基于ANSYS Workbench的某航空发动机截止阀优化设计.pdf

内燃机与配件w w w n r j p j c n基于A N S Y SW o r k b e n c h的某航空发动机截止阀优化设计孙路,殷雪艳(陕西国防工业职业技术学院,陕西 西安 )摘要:截止阀作为航空设备的重要元件,实现了介质传输、截止、调节等功能,其结构强度直接影响到航空设备的安全可靠运行.本文以某航空发动机用截止阀为研究对象,用S o l i d w o r k s 软件建立三维实体模型,导入有限元软件AN S Y SW o r k b e n c h进行有限元分析,得到了截止阀的前六阶模态频率,进行了模拟瞬间冲击作用下的响应谱分析,得到等效应力云图.结果表明,在阀本体和法兰盘结合处位置承受Z方向(垂直)应力过大,易造成截止阀断裂,对其结构进行优化设计并再次验证其强度,提高了工作效率,缩短设计周期.关键词:截止阀;AN S Y SW o r k b e n c h;三维建模;有限元分析;结构优化中图分类号:TH 文献标识码:A文章编号:X()O p t i m i z a t i o nD e s i g no fA nA e r oE n g i n eC u t o f fV a l v eB a s e do nA N S Y SW o r k b e n c hS u nL u,Y i nX u e y a n(S h a a n x i I n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,S h a a n x iX i a n )A b s t r a c t:A s a n i m p o r t a n t c o m p o n e n t o f a v i a t i o n e q u i p m e n t,t h e c u t o f f v a l v e r e a l i z e s t h e f u n c t i o n s o fm e d i u mt r a n s m i s s i o n,c u t o f f a n da d j u s t m e n t I t s s t r u c t u r a l s t r e n g t hd i r e c t l ya f f e c t s t h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no f a v i a t i o ne q u i p m e n t I n t h i sp a p e r,t h ec u t o f fv a l v eu s e di na na e r o e n g i n e i st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c t,at h r e e d i m e n s i o n a l s o l i dm o d e l i s e s t a b l i s h e dw i t hS o l i d w o r k s s o f t w a r e,a n dt h e f i n i t ee l e m e n t s o f t w a r eA N S Y SW o r k b e n c h i s i m p o r t e df o rf i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s T h e f i r s t s i xm o d a l f r e q u e n c i e s o f t h e g l o b e v a l v e a r e o b t a i n e d,a n d t h e r e s p o n s e s p e c t r u ma n a l y s i su n d e r t h e s i m u l a t e d i n s t a n t a n e o u s i m p a c t i s c a r r i e do u t t oo b t a i n t h e e q u i v a l e n t s t r e s s c l o u dm a p T h e r e s u l t s s h o wt h a tt h e e x c e s s i v eZ d i r e c t i o n(v e r t i c a l)s t r e s sa t t h e j u n c t i o no f t h ev a l v eb o d ya n df l a n g e i se a s yt oc a u s et h eb r e a kT h es t r u c t u r e i so p t i m i z e da n d i t s s t r e n g t h i sv e r i f i e da g a i n,w h i c h i m p r o v e s t h ew o r k i n ge f f i c i e n c ya n d t h ed e s i g nc y c l e K e yw o r d s:C u t o f f v a l v e;AN S Y SW o r k b e n c h;T h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g;F i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s;S t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n作者简介:孙路(),男,河南开封人,汉族,副教授,工程硕士学位,研究方向:机械设计与制造,C A D/C AM.引言近十年来随着计算机硬件的快速发展,计算机性能得到了极大的提高,C A D/C AM/C A E软件推进了产品开发设计由传统模式转向计算机辅助虚拟设计.在传统设计模式中,遵循C A D设计材料选择工艺制定试制试验修改实验定型生产改进等几个阶段,传统设计模式存在开发周期过长的弊端,而建立在C AM/C A E软件环境中的虚拟设计,运用 D建模,对模型进行有限元分析,可以大大缩短设计的周期和实验成本,现在已成为机械设计领域的首选方法.截止阀是一种应用最广泛的截断类阀门之一,它按指令在规定的时间内,接通或切断管路,控制管道中的液体,重要的作用.截止阀作为航空设备的重要元件,实现了介质传输、截止、调节等功能,其结构强度直接影响到航空设备的安全可靠运行.综合利用S O L I DWO R K S强大的实体的建模功能和AN S Y S W o r k b e n c h有限元分析成熟可靠强大的处理功能,对某航空发动机截止阀进行建模、有限元分析,分析阀体结构的固态频率和响应谱,计算各阶模态下的冲击振动,得到阀体所能承受的冲击应力,再根据分析结果对截止阀尺寸和结构进行优化,并再次进行冲击安全性分析,保证了截止阀使用的可靠性,可以大大节省研发时间.三维实体模型的建立 产品外形结构、材料分析本文研究的航空发动机用截止阀在工作时的主要组成部件为阀体、活塞和管接头等零部件组成,由于阀体受空间体积所限,因此在结构设计上,采用了悬臂梁结构方式,阀体内部装有活塞,在其上端和右端部装有管接头,如图所示.图截止阀结构图考虑到航空发动机使用环境以及截止阀形体特点,采用了铝合金 A T,其主要化学成分有锌、铁、镁、铝等,具有较高的强度、塑性以及良好的可切削性,电阻率、点焊和缝焊性能良好,是制造武器装备和航空器结构件的重要材料.尤其是随着航空航天铝合金结构件逐步向整体轻量 化 发 展,其 应 用 愈 发 广 泛 主 要 物 理 性 能 如 表 年第 期所示.表 A 铝合金材料参数材料参数数值密度/(k g/m)弹性模量E/G P a 泊松比u 抗拉强度b/MP a 屈服强度s/MP a 三维实体模型S O L I DWO R K S软件广泛应用于航空航天、汽车、通用机械、医疗器械等领域,是一种面向产品级的通用设计工具,它以参数化特征造型为基础,全面采用非全约束的特征建模技术,适用于各种复杂形体的建模.本文研究的发动机用截止阀在工作时的主要组成部件为阀体、活塞和管接头等零部件,由于阀体受空间体积所限,因此在结构设计上,采用了悬臂梁的结构方式,活塞作为装配在阀体内部的形体,对阀体的强度没有影响,且未出现断裂现象,故无需建模.基于S O L I D EWO R K S 软件进行三维实体的创建.首先根据外形尺寸绘制阀体、管接头的二维草图,对草图进行智能标注、添加几何关系等操作,草图完成后进行草绘特征编辑,利用拉伸凸台、圆角、倒角、切除旋转、切除拉伸等特征完成单个实体创建.截止阀的零部件建模完成后就可以根据要求进行装配.首先新建一个装配体文件,保持装配体处于打开状态,选择插入零部件,在对话框中点击浏览包含所需插入装配体的零件文件,依次选择要插入的零部件即可,最先插入的零部件是整个装配体的最关键的零件,为S O L I DWO R K S软件默认的固定件,之后插入的零部件都是以此为基础,本装配选择阀体为装配基准,插入两管接头零件后,设置准确的装配关系,两个管接头与阀体零件之间的配合约束关系为重合约束,完成了阀体的三维实体模型,如图所示.为了减小建模的难度,将结构上较小的倒角、圆角忽略掉,为保证后续有限元分析结果的准确性,内、外螺纹均采用扫描切除命令得到真实的螺纹.建模完成后,可以使用S O L I D EWO R K S生成工程图,生成的工程图和零件或装配体三维模型之间有全面的关联,无论何时修改零件或装配体的三维模型,所有相关的零件工程图或装配图将自动更新,避免频繁修改图纸.有限元分析与结构优化航空用截止阀较为严酷的环境条件是要承受爆炸冲击,一般对于爆炸冲击响应的探究主要通过实验进行,伴随着计算机技术的发展,利用有限元模型进行模拟的方式得以推广.通过仿真方式,将其应用于模型之上并与试验所得到的结果进行对比,最终利用有限元法进行有效可靠的对冲击响应环境的模拟.模态分析模态分析在工程中被广泛应用,因为它可以用于计算系统结构的固有频率和模态振型,能确定结构和机器零部件的振动特性.模态分析最终是为了分析出系统的模态参数,提供振动特性分析、振动故障诊断和预报,完成结构动力特性的优化设计.在AN S Y SW o r k b e n c h 中,应用T o o l b o x中的M o d e l(模态分析),创建截止阀的模态分析项目.定义该截止阀零件材料的弹性模量、泊松比、密度导等参数值,将参数添加入E n g i n e e r i n gD a t a的工具箱中,定义材料属性.设定材料属性见表所示.对截止阀进行网格划分.通过分析可以看出截止阀形状结构相对较为规则,多为回转圆柱体和六面体且没有较薄或圆环形的的部位,如果采取较复杂的网格划分方法会导致网格质量降低,会产生较差的结果,另考虑到效率以及对计算机求解速度和准确度,这里采用自动设置四面体单元进行网格划分.设定约束条件.截止阀右端的法兰盘是利用螺栓与安装板连接,也就是螺栓连接,为了贴合阀体实际安装状态,故将截止阀右端的法兰盘设置为固定约束.从振动理论可以得知,高阶模态对振动系统的响应结果影响较小,且逐渐变弱,随着振型阶次的增加,固有频率增大,激发高阶能态的振动载荷的能量减弱,且结构在高阶振动下的节点数更多,振动不容易被激发.而低阶模态对于结构系统振动响应影响较大,因此在分析过程中只需要考虑低阶模态,所以本文只求解截止阀前阶的模态.模态频率分析如图所示,模型阶固有模态频率如表所示.图模态频率分析表截止阀前六阶固有频率阶数固有频率/H z 冲击响应谱分析响应谱分析是分析计算结构受到瞬间载荷作用时所产生的最大响应.它主要反应时间历程载荷特征,以便确定结构对随机载荷或随时间变化载荷(如喷气发动机推力、火箭发动机振动等)的动力响应情况.根据截止阀使用环境和受力特点,主要承受的是瞬间冲击响应,为了计算产品在X(纵向)、Y(横向)、Z(垂向)方向的冲击响应谱作用下整个结构的响应情况,需要进行响应谱分析,本文采用单点响应谱分析,重点分析在X(纵向)、Y(横向)、Z(垂向)方向的冲击响应谱作用下整个结构的响应情况.将模态分析中得到的结果加入到响应谱分析模块,加载加速度谱,按照X(纵向)、Y(横向)、Z(垂向)方向依次加载.求解完成后,依次得到截止阀中本体的X方向、Y方向、Z方向等效应力云图.图、图和图分别为截止阀在冲击响应谱作用下本体的应力云图.内燃机与配件w w w n r j p j c n图X方向的等效应力云图图Y方向的等效应力云图图Z方向的等效应力云图从X、Y、Z三个方向的等效应力云图可知,在X方向出现的最大应力值以及Y方向出现的最大应力值都不大,分别为 M P a和 M P a,都位于法兰盘和阀体融合处,均低于本体材料屈服强度 M P a,而Z方向最大应力值也出现在法兰盘和圆筒结构的结合处,为 M P a,远大于屈服强度 M P a,也大于本体材 料 的 抗 拉 强 度(A T 抗拉强度为 M P a),截止阀中的本体在冲击响应谱作用下的最大应力如表所示.根据分析结果,本体出现断裂的危险截面就在法兰盘和圆筒结构的结合处,Z方向应力过大,在冲击响应条件下会造成截止阀的本体材料的失效,因此该截止阀阀体结构存在问题.表本体三个方向的最大应力(冲击响应谱)方向X(纵向)Y(横向)Z(垂向)最大应力/MP a 结构优化图优化后结构从Z方向等效应力云图可知,阀体受冲击最大值出现在阀体圆筒结构和法兰盘的结合处,考虑到如果对阀本体圆筒结构做优化,改动会过大,导致加工成本上升,因此可以通过对阀体法兰盘结构进行优化,改变其的宽度方向形状尺寸,也可以达到相同的效果,如图所示.对优化后的结构再次进行有限元分析.求解完成后,依次得到截止阀的X方向、Y方向、Z方向的等效应力云图,如图、图和图所示.从图中可以看出,结构优化后X方向最大应力值变为 MP a,Y方向的最大应力值变为 MP a,而Z方向最大应力值相比旧结构出现大幅下降为 MP a.图优化后X方向的等效应力云图图优化后Y方向的等效应力云图图优化后Z方向的等效应力云图对于冲击安全级的设备,由冲击载荷引起的应力不得超过静态屈服极限,因此定义“失效系数”:aM i s e ss式中:M i s e s考核单元的应力峰值(MP a);s材料的屈服强度(MP a)当a时,结构安全;当时,结构不安全.表优化后本体三个方向的最大应力(冲击响应谱)方向XYZ最大应力/MP a 其中Z(垂向)方向的危险截面上最大应力为 MP a(如表),小于本体材料的屈服强度(A T 屈服强度为 MP a).失效系数aM i s e ss ,所以结构安全.结论通过对某航空发动机用截止阀进行建模及有限元分析,获得了阀体在X、Y、Z三个方向的极限应力值,结果显示在阀本体和法兰盘结合位置承受Z方向(垂直)应力过大,易造成截止阀断裂,证明该结构设计存在问题,进而优化了法兰盘结构,使其所受应力减小,满足结构设计要求.在阀体测试前进行仿真设计分析,避免反复制造样机、试制、验证,从而提高了阀体设计效率和可靠性.参考文献:连学通,王晓枫基于P r o/E和AN S Y S的两路阀优化设计J机械制造与研究,():凌桂龙 AN S Y SW o r k b e n c h 从入门到精通 M清华大学出版社,罗泽明,郑丽,丁伟基于AN S Y 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