CN117217034A - 一种涡轮叶片有限元热应力分析自动化系统 - Google Patents
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Abstract
一种涡轮叶片有限元热应力分析自动化系统，涉及航空发动机涡轮叶片设计领域，解决现有涡轮叶片设计过程中需要人工操作修改结构，导致存在不必要的重复工作且依赖人工操作导致无法对涡轮叶片设计实现自动寻优等问题，该系统将涡轮叶片几何模型和温度场数据作为输入，自动执行模型导入和温度场数据导入、材料属性设置、网格设置、载荷施加、执行求解以及结果处理。本发明不仅可以节省热应力分析操作人员的时间，同时还能很好地嵌入寻优算法的程序，实现基于热应力分析的涡轮叶片冷却结构自动优化。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机涡轮叶片设计领域，具体涉及一种涡轮叶片有限元热应力分析自动化系统。
背景技术
在涡轮叶片的设计过程中，热应力分析是评估该结构强度的关键步骤，现有技术是基于有限元分析(FMA)技术，首先在三维建模软件中生成几何模型，使用网格划分软件将几何模型离散为网格，将网格导入数值模拟求解软件中，在软件中定义好与实际相应的约束和载荷，通过数值模拟计算评估其热应力。但是在数值模拟的过程中，包含导入模型和温度场数据、材料定义、网格设置、施加载荷、施加约束等步骤，人工操作繁琐，且每次修改结构，都要重新执行上述流程，造成了不必要的重复工作，另一方面，这种对人工操作的依赖也限制了无法使用寻优程序对涡轮叶片的设计进行自动寻优。
因此，如何实现涡轮叶片的有限元热应力分析自动化，是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明为解决现有涡轮叶片设计过程中需要人工操作修改结构，导致存在不必要的重复工作且依赖人工操作导致无法对涡轮叶片设计实现自动寻优等问题，提供一种涡轮叶片有限元热应力分析自动化系统。
一种涡轮叶片有限元热应力分析自动化系统，该系统将涡轮叶片几何模型和温度场数据作为输入，自动执行模型导入和温度场数据导入、材料属性设置、网格设置、载荷施加、执行求解以及结果处理；具体包括输入模块和分析求解模块；
所述分析求解模块包括CFD分析系统和静结构分析系统；
通过输入模块将涡轮叶片几何模型导入静结构分析系统，将温度场数据导入CFD分析系统；
在所述静结构分析系统中的工程数据组件中，设置几何结构的材料属性；在工程数据组件中新建材料，将DD6高温镍基合金的密度、热膨胀系数、弹性属性、塑性属性添加到新建材料中，完成材料属性的设置；
将涡轮叶片的几何模型采用非结构网格划分，在静结构分析的设置组件中，定义网格的单元类型、最大尺寸、网格密度等参数，完成网格参数的设置，并执行网格划分；
在所述静结构分析的设置组件中，选择涡轮叶片几何模型叶根平面，施加远端位移约束，将各方向自由度设置为0，完成约束的施加；在设置组件载荷导入中导入固体温度场，完成载荷的施加；
在静结构分析的设置组件中，插入范式等效应力,范式等效应变,位移的求解结果，进行热应力自动求解。
本发明的有益效果：本发明基于Workbench、SpaceClaim、Mechanical软件二次开发功能，实现了涡轮叶片热应力分析自动化，准备好热应力分析的基础文件(几何模型文件、温度场文件)后，在Workbench中执行脚本即可自动进行求解并输出热应力结果，整个过程不需要人为操作，并且还可以通过修改代码调整网格尺寸、约束位置、载荷类型等。而现有技术需要人工操作导入模型和温度场数据、材料定义、网格设置、施加载荷、施加约束等步骤，因此应用本发明不仅可以节省热应力分析操作人员的时间，同时还能很好地嵌入寻优算法的程序，实现基于热应力分析的涡轮叶片冷却结构自动优化。
附图说明
图1为本发明所述的一种涡轮叶片有限元热应力分析自动化系统的原理框图。
图2为生成网格自动划分的原理图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，一种涡轮叶片有限元热应力分析自动化系统，该系统将涡轮叶片几何模型和温度场数据作为输入，自动执行模型导入和温度场数据导入、材料定义、网格设置、载荷施加、约束施加、执行求解、结果处理等操作。具体包括输入模块和分析求解模块；所述分析求解模块包括CFD分析系统和静结构分析系统；整体流程如图1所示。
1、通过输入模块将涡轮叶片几何模型导入静结构分析系统，将温度场数据导入CFD分析系统；本实施方式的输入条件是几何模型文件和Fluent或CFX输出的温度场数据文件。首先在Workbench工具中选取Fluent或者CFX等计算流体力学(CFD)分析系统，将温度场数据导入求解(solution)组件，完成温度场的导入的准备工作。然后在Workbench中选取静结构(staticstructure)分析系统，将几何模型文件导入几何(geometry)组件，完成几何模型的导入工作。将CFD分析系统中的几何(solution)组件和静结构(staticstructure)分析系统中的设置(setup)组件连接，完成温度场的导入工作。
2、材料定义。在静结构(staticstructure)分析系统中的工程数据(engineeringdata)组件中，设置几何结构的材料属性，对于涡轮叶片而言，一般选用DD6高温镍基合金材料。在工程数据(engineeringdata)组件新建材料，将DD6高温镍基合金的密度、热膨胀系数、弹性属性、塑性属性添加到新建材料中，完成材料属性的设置。
3、网格设置。对于涡轮叶片这类结构复杂的几何模型，采用非结构网格划分策略。在静结构(staticstructure)分析的设置(setup)组件中，定义网格的单元类型、最大尺寸、网格密度等参数，完成网格参数的设置，并执行网格划分。
4、载荷、约束施加。在静结构(staticstructure)分析的设置(setup)组件中，选择涡轮叶片几何模型叶根平面，施加远端位移约束(remotedisplacement constraint)，将各方向自由度设置为0，完成约束的施加。在设置(setup)组件载荷导入(importload)中导入固体温度场(bodytemperature)，完成载荷的施加。
5、执行求解、结果处理。在静结构(staticstructure)分析的设置(setup)组件中，插入范式等效应力(von-Misesequivalentstress),范式等效应变(von-Misesequivalentstrain),位移(deformation)等求解结果，执行求解。
具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的一种涡轮叶片有限元热应力分析自动化系统的实施例：该系统依托于ANSYSWorkbench平台，基于Workbench，SpaceClaim，Mechanical二次开发实现上述流程的自动化操作。
1、Workbench二次开发实现几何模型和温度场数据自动导入。Workbench提供了API接口，可通过python语言，实现操作的自动化。温度场数据的导入依托于ANSYSWorkbench平台中的CFD分析系统，因此首先需要先创建CFD分析系统。在Workbench二次开发中，使用获取系统(GetTemplate)方法，就可以实现CFD分析系统的创建。然后使用获取容器(GetContainer)方法获取CFD分析系统的设置(setup)组件，调用设置(setup)组件的导入(import)方法，传入温度场数据的路径，实现温度场数据的导入。然后使用获取系统(GetTemplate)方法，将静结构(staticstructure)分析系统实例化，使用获取容器(GetContainer)方法获取静结构(staticstructure)分析系统的几何(geometry)组件，调用几何(geometry)组件的设定文件(setFile)方法，传入几何模型的路径，实现几何结构的导入。
2、Mechanical二次开发实现材料属性自动添加。材料属性在设置好之后，可另存为可拓展标记语言(xml)文件，将其添加至Workbench中工程数据(engineeringdata)的材料库，再次使用时，通过Mechanical二次开发功能，循环访问几何(Geometry)节点下的模型，根据模型名称指定对应材料名称即可。
3、SpaceClaim二次开发实现约束面的选取。约束的施加需要先确定约束面的位置，此步可通过SpaceClaim二次开发实现，在SpaceClaim建模软件中，打开脚本编辑窗口，遍历循环模型的所有面，根据约束面的面积和面心位置锁定约束面，并将其创建为命名(nameselection)组，便于在Mechanical中方便选中。
4、Mechanical二次开发实现网格自动划分、约束和载荷自动施加、自动求解、导出结果。在Mechanical中，可通过传入脚本的方式执行上述操作。首先循环访问几何(Geometry)节点下的模型，对模型赋予材料属性，然后通过调用网格(mesh)节点中的一系列方法(如：网格尺寸(ElementSize),网格阶数(ElementOrder),增长率(GrowthRate),最大网格尺寸(MaximumSize)等)设定网格的基础参数，使用生成网格(GenerateMesh)方法执行网格划分。如图2所示，通过传入叶片底面的面积和面心坐标，将叶片底面设置为约束面，在约束面使用添加远端位移(AddRemoteDisplacement)方法施加远端位移约束，使用添加已导入固体温度场(AddImportedBodyTemperature)方法将温度场数据作为载荷施加到模型上。使用求解(Solution)方法执行求解，添加等效应力(AddEquivalentStress)方法可创建等效应力可视化图，最后使用导出文本文件(ExportToTextFile)方法选取计算结果导出即可。
上述流程简述了实现热应力评估自动化所需要的编程工作，在对所有环节进行编程后，会得到一个SpaceClaim脚本文件，一个Mechanical脚本文件，以及一个Workbench脚本文件，其中SpaceClaim脚本文件主要用于创建约束面，Mechanical脚本文件主要用于执行FEA求解，而Workbench脚本文件用于导入各项原始文件、进行数据交互等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.一种涡轮叶片有限元热应力分析自动化系统，其特征是：该系统将涡轮叶片几何模型和温度场数据作为输入，自动执行模型导入和温度场数据导入、材料属性设置、网格设置、载荷施加、执行求解以及结果处理；具体包括输入模块和分析求解模块；
所述分析求解模块包括CFD分析系统和静结构分析系统；
通过输入模块将涡轮叶片几何模型导入静结构分析系统，将温度场数据导入CFD分析系统；
在所述静结构分析系统中的工程数据组件中，设置几何结构的材料属性；在工程数据组件中新建材料，将DD6高温镍基合金的密度、热膨胀系数、弹性属性、塑性属性添加到新建材料中，完成材料属性的设置；
将涡轮叶片的几何模型采用非结构网格划分，在静结构分析的设置组件中，定义网格的单元类型、最大尺寸、网格密度等参数，完成网格参数的设置，并执行网格划分；
在所述静结构分析的设置组件中，选择涡轮叶片几何模型叶根平面，施加远端位移约束，将各方向自由度设置为0，完成约束的施加；在设置组件载荷导入中导入固体温度场，完成载荷的施加；
在静结构分析的设置组件中，插入范式等效应力,范式等效应变,位移的求解结果，进行热应力自动求解。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片有限元热应力分析自动化系统，其特征在于：
首先在Workbench工具中选取Fluent或者CFX计算流体力学，将温度场数据导入求解组件，完成温度场的导入的准备工作。然后在Workbench中选取静结构分析系统，将几何模型文件导入几何组件，完成几何模型的导入工作；
将CFD分析系统中的求解组件和静结构分析系统中的设置组件连接，完成温度场的导入工作。
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