航空发动机叶片CAD技术综述Word文档格式.docx

1、the majoraero-enginebladesCADtechnology.Key Words：Aero-engine, Blades, CAD 1.引言航空发动机是飞机的“心脏”。航空发动机研制技术复杂，投资巨大，周期长。各国航空发动机行业在突破航空发动机设计技术、材料科学技术和制造技术的同时，广泛采用CAD技术，大力推进产品的信息化。航空发动机叶片是航空燃气涡轮发动机中的关键零件，其中的高压涡轮叶片更是被誉为“现代制造业皇冠上的明珠”，不仅因为其单个产品上万美元的价值，更因其集中体现了各项性能设计要求之间的矛盾。航空发动机叶片属于功能和结构都比较复杂的产品，既要工作在高温、高压和高负荷

2、的条件下，又要具有高效率、小体积和低重量的特点。因此，航空发动机叶片设计问题受到行业内的重点关注。2. 国外航空发动机CAD技术简介2.1 GE公司20世纪60年代后期开始了CAD技术在航空发动机研发中的应用，1980年建立了飞机发动机部门的CIMS，使生产率提高、成本降低。1985年，在发动机设计优化技术基础上，着手开发了一个用于设计优化、自动化集成优化的软件平台Engineous，将Engineous与自主研发的涡轮设计软件和非设计状态分析系统TDOD、压气机设计软件CUS等集成，在压气机和涡轮的国内已开始有关这方面的研究开发工作，但没形成系列化产品。2000年海尔集团与哈尔滨工业大学，共

3、同组建机器人技术有限公司。2002年哈尔滨工业大学机器人研究所成功研制出智能吸尘机器人。浙江大学早在1996年之前就开始了智能吸尘机器人的研究，在路径规划算法、多传感器信息融合等技术领域取得了一定的成果。其他一些国内知名大学和自动化研究所等科研单位也陆续涉足吸尘机器人领域并先后制造出了自己的试验样机。2.2 RR公司20世纪60年代中期，开始在叶片的设计中应用CAD技术，完成了气动分析、应力分析、振动分析和造型设计，并将几何模型存储在数据库中用于加工检验。80年代中期，建成了关键零件的设计计算系统，将CAD技术扩展到了详细设计部门和制造部门，以CADDS为CAD三维建模软件，开发了RADIAL

4、数据库作为CAD/CAM和技术系统的中心几何图档系统。80年代末期，实施发动机的并行工程，基于产品定义、设计过程定义和产品信息支持，建立了协同的计算机工作环境，具体进行了3-D离心压缩机叶轮优化。2.3 PW公司早在1965年即着手研究将CAD/CAM技术应用于航空燃气涡轮发动机的设计/制造中。1968年开发涡轮叶型设计系统TADSYS，使工程分析时间缩短了5/6，提高了设计质量，增强了工程师的判断能力。1974年进一步发展为包括气动设计在内的交互式涡轮设计系统。陆续开发出压气机设计系统CAMD，发动机结构处理系统STAEBC，后来又启动了以用户满意度为核心的Q+（Qulity Plus）工程

5、，并开始采用团队（Team）的形式来管理发动机全生命周期内的一切经济技术活动，目前已经发展成为以并行工程为核心的集成产品开发（Integrated Product Development，IPD），即运用并行工程思想，以信息集成为基础，把设计制造、用户支持等产品开发的各个环节集成到一个团队中，通过不同专业间持续不断的交流来减少重复设计，提高设计质量。3.航空发动机叶片CAD技术发展及问题分析我国的航空发动机研制能力亟需提高。当前，我国航空发动机在研制水平上与国外发达国家尚有明显差距。西方国家的公司3年就可以研制出发动机，即从确定一个型号立项到发动机整机出来，而国内搞的两型发动机都是用时18年，

6、花了西方国家6倍的时间，差距巨大。美国在涡轮发动机的CAD技术研究方面走在了世界前列。3.1 美国的IHPTET计划1988年美国制定并实施了IHPTET（The Integrated High Performance Turbine Engine Technology，综合高性能涡轮发动机技术）计划，其中一个很重要的任务就是开展推进系统数值仿真计划（Numerical Propulsion System Simulation, NPSS），该计划的主要目标是通过高度可靠的多学科综合计算机仿真达到高度的系统分析能力，以提高发动机设计质量，降低研制成本。该计划在1997年实现了发动机的一维仿真，

7、1999年实现发动机的二维仿真，计划在2010年实现三维动态多学科仿真，并最终实现飞机/发动机综合仿真。据称，这一计划一旦实现，美国航空发动机的设计水平将实现一个新的飞跃，预计可使发动机的研制成本再降低40%。3.2 我国的APTD计划在吸取美国IHPTET计划的成功经验的基础上，我国推出了APTD（Advanced Propulsion Technologies Demonstration，航空推进技术验证）计划。APTD是国家为发展先进航空发动机而推动的一项综合的系统性工程，是一项不针对具体型号的发动机技术推进计划。希望通过APTD计划能形成一套完整的以现代信息化手段作为平台的体系标准，然

8、后在整个航空发动机设计发展过程中不断地运用。在APTD计划中，将航空发动机看作整个飞机的子系统，即将其作为飞机的部件来综合考虑，进行发动机先进航空推进技术的研究。3.3 航发叶片CAD技术问题分析我国航空发动机叶片的设计，在产品结构建模方面经历了从二维手工制图到二维计算机制图，再到三维实体建模的转变；在性能分析和验证上经历了从物理样机验证分析到与计算机辅助工程相结合的数字样机的转变。航空发动机叶片的设计，是航空发动机的虚拟样机的关键部分之一，是典型的多环节、多学科、多部门协作的功能和结构都比较复杂的产品。以涡轮叶片为例，其结构的方案设计流程如图1所示。叶片是发动机中最复杂的零件，其设计质量和代

9、价直接影响发动机的质量和代价。国外高水平航空发动机研制基于2点：一是以不断更新发展的最新数学模型作为软件来提升它的设计能力；二是以庞大的数据库作为支撑使模型能够有效地应用5。这2点都需要研发工具和设计方法的支持，对航空发动机叶片的设计更是如此。传统的产品几何设计方法以及单纯依赖通用CAD平台的手工设计方式，已经无法满足叶片结构的快速几何设计要求，更加难以实现快速修改8。在设计过程中采用大型CADCAE等设计软件，由于设计环节之间的耦合性不强，使每个设计环节成为独立的自动化设计信息孤岛。在上下游设计环节之间，设计数据利用率低下，需要设计人员做大量的、反复的数据重复提取工作。设计人员受到领域知识的

10、限制，难以对上下游设计环节做出有效的支持，大大增加了设计难度和设计的重复度，直接影响涡轮叶片的设计质量和设计效率的提高。下面具体地分析当前我国航空发动机叶片设计过程中存在的设计问题。（1）在研发工具方面，需要研发开发工具来支撑叶片的结构设计。国外航空发动机设计公司与设计软件公司之间关系密切，甚至具有核心设计软件的完全产权。比如GE公司的Engineous软件本身就是公司的产品之一，并最终发展为商用的多学科优化设计软件。而国内的大型自主设计软件开发能力有限，在产品建模、性能分析和优化设计等方面，一般为主要引入核心CAD/CAE设计软件结合自主开发部分辅助设计软件的应用模式。数字化设计技术和软件的

11、应用提高了设计效率，但是设计过程中仍然存在很多问题，如产品建模和参数修改问题、产品分析过程建模问题和自动化设计问题等。传统的产品几何设计方法和基于通用CAD平台的手工设计方式，已经无法满足涡轮叶片结构的快速几何设计，更加难以实现快速修改。（2）在知识工程（Knowledge Based Engineering，KBE）方面，基于多领域知识的产品建模较为困难，需要引入CAECAO等辅助设计方法软件进行优化设计。航空发动机涡轮叶片的设计性能要求较高，工作条件苛刻，结构十分复杂，每个子结构的形状和参数都对不止一个性能参数产生影响，如隔肋位置的改变，不仅影响最大应力的分布位置和大小，还影响了冷却效果和

12、气动效率；气膜孔的数目增加，虽然增强了冷却气体和高温燃气的掺混作用，提高了冷却效果，但是却降低了叶片强度；增加扰流肋和扰流柱，不仅增加了冷气的流动时间和与叶片内型的接触面积，增强了冷却效果，也增加了叶片的重量。另外，叶片结构和参数的调整还直接影响叶片固有频率。针对上述问题，国内外研究者虽然做了大量的实物试验和仿真试验并从中总结出了许多计算公式，但这些知识积累仅能用于方案设计阶段，即建立叶片结构的近似初始模型。图2所示为某发动机叶片的CAD仿真模型。在叶片详细设计阶段，仍需要基于CAE软件进行性能分析，并根据计算结果调整叶片子结构的形状和几何参数以满足设计要求。（3）在设计流程方面，航空发动机叶

13、片的CAD/CAE设计环节之间的耦合性差，设计流程的自动化程度较低，需要研究设计方法来支持产品设计流程的自动化。在CAD/CAE设计过程中采用了主流通用设计软件，由于设计人员受到领域知识以及涡轮叶片多学科的复杂性的限制，使得每个设计环节成为独立的信息孤岛，难以对上下游设计环节做出有效的支持，设计数据利用率低下。需要设计人员做大量的、反复的模型重构、参数调整和数据重复提取工作，仍然停留在数字化设计流程的传统应用阶段。（4）在优化设计方面，需要引进计算机辅助优化方法。涡轮叶片的设计质量，即单位参数所达到的水平，主要取决于所采用的设计方法和所选择的参数接近于最优参数的程度。在涡轮叶片相应设计环节中，

14、采用数字化设计技术就其本身来说是有好处和经济实效的，但不能大大缩减发动机研制所花费的时间和财力、物力，更不能从根本上提高产品的设计质量。涡轮叶片的性能设计需要大量设计方案进行比较分析，当产品性能不满足设计要求时，由于设计软件之间的非自动化，设计人员主要凭已有设计经验和准则人工调整设计参数；结构设计受到设计工作复杂、繁琐，设计的高难度、高复杂度和高强度的限制，难以满足性能设计的要求，对涡轮叶片的设计效率和设计质量产生了直接的影响。所以，应该采用计算机辅助优化方法，在计算机中实现方案选择，按照数学模型计算每个产品设计方案的全部特性。基于这些特性组成的优化准则，来进行产品的全面评价并选出最优方案。4

15、.我国航空发动机叶片CAD技术研究进展为了解决上述航空发动机叶片的设计问题，提高涡轮叶片设计工作的自动化程度，必须深入总结和分析针对航空发动机叶片的CAD技术。国内的一些专家学者积极致力于航空发动机涡轮叶片CAD技术的研究与应用，解决了航空发动机叶片设计中的部分问题。研究的单位主要集中在清华大学、哈尔滨工业大学、株洲航空动力机械研究所、西北工业大学、南京航空航天大学和北京航空航天大学等6个单位。研究内容主要集中在3个方面（1）叶型和叶身的几何表示（2）叶片结构设计（3）叶片综合优化设计。下面着重针对叶片设计过程中的几何建模问题和技术进行深入阐述。4.1 叶型和叶身几何表示叶型，即叶身截面线。叶型和叶身曲面的几何表示是叶片结构设计的前提。叶型和叶身曲面是一种复杂的、较为复杂的自由型曲线、曲面，不能用常规初等曲线、曲面来描述，它们的造型方法一直是人们研究的热点。叶身曲面由多条叶型作为基线积叠而成，分为线性积叠和非线性积叠，其成型方法为蒙皮。涡轮叶片几何造型实质就是找到一种既能有效地满足形状表示和几何设计要求，又便于形状信息和产品数据交换的形状描述的数学方法来描述涡轮叶片曲面。叶身曲面造型的难点在于前缘和尾缘等曲率急剧变化的地方易发生扭曲。哈尔滨工业大学的王刚等对叶身曲面几何表示进行了深入研究，他研究了扭