基于UG的航空發(fā)動機管路系統(tǒng)流阻分析

邱明星 ，付鵬哲 ，鐘易成 ，趙士洋

（1.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015；2.北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京 100191；3.南京航空航天大學能源與動力工程學院，南京 210016）

0 引言

目前，航空發(fā)動機外部管路系統(tǒng)設計是用UG軟件完成的[1]。設計完成后，設計人員通過專用管路系統(tǒng)分析CAE軟件（如Flowmaster）對管路系統(tǒng)進行流阻分析，以評估管路系統(tǒng)的性能優(yōu)劣，為后續(xù)的管路系統(tǒng)設計改進提供理論依據。該過程需要投入大量的時間和精力，設計人員必須在設計完成的管路3維UG模型中查找流阻計算所需要的幾何參數和連接關系，并在CAE軟件中重新建立模型進行計算分析，而重新建立模型將消耗大量時間。計算完成后，發(fā)動機制造和試驗通常已經完成，此時若要更改設計，無疑會提高成本、延誤研制進度。為此，考慮將CAE軟件集成到UG軟件，為管路系統(tǒng)設計提供快捷的在線性能評估，從而減小工作量、縮短設計周期，極大提高工作效率。

本文研究了如何將管路流阻分析CAE軟件——流體系統(tǒng)仿真軟件FOCUSS-FS集成到UG NX3.0工作平臺上，實現了管路系統(tǒng)在線流阻分析。

1 軟件開發(fā)基礎

開發(fā)UG NX3.0平臺下發(fā)動機外部管路系統(tǒng)的實時在線分析軟件，必須熟悉UG NX3.0平臺下管路系統(tǒng)設計及建模流程，掌握模型的存儲機制；清楚本文所采用的FOCUSS-FS軟件進行管流分析的必要輸入條件；對提取UG管路模型幾何及拓撲信息技術進行研究，最終實現正確設置FOCUSS-FS軟件的輸入條件、獲取計算結果。

1.1 FOCUSS-FS軟件介紹

FOCUSS-FS軟件的處理對象是只有分支和節(jié)點組成抽象仿真網絡模型。仿真網絡建立的原則是：網絡中只有節(jié)點和分支；任一分支有且僅有2個節(jié)點與之相連；節(jié)點只能與分支相連，不能與節(jié)點相連，1個節(jié)點可以連接1個或多個分支；網絡邊界可以是邊界節(jié)點和流體存儲元件，但不能是分支。

1個分支必須有始末節(jié)點、幾何特征參數和確定的阻力參數。具有1個進口和1個出口的單向輸運元件即為分支，分支中質量流量不變。分支的端點即為不能孤立存在的節(jié)點，2個分支相連，即指二者共用1個節(jié)點。節(jié)點分為邊界節(jié)點和內部節(jié)點，計算的邊界條件在邊界節(jié)點中設定。

仿真網絡模型的計算是在節(jié)點上建立質量守恒方程，在分支上建立動量守恒方程，建立仿真網絡控制方程組，采用Newton-Raphson方法，通過迭代在分支中求解質量流量，在節(jié)點中求解壓力，從而得到各節(jié)點的壓力、分支中的流量、流速等參數，最終得到各元件中的流動狀態(tài)。通過對比成熟軟件計算結果可知，FOCUSS-FS軟件計算結果準確可信。

1.2 需求分析

通過對UG管路模型和FOCUSS-FS軟件進行研究，總結了數值計算需要的4類基本信息，研究了真實模型與仿真網絡的映射方式。

（1）元件幾何信息。包括長度、內徑、粗糙度、彎角、轉彎半徑等。該信息存儲于UG模型中，是由用戶建立的具體管路模型，模型信息繁多。根據是否與流體流動相關、FOCUSS-FS軟件的計算需要及仿真網絡建模原則，獲取相關信息，并進行必要處理，簡化為僅包括分支和節(jié)點的信息，將元件的端點信息存儲于節(jié)點中，將元件的長度、內徑、彎徑、彎角等信息存儲于分支中，如圖1所示。

其中，彎管和3通元件均要劃分為多個分支，這是因為要滿足FOCUSS-FS軟件計算時不同分支類型對應不同阻力參數的要求以及分支有且僅有2個節(jié)點與之相連的原則。

（2）管路系統(tǒng)的拓撲信息即元件間的連接信息。根據“2個分支相連，即指二者共用1個節(jié)點”的原則，進行元件間連接信息的提取和模型映射。拓撲信息映射如圖2所示。圖2（a）表示2個元件（3通接頭和直導管；圖 2（b）中節(jié)點1、2、3分別對應3通的 3個端點，節(jié)點3、5分別對應導管的2個端點，2個元件共用節(jié)點3，即指2個元件在節(jié)點3相連。

（3）流體介質的性能參數，如流體密度、黏度等，需要根據用戶選定不同流體而選用不同的流體參數。

（4）流動的初始條件，如介質溫度、進口流量、壓力等，需要用戶在計算前給定。

2 軟件開發(fā)

2.1 軟件構架

根據上述軟件需求分析，可以將軟件劃分為4個功能模塊，如圖3所示。

（1）用戶界面模塊。用戶與程序之間進行交互的接口，包括用戶輸入界面和結果輸出界面。前者實現用戶設置參數的輸入及模型的選擇功能，后者直觀地顯示計算結果。用戶界面模塊的設計要簡潔、便于操作。

（2）模型信息模塊。包括UG模型信息和模型計算結果。用戶選擇UG管路系統(tǒng)模型后，根據流阻計算的需要獲取管路系統(tǒng)的相應數據，并存儲這些數據作為UG模型信息，同時此模塊中有存儲流阻計算結果的功能。

（3）數據交換接口。完成UG體系和計算體系中管路模型的各種數據信息交換，實現計算模型信息（包括性能參數、UG模型信息）向管流計算內核程序的傳輸，實現內核程序向模型信息模塊傳輸計算結果，便于最后的界面顯示。

（4）管流計算內核程序模塊。采用FOCUSS-FS內核，根據管路系統(tǒng)模型建立流體系統(tǒng)網絡并進行網絡計算。

在4個軟件模塊中，交互式界面設計和信息獲取是本文的研究重點。

2.2 交互式界面設計[2-4]

利用UG/OPEN MenuScript在UG NX3.0平臺中添加自定義菜單，用來調用自定義對話框，如圖4所示；利用UG/OPEN UIStyler創(chuàng)建UG風格的對話框，便于用戶選擇管路系統(tǒng)模型及選擇流體類型，如圖5所示；由于UG/OPEN UIStyler提供的控件類型不能滿足本軟件的其它設計要求，因此利用Microsoft Visual Studio2005創(chuàng)建Windows風格的對話框，用于設置邊界條件及顯示計算結果，如圖6所示。

2.3 信息獲取技術

實際發(fā)動機外部管路系統(tǒng)中元件種類較多、形態(tài)各異，在進行流阻分析時，并非所有元件都需要獲取其全部結構信息。因此，從是否需要獲取幾何結構信息的角度，將管路系統(tǒng)中的元件分為2類：第1類需要結構尺寸信息，第2類僅需拓撲關系信息。第1類包含導管和各種簡單接頭。導管皆是在管路建模時根據需求隨時鋪設，其鋪設路徑并無固定軌跡可循，流動損失也隨形狀而異，只能針對具體導管獲取相應幾何結構按需計算；簡單接頭包括各種直接頭、彎頭、3通和4通等，根據需求直接獲取其幾何數據進行流體阻力計算。第2類指各種泵和閥等成品附件或設備及螺母、襯管、卡箍等緊固件與支承件等。泵和閥等成品附件都由專門的生產廠商研制，設計、試驗、生產等自成體系，產品皆具有完備的特性數據。但由于知識產權等原因，這些廠商并不提供產品詳細的幾何結構數據，管路設計人員往往也不關注其內部細節(jié)；其特性數據直接由供應商處或者通過試驗獲取。緊固件和支承件等一般不與流體直接接觸，可不考慮這類零件對流動的影響。對于第2類元件，雖然不考慮其幾何結構，但因其在管路中占據一定的位置，包含相應的拓撲關系，因此需獲取其拓撲信息。

導管建模首先按照發(fā)動機外部成附件模型的空間布局及其連接關系確定導管基本走向，然后根據實際設計要求確定出若干個路徑控制點，連接路徑控制點構成導管路徑（Path），導管實體則是通過路徑敷設管材（Stock）完成的。根據這一建模特點，調用UG/Open API函數 UF_ROUTE_bend_report_get_segment_info()、UF_ROUTE_ask_segment_end_pnts()，查詢導管的路徑信息，獲取導管的分段數、分段長度、彎徑及每段的端點坐標等信息。調用函數UF_ROUTE_ask_stock_stock_data()，查詢導管管材數據，獲取導管的外徑、壁厚及粗糙度等信息。

由于接頭建模沒有統(tǒng)一的方法和步驟，所以其信息只能從接頭實體上提取。而一般接頭的外型面較復雜，且與內流無關，所以接頭信息提取的關鍵是查詢接頭實體的內型面。

首先調用函數UF_MODL_ask_body_faces()查詢實體的內表面及端面，端面?zhèn)€數即實體的分支數；然后調用函數UF_MODL_ask_face_data()查詢內表面和端面的幾何信息，獲取半徑和法線方向，調用函數UF_MODL_ask_face_edges()、UF_EVAL_ask_arc()等獲取端面圓心坐標；最后根據已有數據計算出各分支交點、分支長度和分支間夾角等。

UG管路系統(tǒng)中元件之間的連接關系通過多種定位方式（如配對、對齊、同軸和相切等）確定。在實體模型中，這種定位關系無法準確查詢，因此，系統(tǒng)拓撲信息的查詢完全從幾何和空間位置上著手。首先調用函數UF_MODL_ask_minimum_dist()將管路系統(tǒng)中的所有實體一一對比，確定其空間是否相鄰；然后對比相鄰實體的端面位置和法向信息，即可確定2實體的相連關系及連接位置。

3 軟件使用步驟

（1）點擊菜單欄（圖4），下拉3個子菜單“導管流動分析”、“組件流動分析”和“系統(tǒng)流動分析”，分別調用3個不同的主對話框（圖5）。“導管流動分析”對話框用于對單根導管進行流動分析，導管可以是工作部件也可是裝配部件中的子部件；“組件流動分析”對話框用于對由導管和管接頭裝配而成的組件進行流動分析；“系統(tǒng)流動分析”對話框用于對包含有多個組件的管路系統(tǒng)進行流動分析。

（2）設置粗糙度，可以采用默認值。

（3）點擊“選擇管件”或“選擇管路系統(tǒng)”按鈕，可以調用選擇對話框，選擇實體對象。

（4）選擇流體，在此提供了4種常用潤滑油牌號（即 4050、4106、4109、4104）以供選擇。

（5）設置介質溫度（即流體溫度），根據第（4）步中選擇的流體類型和所設置的介質溫度，軟件自動設置其流體的密度和運動黏度（圖5）。

（6）點擊“設置邊界條件”按鈕，調用子對話框用于邊界條件設置（圖6）。

（7）如圖中，根據UG界面中標注的節(jié)點位置，在節(jié)點對應行的“絕對壓力”和“外部流量”（紅框所示范圍）2列中設置邊界條件，每個節(jié)點可以設置壓力或流量，其中壓力為絕對壓力，默認單位為kPa，流量單位為L/min，流量設置的“+”表示此節(jié)點為出口，流體流出，“-”表示此節(jié)點為進口，流體流入。注意給定邊界條件的數目必須與邊界節(jié)點數目一致。

（8）點擊“邊界初始化”按鈕，存儲設置完成的邊界條件，“計算”按鈕亮。

（9）點擊“計算”按鈕，調用內核計算程序計算，結果在子對話框中顯示，如圖7所示。共有10項顯示項：節(jié)點ID（將節(jié)點有序排列）、節(jié)點名（由前綴“NI_”或“NB_”和節(jié)點ID組合而成，“NI_”表示內部節(jié)點，“NB_”表示邊界節(jié)點）、絕對壓力（節(jié)點壓力）、外部流量（對于內部節(jié)點，流量為零；對于邊界節(jié)點，正流量表示此節(jié)點為出口，負流量表示此節(jié)點為入口）、溫度（在主對話框中設置的介質溫度）、分支ID（將分支有序排列）、分支名（命名方式：分支首節(jié)點ID、末節(jié)點ID、分支所屬元件名）、流速（分支內流體流速）、分支流量（分支內流量）、壓差損失（流體流經此分支的壓力損失）。

4 實例測試

以簡單的導管為例，對軟件的準確性進行測試。在計算過程中，需設置的參數見表1。

表1 參數設置

分析后即得到各節(jié)點壓力，與商用軟件Flowmaster的計算結果進行對比，見表2。各節(jié)點名稱可以在UG模型圖中標示，如圖8所示。

針對此算例，對比本軟件和Flowmaster軟件的計算結果，其最大誤差為0.3%。

表2 計算結果對比

5 結論

（1）利用UG二次開發(fā)技術，完成了管路流阻分析CAE軟件與UG NX3.0的集成，實現管路系統(tǒng)在線流阻分析。

（2）開發(fā)了軟件圖形界面、UG管路元件幾何信息提取技術及管路系統(tǒng)拓撲信息提取技術、UG軟件與FOCUSS軟件的數據接口，實現計算結果處理及顯示。

（3）測試表明，軟件能夠對在UG NX3.0平臺下設計的管路進行流阻分析，分析流程簡單高效，有助于提高管路設計效率，降低設計成本。

[1]李中祥，江和甫，郭迎清.航空發(fā)動機管路系統(tǒng)數字化設計[J].燃氣渦輪試驗與研究，2006，8（3）：47-52.

[2]諶祖輝，侯忠濱，吳占陽.UG軟件二次開發(fā)中MFC調用方法研究[J].機床與液壓，2006（5）：181-186.

[3]黃曙榮，秦珂，韓凍冰.UG二次開發(fā)中外部數據訪問方法研究[J].鹽城工學院學報，2007，6（2）：15-17.

[4]芮岳峰，井維峰.基于UG的自動化虛擬裝配系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].機械制造與自動化，2007（5）：18-20.