本發(fā)明是一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析方法，它能夠幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段對(duì)結(jié)構(gòu)快速進(jìn)行強(qiáng)度、壽命等評(píng)估，并通過(guò)實(shí)現(xiàn)分析模型與設(shè)計(jì)模型的自動(dòng)關(guān)聯(lián)，確保了在設(shè)計(jì)模型發(fā)生設(shè)計(jì)更改時(shí)，可以快速地得到更改后的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)結(jié)果，極大的提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，屬于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

渦輪盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件，其故障對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此渦輪盤的良好設(shè)計(jì)和安全可靠工作對(duì)保證發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的耐久性和可靠性至關(guān)重要。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤型面通常比較復(fù)雜，需要采用在設(shè)計(jì)階段就綜合考慮其性能、壽命及可靠性，必須借助有限元方法對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，使得“設(shè)計(jì)-分析-修改設(shè)計(jì)-重分析”這個(gè)過(guò)程需要反復(fù)的進(jìn)行，不斷找尋最優(yōu)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析分離的設(shè)計(jì)方法已無(wú)法滿足需求。如何提高設(shè)計(jì)效率及設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性是現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)工作中亟待解決的問(wèn)題。雖然設(shè)計(jì)和分析都是面對(duì)同樣的設(shè)計(jì)對(duì)象，但由于關(guān)注的側(cè)面不同以及歷史的發(fā)展，兩者使用的模型在本質(zhì)上有很大的區(qū)別。設(shè)計(jì)模型往往主要關(guān)注形成設(shè)計(jì)對(duì)象的幾何特征，而分析常用的有限元模型則更關(guān)注設(shè)計(jì)對(duì)象上力和約束等分析特征。作為設(shè)計(jì)上游的設(shè)計(jì)模型由于缺失分析特征，造成設(shè)計(jì)工具和分析工具之間難以準(zhǔn)確有效地協(xié)調(diào)模型之間的轉(zhuǎn)換，即使采用集成平臺(tái)將設(shè)計(jì)工具和分析工具連接起來(lái)，但要實(shí)現(xiàn)一體化也面臨模型不同所帶來(lái)的網(wǎng)格依賴性、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性、自適應(yīng)網(wǎng)格質(zhì)量等問(wèn)題。目前在某些機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)有通過(guò)對(duì)CAE軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)建立的結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，但相對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，其模型結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，只局限于特定的情況，難以直接應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件結(jié)構(gòu)分析。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術(shù)解決方案：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種渦輪盤結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析一體化方法，通過(guò)為設(shè)計(jì)模型增加分析信息和特征，平順設(shè)計(jì)模型和分析模型之間的溝壑，使之成為一體的設(shè)計(jì)分析模型，從而從模型層面將設(shè)計(jì)和分析關(guān)聯(lián)起來(lái)，設(shè)計(jì)的過(guò)程中建立分析模型直接評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)分析一體化，快速地得到更改后的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)結(jié)果，極大的提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

本發(fā)明技術(shù)解決方案：本發(fā)明主要包括5大部分：建立帶分析特征的渦輪盤模型、形成加載文件、渦輪盤模型轉(zhuǎn)換及網(wǎng)格模型生成、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度/壽命分析、修改設(shè)計(jì)重新評(píng)估。

實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)根據(jù)渦輪盤結(jié)構(gòu)的幾何特征和分析特征，采用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域最常用的建模軟件Unigraphics NX建立渦輪盤結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，對(duì)建立的渦輪盤實(shí)體模型，利用UG Open API提供的UF_ATTR_assign函數(shù)為渦輪盤實(shí)體模型的各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如點(diǎn)、線、面等，建立ICCFD_FAMILY屬性，建模完成后得到的渦輪盤模型具有ICCFD_FAMILY屬性；所述幾何特征是指渦輪盤實(shí)體模型的幾何形狀，所述分析特征是指渦輪盤實(shí)體模型各個(gè)部分在實(shí)際工作中承受的載荷約束分析特征數(shù)據(jù)；

通過(guò)采用建模軟件進(jìn)行實(shí)體模型的創(chuàng)建，但是普通的商業(yè)建模軟件建的模型是不帶分析信息的，所以對(duì)建模軟件提供的API即應(yīng)用程序接口進(jìn)行編程進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在建模過(guò)程中創(chuàng)建本發(fā)明所需要的分析信息，這個(gè)對(duì)建模軟件進(jìn)行編程的工作稱為二次開(kāi)發(fā)；

2)利用UG Open API提供的ufsta入口函數(shù)，在建模軟件Unigraphics NX中基于MFC開(kāi)發(fā)分析信息輸入界面，設(shè)計(jì)人員根據(jù)渦輪盤各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中的功用，為各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ICCFD_FAMILY屬性賦予實(shí)際工作的分析信息，包括載荷、約束等，所有與ICCFD_FAMILY屬性關(guān)聯(lián)的分析信息輸出一份加載文件；

3)利用B-Rep邊界表示法將步驟1)建立的帶ICCFD_FAMILY屬性的渦輪盤實(shí)體模型，按照分網(wǎng)軟件ICEMCFD中幾何模型輸入文件Tertin的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，生成一份渦輪盤模型的分網(wǎng)輸入文件，在分網(wǎng)軟件ANSYS ICEMCFD中利用ICCFD_FAMILY屬性不變性原則，對(duì)渦輪盤模型的分網(wǎng)輸入文件制定網(wǎng)格劃分策略進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格模型；

4)利用UG Open API提供的ufsta入口函數(shù)，在建模軟件Unigraphics NX中基于MFC將渦輪盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度壽命分析最常用的有限元求解軟件ANSYS集成至建模軟件形成有限元求解模塊，通過(guò)利用步驟2)得到的加載文件和步驟3)得到的網(wǎng)格模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度/疲勞壽命有限元分析，得到渦輪盤結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果；

5)根據(jù)步驟4)得到的渦輪盤結(jié)構(gòu)有限元分析果數(shù)據(jù)，對(duì)渦輪盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，如果分析滿足設(shè)計(jì)要求則完成設(shè)計(jì)，否則根據(jù)反饋數(shù)據(jù)修改設(shè)計(jì)，渦輪盤模型幾何尺寸數(shù)據(jù)被修改后，進(jìn)入步驟3)進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，接著進(jìn)入步驟4)進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果在步驟5)中重新判斷，通過(guò)迭代的方式得到滿足設(shè)計(jì)要求的渦輪盤模型。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明一種渦輪盤結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析一體化方法與傳統(tǒng)方法相比，通過(guò)為設(shè)計(jì)模型增加分析特征，從而從模型層面將設(shè)計(jì)和分析關(guān)聯(lián)起來(lái)，幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段對(duì)結(jié)構(gòu)快速進(jìn)行強(qiáng)度、壽命等評(píng)估，并通過(guò)網(wǎng)格自適應(yīng)策略和自動(dòng)重加載技術(shù)，確保了在設(shè)計(jì)模型發(fā)生設(shè)計(jì)更改時(shí)，可以快速地得到更改后的結(jié)構(gòu)校驗(yàn)結(jié)果，極大的提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析一體化方法流程圖；

圖2為本發(fā)明在建立渦輪盤實(shí)體模型時(shí)為其分析特征建立屬性，如圖所示為安裝邊添加了ICCFD_FAMILY屬性；

圖3為本發(fā)明分析信息輸入界面，為在實(shí)體模型中所建立的各個(gè)ICCFD_FAMILY分析屬性，根據(jù)模型的實(shí)際情況輸入相應(yīng)的分析信息；

圖4為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析一體化系統(tǒng)中的有限元分析模塊界面示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明一種渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析一體化方法的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明。

渦輪盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又是一個(gè)多次反復(fù)設(shè)計(jì)不斷找尋最優(yōu)設(shè)計(jì)的過(guò)程，針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)實(shí)工作中如何提高設(shè)計(jì)效率及設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性的問(wèn)題，本發(fā)明體的一種渦輪盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析一體化方法，其流程見(jiàn)圖1。

1)根據(jù)渦輪盤結(jié)構(gòu)的幾何特征和分析特征，采用航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域最常用的建模軟件Unigraphics NX建立渦輪盤結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，對(duì)建立的渦輪盤實(shí)體模型，(其中建模軟件Unigraphics NX提供了可以通過(guò)C/C++語(yǔ)言進(jìn)行調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)用戶自定義操作與Unigraphics NX建模環(huán)境直接交互的應(yīng)用程序接口工具包，即UG Open API)，在本發(fā)明中，采用UG Open API中提供的屬性分配函數(shù)UF_ATTR_assign為渦輪盤實(shí)體模型的各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如點(diǎn)、線、面等，建立ICCFD_FAMILY屬性(其中ICCFD_FAMILY是在分網(wǎng)軟件和有限元分析軟件有共同聲明的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)變量，通過(guò)這個(gè)屬性可以保證模型的數(shù)據(jù)在各傳遞過(guò)程中保持唯一性)，建模完成后得到的渦輪盤模型具有ICCFD_FAMILY屬性，具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

1.1)在本發(fā)明中對(duì)渦輪盤模型的所有面添加屬性，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用的設(shè)計(jì)建模軟件Unigraphics NX進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在渦輪盤的建模過(guò)程中通過(guò)利用UG Open API提供的循環(huán)遍歷函數(shù)UF_OBJ_cycle_objs_in_part獲得渦輪盤實(shí)體模型各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的tag號(hào)；

1.2)根據(jù)步驟1.1)得到的tag號(hào)，利用UG Open API中提供的訪問(wèn)模型面元素遍歷函數(shù)UF_MODL_ask_body_faces找到渦輪盤模型所有的面拓?fù)湓兀?/p>

1.3)根據(jù)步驟1.2)得到的面拓?fù)湓?，采用UF_ATTR_assign函數(shù)為面拓?fù)湓貏?chuàng)建ICCFD_FAMILY屬性，如圖2所示渦輪盤的安裝邊在建模過(guò)程中添加了ICCFD_FAMILY，同理，渦輪盤其他的面也都在建模過(guò)程中建立了ICCFD_FAMILY屬性，ICCFD_FAMILY屬性在分網(wǎng)軟件ICEMCFD和有限元分析軟件ANSYS將作為分網(wǎng)和加載的識(shí)別標(biāo)志，此步驟建立的渦輪盤模型是帶有分析屬性的實(shí)體模型；

2)利用UG Open API提供的ufsta入口函數(shù)，在建模軟件Unigraphics NX中基于MFC開(kāi)發(fā)分析信息輸入界面，設(shè)計(jì)人員根據(jù)渦輪盤各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)際工作中的功用，為各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ICCFD_FAMILY屬性賦予實(shí)際工作的分析信息，包括載荷、約束等，所有與ICCFD_FAMILY屬性關(guān)聯(lián)的分析信息輸出一份加載文件，如圖3所示，設(shè)計(jì)人員根據(jù)渦輪盤結(jié)構(gòu)安裝邊在分析時(shí)需要添加位移約束，為安裝邊特征的分析屬性賦予相應(yīng)的位移約束，而榫槽處需要添加離心力，則為榫槽特征的分析屬性賦予相應(yīng)的離心力數(shù)值，其他類型的約束或載荷同理，所有與ICCFD_FAMILY屬性關(guān)聯(lián)的加載信息以文本文件的方式存儲(chǔ)形成一份加載文件；

3)利用B-Rep邊界表示法將步驟1)建立的帶ICCFD_FAMILY屬性的渦輪盤實(shí)體模型，按照分網(wǎng)軟件ICEMCFD中幾何模型輸入文件Tertin的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換(其中，Tertin是分網(wǎng)軟件ICEMCFD的幾何輸入文件，Tertin文件用于保存和傳遞模型的點(diǎn)、線、面和ICCFD_FAMILY屬性4種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)用于ICEMCFD分網(wǎng)以及攜帶分析信息)，生成一份渦輪盤模型的分網(wǎng)輸入文件，在分網(wǎng)軟件ANSYS ICEMCFD中利用ICCFD_FAMILY屬性不變性原則，對(duì)渦輪盤模型的分網(wǎng)輸入文件制定網(wǎng)格劃分策略進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格模型，具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

3.1)根據(jù)步驟1)中建立的渦輪盤實(shí)體模型，利用UG Open API中提供實(shí)體模型邊界表示法下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)訪問(wèn)函數(shù)UF_BREP_ask_topology獲取得到渦輪盤模型的各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

3.2)利用UG Open API中提供屬性數(shù)據(jù)訪問(wèn)函數(shù)UF_ATTR_read_value訪問(wèn)步驟3.1)得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ICCFD_FAMILY屬性信息；

3.3)利用UG Open API中提供實(shí)體模型邊界表示法下的幾何數(shù)據(jù)訪問(wèn)函數(shù)UF_BREP_ask_geometry訪問(wèn)步驟3.1)得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所附著的幾何數(shù)據(jù)；

3.4)將渦輪盤模型的屬性信息和幾何數(shù)據(jù)按分網(wǎng)軟件ICEMCFD中分網(wǎng)輸入文件Tertin的格式保存；

3.5)根據(jù)步驟3.4)得到的Tertin文件，Tertin文件中模型所有的面都有ICCFD_FAMILY屬性，在分網(wǎng)軟件ICEMCFD中，所有這些面圍成的形狀即是原渦輪盤模型的實(shí)體模型，由于修改模型的尺寸后只會(huì)引起面上幾何數(shù)據(jù)的改變，而面上的所有幾何數(shù)據(jù)皆與屬性關(guān)聯(lián)，而修改設(shè)計(jì)并不會(huì)引起屬性的變化，所以通過(guò)Tertin文件中的ICCFD_FAMILY屬性不變性原則，在ICEMCFD中對(duì)渦輪盤模型定義分網(wǎng)策略生成網(wǎng)格模型，并且此分網(wǎng)策略在模型渦輪盤模型幾何尺寸發(fā)生改變，但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不發(fā)生改變時(shí)，模型網(wǎng)格自適應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)渦輪盤結(jié)構(gòu)尺寸的變化，而在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的修改往往很少，更多的情況是尺寸的調(diào)整，所以本發(fā)明所提的自適應(yīng)策略可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格自動(dòng)重劃分，很好的滿足設(shè)計(jì)分析一體化的需求。

4)利用UG Open API提供的ufsta入口函數(shù)(其中ufsta函數(shù)為UG Open API中提供的內(nèi)部程序入口函數(shù)，內(nèi)部程序指的是嵌入U(xiǎn)G建模軟件的可執(zhí)行程序，外部程序指的是脫離UG建模環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行程序，在本發(fā)明中，采用內(nèi)部程序的開(kāi)發(fā)模式，開(kāi)發(fā)所得的程序可以直接在建模軟件UG中運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建模與分析在統(tǒng)一的環(huán)境中進(jìn)行)，在建模軟件Unigraphics NX中基于MFC將渦輪盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度壽命分析最常用的有限元求解軟件ANSYS集成至建模軟件形成有限元求解模塊，通過(guò)利用步驟2)得到的加載文件和步驟3)得到的網(wǎng)格模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度/疲勞壽命有限元分析，得到渦輪盤結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果；

5)根據(jù)步驟4)得到的渦輪盤結(jié)構(gòu)有限元分析果數(shù)據(jù)，對(duì)渦輪盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，如果分析滿足設(shè)計(jì)要求則完成設(shè)計(jì)，否則根據(jù)反饋數(shù)據(jù)修改設(shè)計(jì)，渦輪盤模型幾何尺寸數(shù)據(jù)被修改后，進(jìn)入步驟3)進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，接著進(jìn)入步驟4)進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果在步驟5)中重新判斷，通過(guò)迭代的方式得到滿足設(shè)計(jì)要求的渦輪盤模型。

提供以上實(shí)施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。