基于UG的航空發(fā)動機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽 110015；2.北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，北京 100191；3.南京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，南京 210016）

0 引言

目前，航空發(fā)動機(jī)外部管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)是用UG軟件完成的[1]。設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)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(jìn)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(shè)計(jì)改進(jìn)提供理論依據(jù)。該過程需要投入大量的時(shí)間和精力，設(shè)計(jì)人員必須在設(shè)計(jì)完成的管路3維UG模型中查找流阻計(jì)算所需要的幾何參數(shù)和連接關(guān)系，并在CAE軟件中重新建立模型進(jìn)行計(jì)算分析，而重新建立模型將消耗大量時(shí)間。計(jì)算完成后，發(fā)動機(jī)制造和試驗(yàn)通常已經(jīng)完成，此時(shí)若要更改設(shè)計(jì)，無疑會提高成本、延誤研制進(jìn)度。為此，考慮將CAE軟件集成到UG軟件，為管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供快捷的在線性能評估，從而減小工作量、縮短設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了管路系統(tǒng)在線流阻分析。

1 軟件開發(fā)基礎(chǔ)

開發(fā)UG NX3.0平臺下發(fā)動機(jī)外部管路系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線分析軟件，必須熟悉UG NX3.0平臺下管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建模流程，掌握模型的存儲機(jī)制；清楚本文所采用的FOCUSS-FS軟件進(jìn)行管流分析的必要輸入條件；對提取UG管路模型幾何及拓?fù)湫畔⒓夹g(shù)進(jìn)行研究，最終實(shí)現(xiàn)正確設(shè)置FOCUSS-FS軟件的輸入條件、獲取計(jì)算結(jié)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(diǎn)組成抽象仿真網(wǎng)絡(luò)模型。仿真網(wǎng)絡(luò)建立的原則是：網(wǎng)絡(luò)中只有節(jié)點(diǎn)和分支；任一分支有且僅有2個(gè)節(jié)點(diǎn)與之相連；節(jié)點(diǎn)只能與分支相連，不能與節(jié)點(diǎn)相連，1個(gè)節(jié)點(diǎn)可以連接1個(gè)或多個(gè)分支；網(wǎng)絡(luò)邊界可以是邊界節(jié)點(diǎn)和流體存儲元件，但不能是分支。

1個(gè)分支必須有始末節(jié)點(diǎn)、幾何特征參數(shù)和確定的阻力參數(shù)。具有1個(gè)進(jìn)口和1個(gè)出口的單向輸運(yùn)元件即為分支，分支中質(zhì)量流量不變。分支的端點(diǎn)即為不能孤立存在的節(jié)點(diǎn)，2個(gè)分支相連，即指二者共用1個(gè)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)分為邊界節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，計(jì)算的邊界條件在邊界節(jié)點(diǎn)中設(shè)定。

仿真網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算是在節(jié)點(diǎn)上建立質(zhì)量守恒方程，在分支上建立動量守恒方程，建立仿真網(wǎng)絡(luò)控制方程組，采用Newton-Raphson方法，通過迭代在分支中求解質(zhì)量流量，在節(jié)點(diǎn)中求解壓力，從而得到各節(jié)點(diǎn)的壓力、分支中的流量、流速等參數(shù)，最終得到各元件中的流動狀態(tài)。通過對比成熟軟件計(jì)算結(jié)果可知，F(xiàn)OCUSS-FS軟件計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可信。

1.2 需求分析

通過對UG管路模型和FOCUSS-FS軟件進(jìn)行研究，總結(jié)了數(shù)值計(jì)算需要的4類基本信息，研究了真實(shí)模型與仿真網(wǎng)絡(luò)的映射方式。

（1）元件幾何信息。包括長度、內(nèi)徑、粗糙度、彎角、轉(zhuǎn)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(jù)是否與流體流動相關(guān)、FOCUSS-FS軟件的計(jì)算需要及仿真網(wǎng)絡(luò)建模原則，獲取相關(guān)信息，并進(jìn)行必要處理，簡化為僅包括分支和節(jié)點(diǎn)的信息，將元件的端點(diǎn)信息存儲于節(jié)點(diǎn)中，將元件的長度、內(nèi)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(gè)分支，這是因?yàn)橐獫M足FOCUSS-FS軟件計(jì)算時(shí)不同分支類型對應(yīng)不同阻力參數(shù)的要求以及分支有且僅有2個(gè)節(jié)點(diǎn)與之相連的原則。

（2）管路系統(tǒng)的拓?fù)湫畔⒓丛g的連接信息。根據(jù)“2個(gè)分支相連，即指二者共用1個(gè)節(jié)點(diǎn)”的原則，進(jìn)行元件間連接信息的提取和模型映射。拓?fù)湫畔⒂成淙鐖D2所示。圖2（a）表示2個(gè)元件（3通接頭和直導(dǎo)管；圖 2（b）中節(jié)點(diǎn)1、2、3分別對應(yīng)3通的 3個(gè)端點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)3、5分別對應(yīng)導(dǎo)管的2個(gè)端點(diǎn)，2個(gè)元件共用節(jié)點(diǎn)3，即指2個(gè)元件在節(jié)點(diǎn)3相連。

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

（4）流動的初始條件，如介質(zhì)溫度、進(jìn)口流量、壓力等，需要用戶在計(jì)算前給定。

2 軟件開發(fā)

2.1 軟件構(gòu)架

根據(jù)上述軟件需求分析，可以將軟件劃分為4個(gè)功能模塊，如圖3所示。

（1）用戶界面模塊。用戶與程序之間進(jìn)行交互的接口，包括用戶輸入界面和結(jié)果輸出界面。前者實(shí)現(xiàn)用戶設(shè)置參數(shù)的輸入及模型的選擇功能，后者直觀地顯示計(jì)算結(jié)果。用戶界面模塊的設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果。用戶選擇UG管路系統(tǒng)模型后，根據(jù)流阻計(jì)算的需要獲取管路系統(tǒng)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，并存儲這些數(shù)據(jù)作為UG模型信息，同時(shí)此模塊中有存儲流阻計(jì)算結(jié)果的功能。

（3）數(shù)據(jù)交換接口。完成UG體系和計(jì)算體系中管路模型的各種數(shù)據(jù)信息交換，實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型信息（包括性能參數(shù)、UG模型信息）向管流計(jì)算內(nèi)核程序的傳輸，實(shí)現(xiàn)內(nèi)核程序向模型信息模塊傳輸計(jì)算結(jié)果，便于最后的界面顯示。

（4）管流計(jì)算內(nèi)核程序模塊。采用FOCUSS-FS內(nèi)核，根據(jù)管路系統(tǒng)模型建立流體系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。

在4個(gè)軟件模塊中，交互式界面設(shè)計(jì)和信息獲取是本文的研究重點(diǎn)。

2.2 交互式界面設(shè)計(jì)[2-4]

利用UG/OPEN MenuScript在UG NX3.0平臺中添加自定義菜單，用來調(diào)用自定義對話框，如圖4所示；利用UG/OPEN UIStyler創(chuàng)建UG風(fēng)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(shè)計(jì)要求，因此利用Microsoft Visual Studio2005創(chuàng)建Windows風(fēng)格的對話框，用于設(shè)置邊界條件及顯示計(jì)算結(jié)果，如圖6所示。

2.3 信息獲取技術(shù)

實(shí)際發(fā)動機(jī)外部管路系統(tǒng)中元件種類較多、形態(tài)各異，在進(jìn)行流阻分析時(shí)，并非所有元件都需要獲取其全部結(jié)構(gòu)信息。因此，從是否需要獲取幾何結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸信息，第2類僅需拓?fù)潢P(guān)系信息。第1類包含導(dǎo)管和各種簡單接頭。導(dǎo)管皆是在管路建模時(shí)根據(jù)需求隨時(shí)鋪設(shè)，其鋪設(shè)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(dǎo)管獲取相應(yīng)幾何結(jié)構(gòu)按需計(jì)算；簡單接頭包括各種直接頭、彎頭、3通和4通等，根據(jù)需求直接獲取其幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行流體阻力計(jì)算。第2類指各種泵和閥等成品附件或設(shè)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(chǎn)廠商研制，設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)等自成體系，產(chǎn)品皆具有完備的特性數(shù)據(jù)。但由于知識產(chǎn)權(quán)等原因，這些廠商并不提供產(chǎn)品詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，管路設(shè)計(jì)人員往往也不關(guān)注其內(nèi)部細(xì)節(jié)；其特性數(shù)據(jù)直接由供應(yīng)商處或者通過試驗(yàn)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(jié)構(gòu)，但因其在管路中占據(jù)一定的位置，包含相應(yīng)的拓?fù)潢P(guān)系，因此需獲取其拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

導(dǎo)管建模首先按照發(fā)動機(jī)外部成附件模型的空間布局及其連接關(guān)系確定導(dǎo)管基本走向，然后根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求確定出若干個(gè)路徑控制點(diǎn)，連接路徑控制點(diǎn)構(gòu)成導(dǎo)管路徑（Path），導(dǎo)管實(shí)體則是通過路徑敷設(shè)管材（Stock）完成的。根據(jù)這一建模特點(diǎn)，調(diào)用UG/Open API函數(shù) UF_ROUTE_bend_report_get_segment_info()、UF_ROUTE_ask_segment_end_pnts()，查詢導(dǎo)管的路徑信息，獲取導(dǎo)管的分段數(shù)、分段長度、彎徑及每段的端點(diǎn)坐標(biāo)等信息。調(diào)用函數(shù)UF_ROUTE_ask_stock_stock_data()，查詢導(dǎo)管管材數(shù)據(jù)，獲取導(dǎo)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(shí)體上提取。而一般接頭的外型面較復(fù)雜，且與內(nèi)流無關(guān)，所以接頭信息提取的關(guān)鍵是查詢接頭實(shí)體的內(nèi)型面。

首先調(diào)用函數(shù)UF_MODL_ask_body_faces()查詢實(shí)體的內(nèi)表面及端面，端面?zhèn)€數(shù)即實(shí)體的分支數(shù)；然后調(diào)用函數(shù)UF_MODL_ask_face_data()查詢內(nèi)表面和端面的幾何信息，獲取半徑和法線方向，調(diào)用函數(shù)UF_MODL_ask_face_edges()、UF_EVAL_ask_arc()等獲取端面圓心坐標(biāo)；最后根據(jù)已有數(shù)據(jù)計(jì)算出各分支交點(diǎn)、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(guān)系通過多種定位方式（如配對、對齊、同軸和相切等）確定。在實(shí)體模型中，這種定位關(guān)系無法準(zhǔn)確查詢，因此，系統(tǒng)拓?fù)湫畔⒌牟樵兺耆珡膸缀魏涂臻g位置上著手。首先調(diào)用函數(shù)UF_MODL_ask_minimum_dist()將管路系統(tǒng)中的所有實(shí)體一一對比，確定其空間是否相鄰；然后對比相鄰實(shí)體的端面位置和法向信息，即可確定2實(shí)體的相連關(guān)系及連接位置。

3 軟件使用步驟

（1）點(diǎn)擊菜單欄（圖4），下拉3個(gè)子菜單“導(dǎo)管流動分析”、“組件流動分析”和“系統(tǒng)流動分析”，分別調(diào)用3個(gè)不同的主對話框（圖5）。“導(dǎo)管流動分析”對話框用于對單根導(dǎo)管進(jìn)行流動分析，導(dǎo)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(dǎo)管和管接頭裝配而成的組件進(jìn)行流動分析；“系統(tǒng)流動分析”對話框用于對包含有多個(gè)組件的管路系統(tǒng)進(jìn)行流動分析。

（2）設(shè)置粗糙度，可以采用默認(rèn)值。

（3）點(diǎn)擊“選擇管件”或“選擇管路系統(tǒng)”按鈕，可以調(diào)用選擇對話框，選擇實(shí)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(shè)置介質(zhì)溫度（即流體溫度），根據(jù)第（4）步中選擇的流體類型和所設(shè)置的介質(zhì)溫度，軟件自動設(shè)置其流體的密度和運(yùn)動黏度（圖5）。

（6）點(diǎn)擊“設(shè)置邊界條件”按鈕，調(diào)用子對話框用于邊界條件設(shè)置（圖6）。

（7）如圖中，根據(jù)UG界面中標(biāo)注的節(jié)點(diǎn)位置，在節(jié)點(diǎn)對應(yīng)行的“絕對壓力”和“外部流量”（紅框所示范圍）2列中設(shè)置邊界條件，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置壓力或流量，其中壓力為絕對壓力，默認(rèn)單位為kPa，流量單位為L/min，流量設(shè)置的“+”表示此節(jié)點(diǎn)為出口，流體流出，“-”表示此節(jié)點(diǎn)為進(jìn)口，流體流入。注意給定邊界條件的數(shù)目必須與邊界節(jié)點(diǎn)數(shù)目一致。

（8）點(diǎn)擊“邊界初始化”按鈕，存儲設(shè)置完成的邊界條件，“計(jì)算”按鈕亮。

（9）點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，調(diào)用內(nèi)核計(jì)算程序計(jì)算，結(jié)果在子對話框中顯示，如圖7所示。共有10項(xiàng)顯示項(xiàng)：節(jié)點(diǎn)ID（將節(jié)點(diǎn)有序排列）、節(jié)點(diǎn)名（由前綴“NI_”或“NB_”和節(jié)點(diǎn)ID組合而成，“NI_”表示內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，“NB_”表示邊界節(jié)點(diǎn)）、絕對壓力（節(jié)點(diǎn)壓力）、外部流量（對于內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，流量為零；對于邊界節(jié)點(diǎn)，正流量表示此節(jié)點(diǎn)為出口，負(fù)流量表示此節(jié)點(diǎn)為入口）、溫度（在主對話框中設(shè)置的介質(zhì)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(diǎn)ID、末節(jié)點(diǎn)ID、分支所屬元件名）、流速（分支內(nèi)流體流速）、分支流量（分支內(nèi)流量）、壓差損失（流體流經(jīng)此分支的壓力損失）。

4 實(shí)例測試

以簡單的導(dǎo)管為例，對軟件的準(zhǔn)確性進(jìn)行測試。在計(jì)算過程中，需設(shè)置的參數(shù)見表1。

表1 參數(shù)設(shè)置

分析后即得到各節(jié)點(diǎn)壓力，與商用軟件Flowmaster的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，見表2。各節(jié)點(diǎn)名稱可以在UG模型圖中標(biāo)示，如圖8所示。

針對此算例，對比本軟件和Flowmaster軟件的計(jì)算結(jié)果，其最大誤差為0.3%。

表2 計(jì)算結(jié)果對比

5 結(jié)論

（1）利用UG二次開發(fā)技術(shù)，完成了管路流阻分析CAE軟件與UG NX3.0的集成，實(shí)現(xiàn)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(shù)及管路系統(tǒng)拓?fù)湫畔⑻崛〖夹g(shù)、UG軟件與FOCUSS軟件的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果處理及顯示。

（3）測試表明，軟件能夠?qū)υ赨G NX3.0平臺下設(shè)計(jì)的管路進(jìn)行流阻分析，分析流程簡單高效，有助于提高管路設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本。

[1]李中祥，江和甫，郭迎清.航空發(fā)動機(jī)管路系統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)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(diào)用方法研究[J].機(jī)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(shù)據(jù)訪問方法研究[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)，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(jī)械制造與自動化，2007（5）：18-20.