一种航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法与流程

1.本技术属于航空航天技术领域，特别涉及一种航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法。


背景技术：

2.运动机构作为现代航空发动机的重要组成结构，其主要作用一是根据不同工作状态的需求，通过改变气流通道的形状、尺寸等改变发动机热力循环特性，使发动机在各种工作状态下都具有良好的性能和工作稳定性；二是通过运动机构改变排气方向，提高飞行器空中的机动飞行能力、缩短起降滑跑距离，甚至使飞行器具备短距/垂直起降能力。运动机构对提高发动机性能、经济性及飞行器机动飞行能力等方面起到重要作用，在现代发动机设计中广泛使用，主要包括：导叶调节机构、喷管调节机构及进排气活门类调节机构等；
3.航空发动机受到设计空间、结构重量的限制，运动机构通常设计的较为轻薄，其在每秒上百公斤的大流量高压(高达数十个大气压)气动载荷和高温环境载荷综合下极易发生构件变形，带来运动机构调节精度下降的问题，导致流场发生变化，气流激振力异常使转子叶片发生高周疲劳断裂，典型运动机构因调节精度不足而引发的故障；
4.运动机构设计过程中需要开展刚柔耦合动力学仿真，保证运动精度满足设计要求。现有的运动机构刚柔耦合动力学仿真技术方案为：采用商业软件adams建立运动机构多刚体动力学模型；零件以刚性特性进行仿真，其结果不真实，缺少柔性化的处理过程。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本技术提供了一种航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法，包括：
6.步骤s1：对运动机构进行多刚体建模；
7.步骤s2：对运动机构的多刚体模型添加零件之间的运动副，施加载荷和驱动，获得多刚体动力学模型；
8.步骤s3：对多刚体动力学模型进行多刚体动力学仿真，当多刚体动力学模型无法进行仿真，对多刚体模型进行调试，直至多刚体动力学模型成功进行仿真；
9.步骤s4：对运动机构建立有限元模型，判断运动机构中需要柔性化的零件；
10.步骤s5：将需要柔性化的零件在所述多刚体动力学模型中对应的零件均分别进行柔性化处理，构成高精度刚柔耦合动力学模型。
11.优选的是，步骤s4中对于单个零件变形占总变形的比例大于预设值的零件视为柔性体，反之视为刚性体。
12.优选的是，多刚体建模采用软件adams，有限元模型建模采用软件ansys。
13.优选的是，步骤s41：柔性化处理的方法包括：
14.步骤s42：通过软件ansys对需要柔性化的构件进行有限元建模，
15.步骤s43：调整有限元建模的控制网格/节点数量、边界条件和模态提取阶次；
16.步骤s44：提取有限元建模的模态中性文件；
17.步骤s45：将模态中性文件导入软件adams多刚体模型中对对应的零件柔性化；
18.步骤s46：当软件ansys和软件adams中零件连接点处的变形计算结果误差小于预设值，柔性化处理完成，否则返回步骤s43。
19.优选的是，步骤s46的预设值取值为2％。
20.优选的是，步骤s4中对于单个零件变形占总变形的比例大于2％的零件视为柔性体，反之视为刚性体。
21.优选的是，对运动机构进行多刚体建模之前对运动机构构件进行去掉包括不限于倒圆、倒角、孔的细节特征。
22.本技术的优点包括：本技术通过明确运动机构柔性化构件及其有限元模型网格质量、节点数量及边界条件等因素，可保证航空发动机运动机构动力学仿真结果误差小于5％，实现航空发动机运动机构刚柔耦合动力学仿真精度的大幅提升，避免因运动精度不足而引发的相关故障，提高航空发动机安全性和可靠性。
附图说明
23.图1是本技术航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法流程图。
具体实施方式
24.为使本技术的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本技术的部分实施例，其仅用于解释本技术，而非对本技术的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本技术相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。
25.此外，除非另有定义，本技术描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本技术描述中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等表示方位的词语仅用以表示相对的方向或者位置关系，而非暗示装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，当被描述对象的绝对位置发生改变后，其相对位置关系也可能发生相应的改变，因此不能理解为对本技术的限制。本技术描述中所使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似用语，仅用于描述目的，用以区分不同的组成部分，而不能够将其理解为指示或暗示相对重要性。本技术描述中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语，不应理解为对数量的绝对限制，而应理解为存在至少一个。本技术描述中所使用的“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
26.此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本技术的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本技术中的具体含义。
27.本发明的技术方案如图1所示，一种航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法，包括以下步骤：运动机构模型简化(1)，多刚体建模(2)，动力学模型设置(3)，刚体动力学分析(4)，零件刚度分析(5)，柔性化构件有限元建模(6)，有限元模型设置(7)，模态中性文件生成(8)，构件柔性化(9)，刚柔耦合动力学分析(10)，获得运动机构高精度动力学仿真结果。
28.上述步骤具体说明如下：
29.a)步骤1，对运动机构构件进行简化，去掉倒圆、倒角、孔等细节特征。
30.b)步骤2～步骤4，采用商业软件adams进行多刚体建模，添加零件之间的运动副，施加载荷和驱动，进行多刚体动力学仿真，如模型无法进行仿真，开展调试工作，直至多刚体动力学模型成功进行仿真。
31.c)步骤5，采用商业软件ansys建立运动机构有限元模型，开展零件刚度分析，对于单个零件变形占总变形的比例大于2％的构件，需将其视为柔性体，反之视为刚性体，此步骤确定需要柔性化的零件。
32.d)步骤6～步骤8，采用商业软件ansys对需要柔性化的构件进行有限元建模，合理控制网格/节点数量、设置边界条件和模态提取阶次，提取模态中性文件后替换多刚体模型中对应的刚性体，保证ansys和adams中零件连接点处的变形计算结果误差小于2％；
33.反复调整网格/节点数量、边界条件和模态提取阶次直至满足误差要求；依次对每一个需要柔性化的零件开展上述工作，保证其分析精度并获得每一个零件的模态中性文件。
34.e)步骤9～步骤10，用所有模态中性文件替换多刚体模型中对应的刚性体，构成高精度刚柔耦合动力学模型，开展全运动范围内的运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真，获得运动机构调节精度结果。
35.某航空发动机运动机构主要含阀片、连杆、联动环和作动筒等零件。采用步骤2～步骤4，完成了运动机构多刚体建模及动力学仿真。采用步骤5开展零件刚度分析，确定该运动机构中联动环和阀片需要进行柔性化。采用步骤6～步骤8，确定合理的边界条件设置方式，联动环和阀片节点数量分别为100000左右、50000左右，联动环和阀片模态提取阶次均为10阶，可以保证单个零件变形仿真结果误差小于2％，分别生成联动环和阀片的模态中性文件。采用步骤9～步骤10，将多刚体动力学模型中阀片和联动环替换为柔性体，选取阀片关闭工况进行仿真，该工况adams仿真结果与ansys误差小于5％，说明运动机构刚柔耦合动力学模型仿真精度较高，可采用该模型进行全运动范围内的动力学仿真。
36.表1仿真精度对比分析结果
[0037][0038]
本技术通过明确运动机构柔性化构件及其有限元模型网格质量、节点数量及边界条件等因素，可保证航空发动机运动机构动力学仿真结果误差小于5％，实现航空发动机运
动机构刚柔耦合动力学仿真精度的大幅提升，避免因运动精度不足而引发的相关故障，提高航空发动机安全性和可靠性。
[0039]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法，其特征在于，包括：步骤s1：对运动机构进行多刚体建模；步骤s2：对运动机构的多刚体模型添加零件之间的运动副，施加载荷和驱动，获得多刚体动力学模型；步骤s3：对多刚体动力学模型进行多刚体动力学仿真，当多刚体动力学模型无法进行仿真，对多刚体模型进行调试，直至多刚体动力学模型成功进行仿真；步骤s4：对运动机构建立有限元模型，判断运动机构中需要柔性化的零件；步骤s5：将需要柔性化的零件在所述多刚体动力学模型中对应的零件均分别进行柔性化处理，构成高精度刚柔耦合动力学模型。2.如权利要求1所述的航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法，其特征在于，步骤s4中对于单个零件变形占总变形的比例大于预设值的零件视为柔性体，反之视为刚性体。3.如权利要求1所述的航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法，其特征在于，多刚体建模采用软件adams，有限元模型建模采用软件ansys。4.如权利要求3所述的航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法，其特征在于，步骤s41：柔性化处理的方法包括：步骤s42：通过软件ansys对需要柔性化的构件进行有限元建模，步骤s43：调整有限元建模的控制网格/节点数量、边界条件和模态提取阶次；步骤s44：提取有限元建模的模态中性文件；步骤s45：将模态中性文件导入软件adams多刚体模型中对对应的零件柔性化；步骤s46：当软件ansys和软件adams中零件连接点处的变形计算结果误差小于预设值，柔性化处理完成，否则返回步骤s43。5.如权利要求3所述的航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法，其特征在于，步骤s46的预设值取值为2％。6.如权利要求1所述的航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法，其特征在于，步骤s4中对于单个零件变形占总变形的比例大于2％的零件视为柔性体，反之视为刚性体。7.如权利要求1所述的航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法，其特征在于，对运动机构进行多刚体建模之前对运动机构构件进行去掉包括不限于倒圆、倒角、孔的细节特征。

技术总结
本申请属于航空航天技术领域，特别涉及一种航空发动机运动机构高精度刚柔耦合动力学仿真方法，步骤S1：对运动机构进行多刚体建模；步骤S2：对运动机构的多刚体模型添加零件之间的运动副，施加载荷和驱动，获得多刚体动力学模型；步骤S3：对多刚体动力学模型进行多刚体动力学仿真，当多刚体动力学模型无法进行仿真，对多刚体模型进行调试，直至多刚体动力学模型成功进行仿真；步骤S4：对运动机构建立有限元模型，判断运动机构中需要柔性化的零件；步骤S5：将需要柔性化的零件在所述多刚体动力学模型中对应的零件均分别进行柔性化处理，构成高精度刚柔耦合动力学模型。成高精度刚柔耦合动力学模型。成高精度刚柔耦合动力学模型。


技术研发人员：杨昌祺 曹航 许春阳 宋慧涛 葛长闯
受保护的技术使用者：中国航发沈阳发动机研究所
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/10/11