矢量推力发动机试车台有限元建模

王丽，高瀚君，王光发

(1.中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095;2.北京航空航天大学，北京100191)

0 引言

航空发动机在定型试验阶段要经过反复的台架试验，在生产和维修过程中，也都需要通过试车台对发动机的性能进行测试。航空发动机的推力是鉴定发动机性能指标的关键参数，但是由于各种因素的影响，试车台测得的发动机推力与其真实推力有可能相差甚远。建立矢量推力发动机试车台有限元分析模型，分析各影响量的权重，对矢量推力发动机试车和试车台校准有重要的指导作用。

1 矢量推力发动机试车台有限元建模

1.1 矢量推力发动机试车台分析

航空发动机是一个强非线性、时变、高度复杂的多维气动热力学系统，为了研究其工作特性和进行有效的控制，需要建立一套推力测量装置。典型的发动机推力测量装置由动架、定架、测力传感器、二次仪表和校准装置组成。发动机固定在动架上，试车时，在发动机推力的作用下，发动机连同动架沿轴向移动，与定架上的推力测量传感器相平衡，从而测得发动机推力。另外，在推力测量传感器两端都装有挠性件，以保证发动机推力能够全部分解在空间的三个轴向，从而测试到真实的发动机推力。

矢量推力发动机试车台有限元建模完成后，可以得到挠性件、环境、发动机安装、校准加载位置等因素对推力测量的影响，从而对矢量推力发动机试车台推力测量和试车台校准提供指导。

1.2 矢量推力发动机试车台有限元建模

1.2.1 矢量推力发动机试车台有限元建模方法

有限元建模的一般流程如图1所示。

图1 有限元建模的一般流程

几何模型建立:可直接在ICEM(The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code for Computational Fluid Dynamics)中建立，也可以从CAD软件中(如CatiaUnigraphics等)读入，或先从CAD软件中读入，再在ICEM中进行编辑修改。为了建立四边形/六面体网格，得到较好的计算速度和准确度，矢量推力发动机试车台的几何模型在UG软件中建立。

模型的简化和修整:应用不同的有限元分析软件划分网格时，需要根据分析对象的结构特点、有限元分析软件的功能和使用者自身的习惯对模型进行必要的改动和修整。例如，对于平板梁结构，大多使用平面壳单元，有时就需要提取平板结构的中间面作为划分几何位置参考。矢量推力发动机试车台的几何模型在UG和ICEM软件中简化和休整。

有限元模型的建立:矢量推力发动机试车台有限元模型的建立在ANSYS APDL(ANSYS Parametric Design Language)中进行的建模过程，包括有限元网格的划分、网格导入、单元类型定义、材料定义、实常数定义、单元截面定义、载荷的施加、约束的施加。

1.2.2 矢量推力发动机试车台各部分建模

1)静架的建模

静架在整个结构中是基础的作用。它的受力以及力学特性不是我们研究的主要内容。故此，在整个建模中可以不用建立静架的实体模型，直接将静架当做基础处理。如图2所示静架对动架为固定整体约束，即静架对动架的3个平动约束和3个转动约束均为0。

图2 静架建模

2)传感器及挠性件的建模

在整体模型中，各个传感器位置采用X，Y，Z三个方向的三个弹簧线单元等效替代传感器与挠性件的组合。并通过对传感器和挠性件组件单独的建模分析，计算得到组件在X，Y，Z三个方向的刚度。再将三个方向的刚度值赋给对应的弹簧单元。从而实现组件的等效替代。

三个弹簧单元一端相交于同一节点，另一端(自由端)将作为整个模型的约束，将在每个自由端添加三个方向的全约束。

3)动架的建模

动架是整体结构中的主要受力构件，其结构特性、受力分布以及模态分析等是矢量推力发动机试车台有限元分析工作中的重要部分。基于划分网格难度、计算精度、计算效率等方面考虑，动架建模将采用二维壳单元、六面体网格、四面体网格、二维线单元四种混合网格的方式建模，具体建模过程如图3。

图3 动架建模过程

①几何模型导入ICEM

将简化后的模型保存成“*.igs”格式，导入ICEM中。导入后，ICEM软件会自动对装配体中的每个部件编号。这些编号具有随机性。动架共有105个部件，因此在导入后，需要将每个零件与编号相对应，并将其分组，以便后续能够快捷有效地划分网格。

②模型处理

导入的.igs格式的CAD模型，只有点、线、面元素，没有体元素。六面体梁结构导入ICEM后即只有六个面及其附属的点和线。由于梁结构要划分成平面的壳单元，因此需要在ICEM中确定每个梁需要划分网格的参考位置面。大多数梁都选择其中间面为几何参考。为了与其他结构衔接，有少部分梁选择顶面或底面作为网格的几何参考。由于模型组件数量较多，还要对模型进行一些清理和分块，以提高对模型的管理效率。

③建立块

与ABAQUS等有限元软件的网格划分方法不同，对于几何形状相对复杂的模型，ICEM采用分块的方法构造质量较高的四边形网格和六面体网格。分块方法的主要思想是根据几何模型建立二维或三维的块，通过对块的切分和合并，使模型并分为若干个简单的形状，从而通过映射的方法生成单元。为了得到以四面体为主的二维壳单元，本课题将所有的梁结构面作为参考，生成了相应数量的二维块。

④生成面单元

根据得到的块，调整部分网格密度参数，即可得到梁结构位置处的壳单元。

⑤生成体单元

对于其中几个实体结构，采用四面体(自由网格)和六面体(结构网格)的体单元。

图4 动架建模

⑥网格导入ANSYS APDL

在ICEM中划分好所需的网格后，将网格数据存储在“.in”格式的文件中。ANSYS APDL可以很好地读取“.in”格式的文件中的网格。从而可以实现将ICEM所划分的网格导入ANSYS。

⑦设置单元、材料、实常数、边界条件等参数

a)定义单元类型

ANSYS的单元库可谓琳琅满目，本课题根据各单元的特点和试用条件，选用了以下4种单元:SOLID185(体单元)、SHELL181(壳单元)、COMBIN14(弹簧单元)和MASS21(质点单元，用于后面的刚体建模)

b)定义单元实常数

在这里，只有COMBIN14单元需要定义单元的实常数，即弹簧单元的刚度。各弹簧单元的刚度就是该位置传感器在该方向上的刚度。

c)定义材料属性

矢量推力发动机试车台的结构主要由某种钢组成，该分析仅仅需要材料。通过查看《飞机设计手册第3册材料(上)》中第一章中的内容可以获得材料的弹性模量、泊松比和密度等性能。

d)施加载荷

矢量推力发动机试车台共受四个集中力载荷，分别是发动机重力、进气道重力、自身重力和发动机推力。根据各个载荷的大小和方向进施加。

1.3 网格密度的验证

在建模初步完成后，需要对有限元模型进行验证。对于同一种类型的网格来说，划分网格数量的不同，会对分析结果造成影响。在一定的范围内，网格划分的越密，即单元和节点数量越多，则分析结果越精确。在网格数量到达一定程度后，继续加密网格只能极小地提高计算精度，甚至有可能使计算精度降低。

分别建立节点数从多到少分别为139779，126479，97978，83656四组模型。通过施加相同条件的载荷对比，最大变形非常接近，最大相对误差不足0.7%。在工程实践上，可认为四组模型均可作为计算模型，在10万节点数条件下，适当的增加或减少网格数量，对最大变形结果几乎无影响。

2 结论

通过在UG软件中建立矢量推力发动机试车台的几何模型，在ICEM中进行编辑修改几何模型，最后在ANSYS APDL建立有限元模型。这个矢量推力发动机试车台有限元模型包括97978个节点，30336个单元，经过试算，网格质量合格，计算能够收敛，可以转入下一阶段的有限元分析的工作。

［1］吴惠明.涡喷涡扇发动机试车台推力测量校准现状及展望［J］.计测技术，2012，32(4):1-3.

［2］宋江涛，邓小宝，魏海涛.航空发动机试车台推力仿真技术研究［J］.计算机仿真，2012，29(1):6-70.