CN111597648B - 一种航空发动机机匣弧面管路的参数化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种航空发动机机匣弧面管路的参数化建模方法，首先将发动机机匣弧面敷设的U形管路的柱坐标，使用5个参数直接描述，然后将柱坐标转化为直角坐标。且对U形管路进行简单的修改即可得到其他的机匣弧面管形，例如L形、Z形、斜边U形以及不规则形管道。本发明而且相比于传统的软件建模手段，其优势在于理清了不规则管形的变化参数，而且采用较少的参数即可描述整条不规则管路的几何特征。该方法为后续不规则管形布局的优化和参数灵敏度讨论铺平了道路。

Description

一种航空发动机机匣弧面管路的参数化建模方法

技术领域

本发明属于航空发动机导管的结构设计分析领域，具体涉及沿着航空发动机外部曲面不规则布局管路的参数化建模方法。

背景技术

目前，航空发动机管路均是采用商用软件直接建模方法，例如UG、PROE等软件，依据弧面和管路所连接的接口位置等信息，在机匣结构外部进行敷设管路的设计出布局走向各异的不规则管路。但是这种基于软件的建模方法，管路走向布局中一些弯折尺寸的确定，带有很大的经验性。虽然有设计手册标准的要求，但是标准仅是一般原则性建议，无法具体确定管路某一弯折尺寸。

另一方面，这种直接建模方法，造成结构布局不同的管路之间似乎变得毫无规律可言。因为这种软件直接画图而出管路，没有体现出所设计出的内在结构性特点，容易被发动机众多管路的不规则性所掩盖，从而难以确定其管形对结构的固有特性和可能的振动响应等的影响规律。实际工程中，发动机各种管路的数量多达上千根，若要逐一研究每根不规则管路的动态特性，分析工作量巨大。而且若出现计算结果落入共振频段时，在管路的故障溯源和改进设计中，因为无法确定某一尺寸对管路结构的动态影响规律，无法快速地甄别关键结构参数，实践中经常采用试凑方法，盲目性很大，所以直接建模方法难以对管路实施精准的布局改进和优化设计。

综上，传统的直接建模方法，给航空发动机管路的设计分析和管形改进带来很大的难题。而造成这些问题的根本原因是，没有用参数化方法来实现任意不规则管路的建模描述。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种航空发动机机匣弧面管路的参数化建模方法。采用少量的设计参数，实现航空发动机机匣弧面不规则管路的建模，揭示任意不规则管路结构内在的参数规律性。为不规则发动机管形布局的优化和参数灵敏度分析铺平道路。

技术方案

一种航空发动机机匣弧面管路的参数化建模方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将发动机机匣视为圆柱坐标系，管路在柱坐标系的圆弧面上进行布局设计；管路沿着机匣圆弧面敷设半径ρ设置为：ρ＝机匣半径r_c+管路与机匣间的间隙要求r_g+管路半径r_p；

步骤2：发动机机匣弧面敷设的U形管路的柱坐标，使用ρ，

n，h_A，h_F这五个参数直接描述；其中，ρ为管路沿着机匣圆弧面敷设半径，

为导管沿着机匣弧面布局时所经过的圆截面角度，n为圆截面角度“以直代曲”的分割段数，h_A为U形管路平行直线段的长度，h_F为U形管路另一条平行直线段的长度；

步骤3：采用“以直代曲”的方法，对于绕着机匣曲面的圆弧曲线管路，用若干直线段管路来代替；

步骤4：将U形管各个弯折点的柱坐标转换为直角坐标，具体为：直角坐标原点设置在柱坐标圆心轴线上，U形管的平行边与直角坐标系的x轴平行或重合，z轴与柱坐标的高度方向一致，此时，直角坐标就表示成ρ，

n，h_A，h_F这五个参数的函数。

步骤3中每隔15°～30°做一次弯折，管路圆弧段的折线段数n，它的取值与管道所经过的圆截面角度

相关：

。

以U形管为基础布局管形，其他的机匣弧面管形，例如L形、Z形、斜边U形以及不规则形管道，均可以在已有的U形管基础上，做适应修改而得到：删除U形管其中一条平行边，变为L形管；将U形管的一条平行边反向，得到Z形管；用斜边代替原U形管的折角，得到不规则斜边U形管；继续在弧面上平移不同弧面折点，还能够得到任意不规则管形。

有益效果

本发明提出的一种航空发动机机匣弧面管路的参数化建模方法，本发明方法不但实现了发动机机匣弧面任意U形导管的参数化建模，同样适用于L形管和Z形管的参数化建模，还实现了各种不规则管形的参数化建模，具有任意不规则管形的发动机机匣弧面管路的参数化建模能力。而且相比于传统的软件建模手段，其优势在于理清了不规则管形的变化参数，而且采用较少的参数5～8个即可描述整条不规则管路的几何特征。该方法为后续不规则管形布局的优化和参数灵敏度讨论铺平了道路。

附图说明

图1柱坐标与直角坐标

图2发动机机匣弧面上的一段U形管路

图3机匣弧面U形管路的参数化建模流程图

图4发动机机匣弧面管路一的模型图

图5发动机机匣弧面管路二的模型图

图6发动机管路三的模型图

图7 L形管路可以由U形管路做一简单变化获得过程图

图8 Z形管路可以由U形管路做一简单变化获得过程图

图9 U形管的变化之一——不规则U形斜线管形图

图10 U形管的变化之一——不规则管形图

图11不规则管形的参数化建模流程图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

发动机圆形机匣弧面可以视为一个圆柱筒壁，管路在其筒壁面上进行不同的走向布置，若需要研究布局参数对管路结构动态的影响，此时需要研究管路的参数化建模方法，即仅用若干个几何参数，能够实现在一个圆柱形筒壁上，确定不规则管道的所有弯折点坐标。

若某一管路布置于发动机机匣圆筒上，将发动机机匣弧面视为一个柱坐标系，如图1所示，在柱坐标系内，其采用半径r、转角

高度h这三个参量来描述某一弯折点的位置信息，而且柱坐标系中的位置信息可以转换为直角坐标系中。

这里以一段U形管路为例，演示其参数化建模方法。将一段沿着发动机筒壁平铺。U形管的两个直线段平行于筒高方向，U形管的中段沿着筒壁圆弧方向敷设。如图2所示。图中将沿着机匣敷设的弧面段按照所经过的圆截面角度，即柱坐标角度

采用“以直代曲”的方法，分成三个直线段来代替，即n＝3，即弧形管道BE段，转变为三段直线管路BC、CD和DE，此时，U形管的所有弯折点分别以字母A～F来表示。

根据图2，在柱坐标系内，可以写出这A～F六个弯折点的柱坐标，分别为：

A：(ρ,0,h_A)

B：(ρ,0,0)

C：

D：

E：

F：

因为工程中管路坐标仍然采用的是直角坐标建模，将上述结果转换为图示的直角坐标系xyz中。其中，直角坐标原点在柱坐标圆心轴线上，U形管的平行边与直角坐标系的某一轴平行或重合。这里取x轴通过B点，z轴与柱坐标的高度方向一致。这样图2中所示的U管道的所有弯折点的直角坐标为：

A：(ρ,0,h_A)

B：(ρ,0,0)

C：

D：

E：

F：

可见，上述发动机机匣敷设的U形管路各个弯折点的直角坐标，均可以表示成ρ，

n，h_A，h_F这五个参数的函数。表1中列出了这五个参数的几何意义。

表1五个参数及其几何意义

这样通过五个参数，就实现了一段发动机U形弧面管路的参数化所需的直角坐标确定。

确定了这些直角坐标后，就可以借助于商用软件来实施管路的建模。具体方法是，首先在商业软件中定义表1中的五个变量并赋值。然后，将上述弯折点的直角坐标函数表达式编入到软件的前处理建模程序中。再次，将各个弯折点坐标按走向顺序依次连接，即可完成管线的中线折线图。最后在每段折线之间定义过渡圆角半径，可以使得管路变得平滑。就获得了最终的机匣弧面U形管路。

上述机匣弧面U形管路的参数化建模流程，如图3所示。

下面用三种不同类型管路实例(分别是：U形管路、L和Z形管路、不规则管路。)来演示用该方法的实施过程，这里演示以ANSYS软件为建模工具，展示所完成的管路模型。

(1)U形管路(三种)

管路一：机匣半径r_c＝600mm，管路与机匣间的间隙要求r_g＝10mm，管路半径r_p＝8mm，则U形管绕着机匣敷设的弯曲半径为ρ＝r_c+r_g+r_p＝618mm。弯曲角度

此时n＝2，设置h_A＝200mm，h_F＝100mm，在ANSYS软件中形成的管路中线折线图，如图4(a)所示，可见采用ρ，

n，h_A，h_F这五个参数，就直接建立了不同布局的U形发动机弧面导管的中线折线图。继续设置各个折线之间的过渡圆角半径R_bl，航标规定此折线间的过渡圆角半径一般取为4倍的管道外径R_bl＝4D＝4*16＝64mm，最终形成的发动机U形管形如图4(b)所示。

管路二：机匣半径r_c＝400mm，管路与机匣间的间隙要求r_g＝10mm，管路半径r_p＝6mm，则U形管绕着机匣敷设的弯曲半径为ρ＝r_c+r_g+r_p＝416mm。弯曲角度

此时n＝3，设置h_A＝150mm，h_F＝150mm，在ANSYS软件中形成的管路中线折线图，如图5(a)所示，继续设置各个折线之间的过渡圆角半径R_bl，航标规定此折线间的过渡圆角半径一般取为4倍的管道外径R_bl＝4D＝4*12＝48mm，最终形成的发动机U形管形如图5(b)所示。

管路三：机匣半径r_c＝300mm，管路与机匣间的间隙要求r_g＝8mm，管路半径r_p＝4mm，则U形管绕着机匣敷设的弯曲半径为ρ＝r_c+r_g+r_p＝312mm。弯曲角度

此时n＝5，设置h_A＝50mm，h_F＝120mm，在ANSYS软件中形成的管路中线折线图，如图6(a)所示，继续设置各个折线之间的过渡圆角半径R_bl，航标规定此折线间的过渡圆角半径一般取为4倍的管道外径R_bl＝4D＝4*8＝32mm，最终形成的发动机U形管形如图6(b)所示。

(2)L形和Z形管路

L形和Z形管路的建模方法。上面演示了U形管路，发动机管路布局中还有其他的管形布局，例如L形和Z形。它们无需重新建模，而是均可以由上述U形管路做一简单变化而来。其中，L形即为减去U形管路的某一条平行边而获得，建模转换示意图如7(a)所示。采用这个方法，能够快速得到的L形管路如图7(b)所示。

而Z形管路可以将U形管路的一条平行边折向另一边而获得，即某一平行段的Z方向改为-Z方向，建模转换的示意图如8(a)所示。采用该方法，能够快速得到的沿着机匣弧面布置的一段Z形管路，如图8(b)所示。

(3)不规则管形的建模方法

发动机管路布局中还有其他不规则的管形布局，但仍然可以由U形管路做少量变化而来。变化之一的示意图如图9(a)所示，相比原来的U形管路，该管路无BC、GB段，而是直接从平行段斜插到C点。此种情况，在原来的U形管A～F各个弯折点坐标的基础上，增加G点，并且在ANSYS连接建模的过程中，省略BC、GB段连接线，直接将GC连成折线，即用G点坐标直接代替B点坐标即可。得到的U形斜线管形如图9(a)所示。本建模方法相比原U形管路的建模参数，多了长度参数BG。

还有更加复杂走向的管形布局形式，也可以从图1提出的U形管进行适当的变化得到。如图10(a)所示一段不规则管路，需要在图8的模型中继续计算H、I点的坐标，这两点的坐标可以通过D、E两点分别沿Z轴方向平移一个距离DH、EI得到。连接过程中直接用H、I点的坐标替换原来D、E两点的坐标即可，从而得到不规则布局的管路模型，如图10(b)所示。本建模方法相比原U形管路的建模参数，多了长度参数BG、DH和EI。

从上述不同的管形的建模效果可以看到，本发明在这个U形管的参数化模型的基础上，又采用少量的修改，删除U形管其中一条平行边，就变为L形管。将U形管的一条平行边反向，就得到Z形管。用斜边代替原U形管的折角，就得到不规则斜边U形管；继续在弧面上平移不同弧面折点，就得到任意不规则管形。从U形管变化为不规则管形的参数化建模过程如图11所示。

Claims (3)

1.一种航空发动机机匣弧面管路的参数化建模方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将发动机机匣视为圆柱坐标系，管路在柱坐标系的圆弧面上进行布局设计；管路沿着机匣圆弧面敷设半径ρ设置为：ρ＝机匣半径r_c+管路与机匣间的间隙要求r_g+管路半径r_p；

步骤2：发动机机匣弧面敷设的U形管路的柱坐标，使用ρ，

n，h_A，h_F这五个参数直接描述；其中，ρ为管路沿着机匣圆弧面敷设半径，

为导管沿着机匣弧面布局时所经过的圆截面角度，n为圆截面角度“以直代曲”的分割段数，h_A为U形管路平行直线段的长度，h_F为U形管路另一条平行直线段的长度；

步骤3：采用“以直代曲”的方法，对于绕着机匣曲面的圆弧曲线管路，用若干直线段管路来代替；

步骤4：将U形管各个弯折点的柱坐标转换为直角坐标，具体为：直角坐标原点设置在柱坐标圆心轴线上，U形管的平行边与直角坐标系的x轴平行或重合，z轴与柱坐标的高度方向一致，此时，直角坐标就表示成ρ，

n，h_A，h_F这五个参数的函数。

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机机匣弧面管路的参数化建模方法，其特征在于：步骤3中每隔15°～30°做一次弯折，管路圆弧段的折线段数n，它的取值与管道所经过的圆截面角度

相关：

。

3.根据权利要求1所述的一种航空发动机机匣弧面管路的参数化建模方法，其特征在于：以U形管为基础布局管形，其他的机匣弧面管形，L形、Z形、斜边U形以及不规则形管道，均可以在已有的U形管基础上，做适应修改而得到：删除U形管其中一条平行边，变为L形管；将U形管的一条平行边反向，得到Z形管；用斜边代替原U形管的折角，得到不规则斜边U形管；继续在弧面上平移不同弧面折点，还能够得到任意不规则管形。

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