和标准线性实体都是其特殊形式，全面支持亚粘弹性和大应变超粘弹性。
大应变超粘弹性基于Simo建议的列式，粘弹性行为的定义分为超弹性和松弛两个部分，所有的ANSYS超弹性材料模型都可采用粘弹性选项（PRONY）。
粘塑性和蠕变
ANSYS程序提供几个选项用于模拟材料的率相关行为，包括蠕变，蠕变选项又含一系列适用于常规蠕变分析的蠕变法则。
率相关选项是一种“过应力”模式，主要用于冲击载荷问题。
程序还提供Anand模型，它最初是用于模拟高温金属的成型过程，如辊压、深拉等，该模型采用一个被称为“变形阻力”的内部变量来考虑对材料非弹性流动的各向同性阻力作用，因而也能模拟材料的硬化和软化行为，现在已广泛应用于其它领域，比如分析电子封装的焊接连接等。
超弹性
超弹性材料的应用十分广泛，比如用于密封的橡胶环等。
橡胶等超弹性材料的非线性是很严重的，体现在：
非常大的应变水平（可达百分之几百！
）；
材料的应力和应变呈高度非线性关系；
材料近似或完全不可压；
有很强的温度相关性；
通常并不单独存在，而是与金属等其它显著不一样的材料之间有很大的相互作用。
ANSYS超弹性材料模型有很多种类，用户可根据实际材料的实验特性等来选择合适的模型。
对于超弹应用而言，ANSYS程序本身从求解器、单元技术以及解算策略等方面都进行了完善的设计，具有很好的效率和效果。
垫片材料
垫片通常在装配零件之间起密封作用，是由诸如铁、铜、橡胶、复合材料等多种材料做成的一个很薄的构件。
垫片的主要变形通常限制在其法线方向上，其膜（平面内）和横向剪切等方向对刚度的贡献非常小，可以忽略不计。
垫片材料通常都是受压，具有很强的非线性特性，当压力撤消时，其卸载行为非常复杂。
ANSYS垫片材料允许以表格的形式直接输入试验测量的加载过程和多个卸载过程的“压力－闭合量（垫片上下表面之间的相对位移）”曲线数据，如果无卸载数据，则材料的卸载曲线与加载曲线一致。
对于复杂的垫片连接分析，ANSYS还提供了很多高级选项，比如：
允许有初始间隙、拉伸应力限值、稳定刚度等等。
同时，ANSYS还专门开发了一系列“界面”单元来专门用于垫片分析，包括4节点四边形、6节点四边形、8节点六面体、16节点六面体、12节点棱形体等适合于各种二维和三维应用的单元。
ANSYS的其它非线性材料种类就不在此一一介绍了，有兴趣者可从相关资料中去了解。
最后值得一提的是，ANSYS不但支持数量庞大的材料本构模型，而且提供了一个具有良好逻辑关系的树状菜单结构来让用户很方便、很准确地定义材料参数（尤其是一些复杂的组合材料本构）。
这些材料本构的特性参数都可以是与温度相关，直接在软件界面上定义。
3.1.3.接触/摩擦等状态非线性静力分析
以接触为代表的状态非线性分析问题在航空燃气涡轮发动机设计中非常普遍地存在：
叶片榫头与轮盘榫槽之间的接触、带冠叶片的冠间接触、传动齿轮之间的啮合接触、轴承内的接触、各种各样的装配接触等等。
模拟两个实体之间相互作用（通常还要考虑摩擦、热、电或其它形式的能量交换）的能力对于一个分析软件来说是非常关键的，事实上，接触分析能力已经成为判断非线性分析程序优劣的一个最重要标准。
同时，接触分析的性能和鲁棒性、接触对的定义及其属性管理的方便性、有效的纠错工具等几个方面是考察非线性软件接触分析能力的三个指标。
早在ANSYS2.0版本，ANSYS即具有了接触分析能力，数十年来一直根据高级分析的需要而不断地采用最新的接触算法和技术，表3-3-2简要概述了ANSYS的接触分析特性：
ANSYS最早开发的接触单元是Contac12和Contac52，分别用于模拟二维和三维状态下的点对点接触，单元的基础算法是罚函数法和弹性库仑摩擦模型，是所有单元中最简单的。
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