CN116738623A - 一种带接触热阻的零部件过渡态热分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种带接触热阻的零部件过渡态热分析方法及系统，通过计算相邻零件之间的挤压应力值，并根据挤压应力值对零件接触面的接触热导进行修正，获得更精准的零部件接触面的接触热导修正值，在不改变计算几何模型的前提下，实现过渡态计算过程中零部件接触面在接触状态与非接触状态之间的相互转化时，能够准确的模拟零部件之间的接触导热状态，使接触热导与实际情况更为接近，从而获得更加准确的接触区域过渡态温度分布。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，公开了一种带接触热阻的零部件过渡态热分析方法及系统。
背景技术
航空发动机及燃气轮机热分析是一种评估零部件、组件或整机温度水平的计算方法，其目的是提供准确的零件温度分布供相关专业分析与使用。目前的热分析方法主要依靠二次流气体参数计算换热边界，再借助商用软件开展热分析计算。改进方法普遍从提高二次流换热边界的准确性入手，实际上在航空发动机及燃气轮机工作过程中，零部件持续受到温度、离心力等载荷的影响而发生结构变形，该变形会直接改变零部件之间的接触状态。随着发动机工作状态的变化，零件之间的接触状态在非接触、接触、紧密接触之间过渡，零部件之间的能量传递也随之改变，最终会影响零部件温度梯度分布与温度值。
原来的过渡态热分析仿真计算中，接触边界全时间历程为固定数值，即全时间历程内接触状态是固定的，无法模拟零部件之间的接触变化，以及零部件之间导热状态的变化，从而导致过渡态仿真计算中零部件接触区域的温度变化趋势与实际有差异，甚至影响下一步强度变形与寿命的评估结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带接触热阻的零部件过渡态热分析方法及系统，能够准确的模拟零部件之间的接触导热状态，使接触热导与实际情况更为接近，从而获得更加准确的接触区域过渡态温度分布。
为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：
一种带接触热阻的零部件过渡态热分析方法，包括：
建立零部件过渡态热分析模型，对分析模型进行有限元网格划分，并对零部件内部接触面建立网格的接触单元；
根据分析模型的换热与流动情况建立换热分区，并计算各换热分区的换热边界；
对换算分区内的接触单元赋接触热导初始值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布；
根据分析模型随时间变化的温度分布，开展强度变形过渡态分析，获得接触面上随时间变化的挤压应力值；
根据接触面上随时间变化的挤压应力值，对接触单元的接触热导进行修正，得到变形反馈后的接触热导修正值；
对接触单元赋接触热导修正值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布分析值。
进一步地，在得到变形反馈后的接触热导修正值后，判断接触热导修正值与接触热导初始值之差是否满足偏差上限阈值要求，若满足偏差上限阈值要求，则对接触单元赋接触热导修正值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布分析值；否则根据接触热导修正值对应的分析模型随时间变化的温度分布分析值开展强度变形过渡态分析，并对接触单元的接触热导进行迭代修正，直至接触热导修正值与接触热导初始值之差满足偏差上限阈值要求。
进一步地，变形反馈后的接触热导修正值，其中/>为两种接触材料在接触面上弹性模量的平均值，/>为接触面导热系数，/>为接触面的两个表面粗糙度平均值，/>为挤压应力值，/>为有效表面微凸起斜度。
为实现上述技术效果，本发明还提供了一种带接触热阻的零部件过渡态热分析系统，包括：
模型构建模块，用于建立零部件过渡态热分析模型，对分析模型进行有限元网格划分，并对零部件内部接触面建立网格的接触单元；
换热边界分析模块，用于根据分析模型的换热与流动情况建立换热分区，并计算各换热分区的换热边界；
温度场分析模块，用于对换算分区内的接触单元赋接触热导初始值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布；或对换算分区内的接触单元赋接触热导修正值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，输出分析模型随时间变化的温度分布分析值；
强度分析模块，用于根据分析模型随时间变化的温度分布，开展强度变形过渡态分析，获得接触面上随时间变化的挤压应力值；
接触热导修正模块，用于根据接触面上随时间变化的挤压应力值，对接触单元的接触热导进行修正，得到变形反馈后的接触热导修正值。
进一步地，还包括：
偏差比对模块，用于获取变形反馈后的接触热导修正值，并判断接触热导修正值与接触热导初始值之差是否满足偏差上限阈值要求，若满足偏差上限阈值要求，则向温度场分析模块发出输出分析模型随时间变化的温度分布分析值并结束；否则向强度分析模块发出采集温度场分析模块中的分析模型随时间变化的温度分布分析值开展强度变形过渡态分析，并对接触单元的接触热导进行迭代修正。
进一步地，所述接触热导修正模块中，变形反馈后的接触热导修正值，其中/>为两种接触材料在接触面上弹性模量的平均值，/>为接触面导热系数，/>为接触面的两个表面粗糙度平均值，/>为挤压应力值，/>为有效表面微凸起斜度。
与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：本发明通过计算相邻零件之间的挤压应力值，并根据挤压应力值对零件接触面的接触热导进行修正，获得更精准的零部件接触面的接触热导修正值，在不改变计算几何模型的前提下，实现过渡态计算过程中零部件接触面在接触状态与非接触状态之间的相互转化时，能够准确的模拟零部件之间的接触导热状态，使接触热导与实际情况更为接近，从而获得更加准确的接触区域过渡态温度分布。
附图说明
图1为实施例1中带接触热阻的零部件过渡态热分析方法流程图；
图2为实施例1中带接触热阻的零部件过渡态热分析系统结构框图；
图3为实施例2中带接触热阻的零部件过渡态热分析方法流程图；
图4为实施例2中高压涡轮转子两个零件接触时的过渡态温度场；
图5为实施例2中高压涡轮转子两个零件非接触时的过渡态温度场；
其中，1、第一接触面；2、模型构建模块；3、换热边界分析模块；4、温度场分析模块；5、强度分析模块；6、接触热导修正模块；7、偏差比对模块。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
参见图1和图2，一种带接触热阻的零部件过渡态热分析方法，包括：
建立零部件过渡态热分析模型，对分析模型进行有限元网格划分，并对零部件内部接触面建立网格的接触单元；
根据分析模型的换热与流动情况建立换热分区，并计算各换热分区的换热边界；
对换算分区内的接触单元赋接触热导初始值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布；
根据分析模型随时间变化的温度分布，开展强度变形过渡态分析，获得接触面上随时间变化的挤压应力值；
根据接触面上随时间变化的挤压应力值，对接触单元的接触热导进行修正，得到变形反馈后的接触热导修正值；
对接触单元赋接触热导修正值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布分析值。
在本实施例中，根据零部件组件理论装配情况建立热分析模型，并在分析模型上建立该分析模型的换热分区，并在零部件接触面上建立接触对，并获得各个分区的换热边界条件。如在分析一个过渡态时间历程中，对换算分区内的接触单元赋接触热导初始值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布；根据分析模型随时间变化的温度分布，开展强度变形过渡态分析，获得接触面上随时间变化的挤压应力值；根据接触面上随时间变化的挤压应力值，重新计算相邻零件之间的接触热导，也即是对接触单元的接触热导进行修正，得到变形反馈后的接触热导修正值；对接触单元赋接触热导修正值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布分析值。本实施例通过计算相邻零件之间的挤压应力值，并根据挤压应力值对零件接触面的接触热导进行修正，获得更精准的零部件接触面的接触热导修正值，在不改变计算几何模型的前提下，实现过渡态计算过程中零部件接触面在接触状态与非接触状态之间的相互转化时，能够准确的模拟零部件之间的接触导热状态，使接触热导与实际情况更为接近，从而获得更加准确的接触区域过渡态温度分布。
本实施例中在得到变形反馈后的接触热导修正值后，判断接触热导修正值与接触热导初始值之差是否满足偏差上限阈值要求，若满足偏差上限阈值要求，则对接触单元赋接触热导修正值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布分析值；否则根据接触热导修正值对应的分析模型随时间变化的温度分布分析值开展强度变形过渡态分析，并对接触单元的接触热导进行迭代修正，直至接触热导修正值与接触热导初始值之差满足偏差上限阈值要求。能够通过迭代计算获得更精准的零部件接触面的过渡态接触边界，进一步保证获得更加准确的接触区域过渡态温度分布。
基于相同的发明构思，本实施例还提供了一种带接触热阻的零部件过渡态热分析系统，包括：
模型构建模块2，用于建立零部件过渡态热分析模型，对分析模型进行有限元网格划分，并对零部件内部接触面建立网格的接触单元；
换热边界分析模块3，用于根据分析模型的换热与流动情况建立换热分区，并计算各换热分区的换热边界；
温度场分析模块4，用于对换算分区内的接触单元赋接触热导初始值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布；或对换算分区内的接触单元赋接触热导修正值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，输出分析模型随时间变化的温度分布分析值；
强度分析模块5，用于根据分析模型随时间变化的温度分布，开展强度变形过渡态分析，获得接触面上随时间变化的挤压应力值；
接触热导修正模块6，用于根据接触面上随时间变化的挤压应力值，对接触单元的接触热导进行修正，得到变形反馈后的接触热导修正值。
本实施例中的带接触热阻的零部件过渡态热分析系统还包括：
偏差比对模块7，用于获取变形反馈后的接触热导修正值，并判断接触热导修正值与接触热导初始值之差是否满足偏差上限阈值要求，若满足偏差上限阈值要求，则向温度场分析模块4发出输出分析模型随时间变化的温度分布分析值并结束；否则向强度分析模块5发出采集温度场分析模块4中的分析模型随时间变化的温度分布分析值开展强度变形过渡态分析，并对接触单元的接触热导进行迭代修正。
实施例2
参见图3，本实施例以某航空发动机涡轮转子组件二维过渡态热分析为例，对本发明带接触热阻的零部件过渡态热分析方法步骤进行详细说明，具体步骤流程如下：
步骤一、建立零部件过渡态热分析模型，对分析模型进行有限元网格划分，并对零部件内部接触面建立网格的接触单元；
本实施例中可采用ANSYS软件或其他热分析软件进行分析模型建立。例如通过ANSYS软件开展涡轮转子有限元网格划分，然后定义内部接触零件的接触单元。
步骤二、根据分析模型的换热与流动情况建立换热分区，并计算各换热分区的换热边界。
本实施例中分区的依据为：根据分析模型的结构特征、表面气体的流动与换热特性、考虑工程计算精度需求与时间成本，将换热边界加载部位分为多个区域，便于施加不同的换热边界参数，确保不会过多耗费工作量，且能保证计算精度。
步骤三、对换算分区内的接触单元赋接触热导初始值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布；
本实施例中对接触单元赋接触热导初始值，然后通过ANSYS软件向分析模型加载二次流换热边界并进行过渡态计算，提取分析模型随时间变化的温度分布。加载过渡态换热边界和过渡态计算可通过APDL命令流格式实现。
步骤四、根据分析模型随时间变化的温度分布，开展强度变形过渡态分析，获得接触面上随时间变化的挤压应力值；
本实施例中将提取的分析模型随时间变化的温度分布结果开展强度变形过渡态分析，并提取接触面上的时间尺度内的挤压应力值。提取出的接触面挤压应力是时间尺度内变化的一组压力值，其中/>为时间。分析该组数据可以知道零部件接触状态随工作状态变化的趋势。例如，当/>从大于0的值逐渐减小至0的过程，即零部件之间从挤压接触到非接触的过程，此时零部件之间的热量传递也将从导热状态变为非导热状态，对应的接触热导也需随之适应性改变。如图4和图5分别表示出了本实施例中高压涡轮转子两个零件的过渡态温度场计算结果中的两个时刻下温度分布。其中，图4为零件接触时刻的状态，此时零件之间的第一接触面1上有热量传递，因此第一接触面1两侧温度值接近。图5为零件非接触时刻的状态，此时第一接触面1上没有热量传递，第一接触面1两侧温度值有明显差异，因此该时刻需要对接触热导进行修正。
步骤五、根据接触面上随时间变化的挤压应力值，对接触单元的接触热导进行修正，得到变形反馈后的接触热导修正值；
本实施例根据挤压应力与接触热阻的关系式，重新计算时间历程中接触面上的接触热导值，得到变形反馈后更加准确的接触热导修正值，其中/>为两种接触材料在接触面上弹性模量的平均值，/>为接触面导热系数，/>为接触面的两个表面粗糙度平均值，/>为挤压应力值，/>为有效表面微凸起斜度。
步骤六、判断接触热导修正值与接触热导初始值之差是否满足偏差上限阈值要求，若满足偏差上限阈值要求，则对接触单元赋接触热导修正值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布分析值；否则根据接触热导修正值对应的分析模型随时间变化的温度分布分析值开展强度变形过渡态分析，并对接触单元的接触热导进行迭代修正，直至接触热导修正值与接触热导初始值之差满足偏差上限阈值要求。
需要说明的是：本发明的方法不限于涡轮转子的二维过渡态热分析计算，也适合于其他转动部件、静子件、机匣等零部件的二维或三维过渡态热分析计算。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种带接触热阻的零部件过渡态热分析方法，其特征在于，包括：
建立零部件过渡态热分析模型，对分析模型进行有限元网格划分，并对零部件内部接触面建立网格的接触单元；
根据分析模型的换热与流动情况建立换热分区，并计算各换热分区的换热边界；
对换算分区内的接触单元赋接触热导初始值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布；
根据分析模型随时间变化的温度分布，开展强度变形过渡态分析，获得接触面上随时间变化的挤压应力值；
根据接触面上随时间变化的挤压应力值，对接触单元的接触热导进行修正，得到变形反馈后的接触热导修正值；
对接触单元赋接触热导修正值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布分析值。
2.根据权利要求1所述的带接触热阻的零部件过渡态热分析方法，其特征在于，在得到变形反馈后的接触热导修正值后，判断接触热导修正值与接触热导初始值之差是否满足偏差上限阈值要求，若满足偏差上限阈值要求，则对接触单元赋接触热导修正值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布分析值；否则根据接触热导修正值对应的分析模型随时间变化的温度分布分析值开展强度变形过渡态分析，并对接触单元的接触热导进行迭代修正，直至接触热导修正值与接触热导初始值之差满足偏差上限阈值要求。
3.根据权利要求1所述的带接触热阻的零部件过渡态热分析方法，其特征在于，变形反馈后的接触热导修正值，其中/>为两种接触材料在接触面上弹性模量的平均值，/>为接触面导热系数，/>为接触面的两个表面粗糙度平均值，/>为挤压应力值，/>为有效表面微凸起斜度。
4.一种带接触热阻的零部件过渡态热分析系统，其特征在于，包括：
模型构建模块，用于建立零部件过渡态热分析模型，对分析模型进行有限元网格划分，并对零部件内部接触面建立网格的接触单元；
换热边界分析模块，用于根据分析模型的换热与流动情况建立换热分区，并计算各换热分区的换热边界；
温度场分析模块，用于对换算分区内的接触单元赋接触热导初始值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，得到分析模型随时间变化的温度分布；或对换算分区内的接触单元赋接触热导修正值，将换热边界加载在对应的换热分区并进行分析模型的过渡态计算，输出分析模型随时间变化的温度分布分析值；
强度分析模块，用于根据分析模型随时间变化的温度分布，开展强度变形过渡态分析，获得接触面上随时间变化的挤压应力值；
接触热导修正模块，用于根据接触面上随时间变化的挤压应力值，对接触单元的接触热导进行修正，得到变形反馈后的接触热导修正值。
5.根据权利要求4所述的带接触热阻的零部件过渡态热分析系统，其特征在于，还包括：
偏差比对模块，用于获取变形反馈后的接触热导修正值，并判断接触热导修正值与接触热导初始值之差是否满足偏差上限阈值要求，若满足偏差上限阈值要求，则向温度场分析模块发出输出分析模型随时间变化的温度分布分析值并结束；否则向强度分析模块发出采集温度场分析模块中的分析模型随时间变化的温度分布分析值开展强度变形过渡态分析，并对接触单元的接触热导进行迭代修正。
6.根据权利要求4所述的带接触热阻的零部件过渡态热分析系统，其特征在于，所述接触热导修正模块中，变形反馈后的接触热导修正值，其中/>为两种接触材料在接触面上弹性模量的平均值，/>为接触面导热系数，/>为接触面的两个表面粗糙度平均值，/>为挤压应力值，/>为有效表面微凸起斜度。
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2023
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|---|---|
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