CN107229782B - 一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法，步骤如下：一：输入轮盘二维几何构型控制点坐标值，输入该坐标值；二：对轮盘二维几何构型进行轮盘轴对称有限元模型的建立；三：对建立的轮盘轴对称有限元模型进行结构分析；四：根据设计需求，改变轮盘二维几何构型并自动进行轮盘二维几何构型控制点坐标值显示、轮盘轴对称有限元模型建立和有限元计算；通过以上步骤，最终实现能够通过鼠标拖动轮盘二维几何构型控制点，自动进行轮盘重量计算、应力应变分析、疲劳寿命预测、子午面破裂转速计算和径向破裂转速计算，提高了轮盘结构设计效率，避免以往在设计时，每改变方案就需要人为重新建模带来的时间和人力的浪费。
Description
技术领域
本发明提供一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法，属于机械设计领域。
背景技术
轮盘是航空发动机、燃气轮机等旋转机械的关键部件之一，在满足强度、疲劳寿命等设计需求的条件下，为了提高发动机的推重比，轮盘结构重量应尽可能的轻。轮盘结构设计的优劣直接影响涡轮转子能否正常构造以及发动机整体性能的好坏。
传统的轮盘结构设计方法是建立在工程师的经验和大量试验基础上的，既费时又费力，往往又达不到理想的设计效果。随着有限元的发展，目前在对轮盘进行结构设计时，通过手动来修改轮盘二维几何构型，并建立轮盘轴对称有限元模型进行应力应变分析，这样的设计方法同样是不仅浪费时间而且还浪费人力。
因此需要建立一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法，提高轮盘结构设计效率，减少人力资源。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法，根据设计需求，通过鼠标拖动改变轮盘二维几何构型，并自动显示轮盘二维几何构型控制点、轮盘二维几何构型控制点坐标值、轮盘重量、有限元分析结果、疲劳寿命预测结果、子午面破裂转速和径向破裂转速，以此来判断是否符合设计需求，该方法可以提高轮盘结构设计效率，减少人力资源。
本发明是一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法，其具体步骤如下：
步骤一：输入轮盘二维几何构型控制点坐标值，输入该坐标值可以通过两种方式，一种是由已知轮盘二维几何构型控制点坐标值导入，首先将轮盘二维几何构型控制点坐标值一个紧挨一个输入到表格(即Excel)中，然后导入Excel表格数据；另一种是由已知轮盘计算机辅助设计(即CAD)几何模型导入，首先在CAD软件中利用“属性提取”(即“EATTEXT”)命令来提取轮盘二维几何构型控制点坐标值，输出Excel表格数据，然后导入Excel表格数据，并对数据进行排序，使相邻轮盘二维几何构型控制点紧挨围成一个封闭图形；根据输入数据自动生成轮盘二维几何构型，并显示轮盘二维几何构型控制点以及将轮盘二维几何构型控制点坐标值显示在表格中；
步骤二：对轮盘二维几何构型进行轮盘轴对称有限元模型的建立，其具体作法如下；
首先，先把涵盖欲划分区域的最大矩形分为结构化网格；
其次，移除边界外的节点，生成三角形网格；
最后，输出节点编号及其对应的坐标和网格编号及其构成的节点编号；
步骤三：对建立的轮盘轴对称有限元模型进行结构分析，其具体作法如下；
首先，将建立的轮盘轴对称有限元模型导入到有限元计算程序中，定义相应的材料参数，给定轮缘温度和盘心温度，通过稳态传热分析得到轮盘温度分布；
然后，重新将建立的轮盘轴对称有限元模型导入有限元计算程序中，定义相应的材料参数，给定转速、轮缘外载、轮盘温度场以及位移约束条件，通过静力分析得到轮盘应力分布以及轮盘重量，注意关注轮盘应力集中位置盘心处应力水平；
其次，根据有应力应变分析结果以及材料疲劳参数，利用考虑应力集中影响的寿命方程获得轮盘寿命；
最后，根据应力应变分析结果以及材料参数，计算获得轮盘子午面破裂转速和径向破裂转速；
步骤四：根据设计需求，通过鼠标拖动轮盘二维几何构型控制点来改变轮盘二维几何构型并自动进行轮盘二维几何构型控制点坐标值显示、轮盘轴对称有限元模型建立和有限元计算，显示轮盘重量、有限元分析结果、疲劳寿命预测结果、子午面破裂转速和径向破裂转速；对调整好位置的轮盘二维几何构型控制点可以进行固定，使其不能被拖动；根据需要对已固定的轮盘二维几何构型控制点可以进行释放，使其继续能被拖动；对需要关注的位置，根据需要能够***轮盘二维几何构型控制点并可以进行拖动；经过对轮盘二维几何构型控制点拖动、固定、释放以及***，最终获得满足设计需求的轮盘二维几何构型并输出CAD模型；
其中，在步骤一中所述的“轮盘二维几何构型”，是指轮盘子午面二维几何图形；所述的“轮盘二维几何构型控制点”，是指确定轮盘二维几何构型的数据点；所述的“控制点坐标值”，是指确定轮盘二维几何构型数据点的横坐标与纵坐标；
其中，在步骤二中所述的“轮盘轴对称有限元模型”，是指对轮盘二维几何构型进行三角形网格划分，最终获得由三角形网格组成的模型；所述的“结构化网格”，是指四边形网格；所述的“节点编号”，是指对组成三角形网格的所有节点从“1”开始顺序编号；所述的“网格编号”，是指对组成几何模型的三角形网格从“1”开始编号；
其中，在步骤三中所述的“考虑应力集中影响的寿命方程”，表达式如下：
εa表示应变幅值，Y表示应力梯度影响因子，m表示应力梯度影响指数，ψ表示断面收缩率，σb表示拉伸强度极限，E表示弹性模量，b表示疲劳强度指数，R′表示局部应变比，γ表示材料常数，c表示疲劳延性指数；所述的“轮盘子午面破裂转速和径向破裂转速”，其含义分别为轮盘在旋转条件下沿子午面破裂或者变形达到不允许程度时的转速和轮盘在旋转条件下沿径向破裂或者变形达到不允许程度时的转速，计算方法如下：
ωmax表示轮盘最大物理转速，
表示轮盘平均周向应力，ξ表示材料利用系数(通常小于1)，ωp表示轮盘子午面破裂转速，
表示轮盘关键截面的最大平均径向应力，ωr表示轮盘径向破裂转速；
其中，在步骤四中所述的“设计需求”，是指在轮盘工程应用中对轮盘重量和强度的限制要求，其中强度包含关键位置应力、轮盘寿命、子午面破裂转速和径向破裂转速；所述的“调整好位置”，是指拖动轮盘二维几何构型控制点后，该控制点位置能够使变化后的几何构型满足设计要求；所述的“需要关注的位置”，是指该位置几何形状发生变化，对轮盘结构使用寿命产生很大影响；
通过以上步骤，最终实现能够通过鼠标拖动轮盘二维几何构型控制点，自动进行轮盘重量计算、应力应变分析、疲劳寿命预测、子午面破裂转速计算和径向破裂转速计算，同时还能够自动显示动轮盘二维几何构型控制点坐标值变化，很大程度上提高轮盘结构设计效率，避免以往在设计时，每改变方案就需要人为重新建模带来的时间和人力的浪费；
本发明的优点在于：
(1)能够根据轮盘二维几何构型控制点坐标值自动进行生成轮盘二维几何构型、轮盘二维几何构型控制点显示、轮盘二维几何构型控制点坐标值表格显示、轮盘轴对称有限元模型建立、应力应变分析、疲劳寿命预测、子午面破裂转速计算和径向破裂转速计算七部分操作，为改变轮盘二维几何构型提供更直接更快速的参考依据，提高轮盘结构设计效率，减少人力资源；
(2)能够对轮盘二维几何构型控制点进行拖动、固定和释放操作，实现轮盘结构设计；
(3)对需要关注的位置能够***轮盘二维几何构型控制点，实现轮盘结构设计。
附图说明
图1是本发明所述的设计方法流程图。
图2是本发明所述的用户界面功能模块图。
图3是本发明所述的轮盘模型示意图。
图4是本发明所述的鼠标拖动后轮盘模型示意图。
图中序号、符号、代号说明如下：
SX代表径向应力，SY代表轴向应力，SZ代表周向应力，SEQV代表等效应力。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明；本发明一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法，它是通过对轮盘二维几何构型控制点进行拖动、固定、释放以及***来改变轮盘二维几何构型，并自动显示轮盘二维几何构型控制点、轮盘二维几何构型控制点坐标值、轮盘重量、有限元分析结果、疲劳寿命预测结果、子午面破裂转速和径向破裂转速。
本发明一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法的流程图如图1所示，其具体步骤如下：
步骤一：输入轮盘二维几何构型控制点坐标值，输入该坐标值可以通过两种方式，一种是由已知轮盘二维几何构型控制点坐标值导入，首先将轮盘二维几何构型控制点坐标值一个紧挨一个输入到Excel中，然后导入Excel表格数据；另一种是由已知轮盘CAD几何模型导入，首先在CAD软件中利用“EATTEXT”命令来提取轮盘二维几何构型控制点坐标值，输出Excel表格数据，然后导入Excel表格数据，并对数据进行排序，使相邻轮盘二维几何构型控制点紧挨围成一个封闭图形；根据输入数据自动生成轮盘二维几何构型，并显示轮盘二维几何构型控制点以及将轮盘二维几何构型控制点坐标值显示在表格中；
步骤二：对轮盘二维几何构型进行轮盘轴对称有限元模型的建立，其具体作法如下；
首先，先把涵盖欲划分区域的最大矩形分为结构化网格；
其次，移除边界外的节点，生成三角形网格；
最后，输出节点编号及其对应的坐标和网格编号及其构成的节点编号；
步骤三：对建立的轮盘轴对称有限元模型进行结构分析，其具体作法如下；
首先，将建立的轮盘轴对称有限元模型导入到有限元计算程序中，定义相应的材料参数，给定轮缘温度和盘心温度，通过稳态传热分析得到轮盘温度分布；
然后，重新将建立的轮盘轴对称有限元模型导入有限元计算程序中，定义相应的材料参数，给定转速、轮缘外载、轮盘温度场以及位移约束条件，通过静力分析得到轮盘应力分布以及轮盘重量，注意关注轮盘应力集中位置盘心处应力水平；
其次，根据有应力应变分析结果以及材料疲劳参数，利用考虑应力集中影响的寿命方程获得轮盘寿命；
最后，根据应力应变分析结果以及材料参数，计算获得轮盘子午面破裂转速和径向破裂转速；
步骤四：根据设计需求，通过鼠标拖动轮盘二维几何构型控制点来改变轮盘二维几何构型并自动进行轮盘二维几何构型控制点坐标值显示、轮盘轴对称有限元模型建立和有限元计算，显示轮盘重量、有限元分析结果、疲劳寿命预测结果、子午面破裂转速和径向破裂转速；对调整好位置的轮盘二维几何构型控制点可以进行固定，使其不能被拖动；根据需要对已固定的轮盘二维几何构型控制点可以进行释放，使其继续能被拖动；对需要关注的位置，根据需要能够***轮盘二维几何构型控制点并可以进行拖动；经过对轮盘二维几何构型控制点拖动、固定、释放以及***，最终获得满足设计需求的轮盘二维几何构型并输出CAD模型；
其中，在步骤一中所述的“轮盘二维几何构型”，是指轮盘子午面二维几何图形；所述的“轮盘二维几何构型控制点”，是指确定轮盘二维几何构型的数据点；所述的“控制点坐标值”，是指确定轮盘二维几何构型数据点的横坐标与纵坐标；
其中，在步骤二中所述的“轮盘轴对称有限元模型”，是指对轮盘二维几何构型进行三角形网格划分，最终获得由三角形网格组成的模型；所述的“结构化网格”，是指四边形网格；所述的“节点编号”，是指对组成三角形网格的所有节点从“1”开始顺序编号；所述的“网格编号”，是指对组成几何模型的三角形网格从“1”开始编号；
其中，在步骤三中所述的“考虑应力集中影响的寿命方程”，表达式如下：
εa表示应变幅值，Y表示应力梯度影响因子，m表示应力梯度影响指数，ψ表示断面收缩率，σb表示拉伸强度极限，E表示弹性模量，b表示疲劳强度指数，R′表示局部应变比，γ表示材料常数，c表示疲劳延性指数；所述的“轮盘子午面破裂转速和径向破裂转速”，其含义分别为轮盘在旋转条件下沿子午面破裂或者变形达到不允许程度时的转速和轮盘在旋转条件下沿径向破裂或者变形达到不允许程度时的转速，计算方法如下：
ωmax表示轮盘最大物理转速，
表示轮盘平均周向应力，ξ表示材料利用系数(通常小于1)，ωp表示轮盘子午面破裂转速，
表示轮盘关键截面的最大平均径向应力，ωr表示轮盘径向破裂转速；
其中，在步骤四中所述的“设计需求”，是指在轮盘工程应用中对轮盘重量和强度的限制要求，其中强度包含关键位置应力、轮盘寿命、子午面破裂转速和径向破裂转速；所述的“调整好位置”，是指拖动轮盘二维几何构型控制点后，该控制点位置能够使变化后的几何构型满足设计要求；所述的“需要关注的位置”，是指该位置几何形状发生变化，对轮盘结构使用寿命产生很大影响；
本发明种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法是通过用户界面来实现的，用户界面功能模块如图2所示，下面通过一个实例来说明用户界面的使用。
已知轮盘二维几何构型控制点坐标值见表1，该坐标值是依次排列的，坐标值为Excel文件；
表1轮盘二维几何构型控制点坐标值
基于用户界面轮盘二维几何构型交互式设计具体步骤如下：
本发明分为两种方法导入轮盘二维几何构型，一种是通过Excel数据导入，另一种是通过CAD模型导入；方法一步骤如下：
步骤(一)：在“输入/输出”模块中点击“输入excel数据”按钮，导入轮盘二维几何构型Excel文件，轮盘二维几何构型控制点坐标值自动显示在表格中，并在“关键点”模块中显示轮盘二维几何构型以及轮盘二维几何构型控制点，同时自动进行轮盘轴对称有限元模型建立，调用有限元计算程序进行稳态传热分析和静力分析，在“结果”模块中轮盘重量、疲劳寿命、子午面破裂转速和径向破裂转速以表格形式显示出来，并且默认显示轮盘周向应力分布，并且可以点击SX、SY、SZ和SEQV四个按钮来控制显示轮盘径向应力分布、轴向应力分布、周向应力分布和等效应力分布，轮盘模型如图3所示；
步骤(二)：在“关键点”模块中利用鼠标拖动轮盘二维几何构型控制点，轮盘二维几何构型就会改变，轮盘轴对称有限元模型也跟着重新建立，在“输入/输出”模块中轮盘二维几何构型控制点坐标值也随着变化，在“结果”模块中轮盘重量、疲劳寿命、子午面破裂转速、径向破裂转速和应力分布也自动更新，拖动后轮盘模型如图4所示；
步骤(三)：在“关键点”模块中点击“固定控制点”按钮选择调整后的轮盘二维几何构型控制点将其固定，即该控制点不能被拖动，当点击“释放控制点”按钮选择需要重新调整已被固定的轮盘二维几何构型控制点，该控制点就可以被重新拖动；
步骤(四)：在“关键点”模块中点击“***控制点”按钮选择需要***轮盘二维几何构型控制点位置相邻两个控制点，新轮盘二维几何构型控制点就会在相邻两个控制点中间位置被***，在“输入/输出”模块中新轮盘二维几何构型控制点坐标值也会被自动***相应位置，利用鼠标可以拖动该新增控制点；
步骤(五)：在“输入/输出”模块中点击“输出模型”按钮，将修改后的轮盘二维几何构型导出CAD脚本文件(.scr)；
步骤(六)：打开CAD软件，点击管理|运行脚本，选择导出的脚本文件，修改后的模型就成功导入CAD软件中，在CAD软件中输出工程图；
方法二步骤如下：
步骤1：在CAD软件中，打开轮盘二维几何构型，点击***|提取数据，在导出Excel数据时只选择端点和起点；
步骤2：在“输入/输出”模块中点击“输入CAD数据”按钮，选择从CAD导出的Excel数据，轮盘二维几何构型控制点数据自动显示在表格中，并在“关键点”模块中显示轮盘二维几何构型以及轮盘二维几何构型控制点，同时自动进行轮盘轴对称有限元模型建立，调用有限元计算程序进行稳态传热分析和静力分析，在“结果”模块中显示轮盘重量、疲劳寿命、子午面破裂转速、径向破裂转速和应力分布，同样可以执行方法一中步骤(二)到步骤(五)操作。
Claims (6)
1.一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法，其特征在于：其具体步骤如下：
步骤一：输入轮盘二维几何构型控制点坐标值，输入该坐标值通过两种方式，一种是由已知轮盘二维几何构型控制点坐标值导入，首先将轮盘二维几何构型控制点坐标值一个紧挨一个输入到表格即Excel中，然后导入Excel表格数据；另一种是由已知轮盘计算机辅助设计即CAD几何模型导入，首先在CAD软件中利用“属性提取”即“EATTEXT”命令来提取轮盘二维几何构型控制点坐标值，输出Excel表格数据，然后导入Excel表格数据，并对数据进行排序，使相邻轮盘二维几何构型控制点紧挨围成一个封闭图形；根据输入数据自动生成轮盘二维几何构型，并显示轮盘二维几何构型控制点以及将轮盘二维几何构型控制点坐标值显示在表格中；
步骤二：对轮盘二维几何构型进行轮盘轴对称有限元模型的建立，其具体作法如下；
首先，先把涵盖欲划分区域的最大矩形分为结构化网格；
其次，移除边界外的节点，生成三角形网格；
最后，输出节点编号及其对应的坐标和网格编号及其构成的节点编号；
步骤三：对建立的轮盘轴对称有限元模型进行结构分析，其具体作法如下；
首先，将建立的轮盘轴对称有限元模型导入到有限元计算程序中，定义相应的材料参数，给定轮缘温度和盘心温度，通过稳态传热分析得到轮盘温度分布；
然后，重新将建立的轮盘轴对称有限元模型导入有限元计算程序中，定义相应的材料参数，给定转速、轮缘外载、轮盘温度场以及位移约束条件，通过静力分析得到轮盘应力分布以及轮盘重量，注意关注轮盘应力集中位置盘心处应力水平；
其次，根据有应力应变分析结果以及材料疲劳参数，利用考虑应力集中影响的寿命方程获得轮盘寿命；
最后，根据应力应变分析结果以及材料参数，计算获得轮盘子午面破裂转速和径向破裂转速；
步骤四：根据设计需求，通过鼠标拖动轮盘二维几何构型控制点来改变轮盘二维几何构型并自动进行轮盘二维几何构型控制点坐标值显示、轮盘轴对称有限元模型建立和有限元计算，显示轮盘重量、有限元分析结果、疲劳寿命预测结果、子午面破裂转速和径向破裂转速；对调整好位置的轮盘二维几何构型控制点进行固定，使其不能被拖动；根据需要对已固定的轮盘二维几何构型控制点进行释放，使其继续能被拖动；对需要关注的位置，根据需要能够***轮盘二维几何构型控制点并进行拖动；经过对轮盘二维几何构型控制点拖动、固定、释放以及***，最终获得满足设计需求的轮盘二维几何构型并输出CAD模型；
通过以上步骤，最终实现能够通过鼠标拖动轮盘二维几何构型控制点，自动进行轮盘重量计算、应力应变分析、疲劳寿命预测、子午面破裂转速计算和径向破裂转速计算，同时还能够自动显示动轮盘二维几何构型控制点坐标值变化，提高了轮盘结构设计效率，避免以往在设计时，每改变方案就需要人为重新建模带来的时间和人力的浪费。
2.根据权利要求1所述的一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法，其特征在于：
在步骤一中所述的“轮盘二维几何构型”，是指轮盘子午面二维几何图形；所述的“轮盘二维几何构型控制点”，是指确定轮盘二维几何构型的数据点；所述的“控制点坐标值”，是指确定轮盘二维几何构型数据点的横坐标与纵坐标。
3.根据权利要求1所述的一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法，其特征在于：
在步骤二中所述的“轮盘轴对称有限元模型”，是指对轮盘二维几何构型进行三角形网格划分，最终获得由三角形网格组成的模型；所述的“结构化网格”，是指四边形网格；所述的“节点编号”，是指对组成三角形网格的所有节点从“1”开始顺序编号；所述的“网格编号”，是指对组成几何模型的三角形网格从“1”开始编号。
4.根据权利要求1所述的一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法，其特征在于：
在步骤三中所述的“考虑应力集中影响的寿命方程”，表达式如下：
εa表示应变幅值，Y表示应力梯度影响因子，m表示应力梯度影响指数，ψ表示断面收缩率，σb表示拉伸强度极限，E表示弹性模量，b表示疲劳强度指数，R′表示局部应变比，γ表示材料常数，c表示疲劳延性指数。
5.根据权利要求1所述的一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法，其特征在于：
在步骤三中所述的“轮盘子午面破裂转速和径向破裂转速”，其含义分别为轮盘在旋转条件下沿子午面破裂及变形达到不允许程度时的转速和轮盘在旋转条件下沿径向破裂及变形达到不允许程度时的转速，计算方法如下：
ωmax表示轮盘最大物理转速，
表示轮盘平均周向应力，ξ表示材料利用系数，小于1，ωp表示轮盘子午面破裂转速，
表示轮盘关键截面的最大平均径向应力，ωr表示轮盘径向破裂转速。
6.根据权利要求1所述的一种面向需求基于几何特征驱动轮盘结构交互式设计方法，其特征在于：
在步骤四中所述的“设计需求”，是指在轮盘工程应用中对轮盘重量和强度的限制要求，其中强度包含关键位置应力、轮盘寿命、子午面破裂转速和径向破裂转速；所述的“调整好位置”，是指拖动轮盘二维几何构型控制点后，该控制点位置能够使变化后的几何构型满足设计要求；所述的“需要关注的位置”，是指该位置几何形状发生变化，对轮盘结构使用寿命产生很大影响。
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