卡箍的參數(shù)化建模及參數(shù)對(duì)剛度的影響

朱昭君，陳志英

(北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191)

0 前言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路主要用于輸送燃油、滑油和空氣等介質(zhì)，是發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)的重要組成部分。管路作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)，由于其布局空間限制嚴(yán)格，管道層疊交錯(cuò)、形狀復(fù)雜，在發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中常常發(fā)生斷裂、漏油、滲油故障［1］。據(jù)有關(guān)資料介紹，在中國(guó)目前的成熟發(fā)動(dòng)機(jī)(如WP6、WP7)中，外部導(dǎo)管斷裂故障占全部空中飛行結(jié)構(gòu)故障總數(shù)的52%，高居結(jié)構(gòu)故障之首［2］;其中，振動(dòng)常常成為管路斷裂的主要原因和誘導(dǎo)因素，航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部有數(shù)以百計(jì)的導(dǎo)管和電纜以及各種形式的卡箍，而卡箍的布設(shè)及數(shù)量對(duì)管路固有頻率的影響是其原因之一。發(fā)動(dòng)機(jī)上管路卡箍是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路中起增強(qiáng)管路剛度、緊固管路位置的重要零件，卡箍剛度對(duì)管路系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析具有重要意義。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)試驗(yàn)技術(shù)向數(shù)字化方向發(fā)展，對(duì)管路數(shù)字化設(shè)計(jì)提出了迫切需求，文獻(xiàn)［3］從卡箍的數(shù)量和位置入手，分析了卡箍對(duì)該管路固有頻率的影響。為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路的建模質(zhì)量和效率，文獻(xiàn)［4］提出了基于曲面特征和截面特征相結(jié)合的航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路反求建模系統(tǒng)框架，并圍繞其中的多視數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)分割、特征提取和管路特征建模等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)［5］基于UG建立了管路三維元件庫(kù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)管路參數(shù)化建模提供了借鑒。本文利用UG參數(shù)化模塊對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)上的單聯(lián)卡箍和雙聯(lián)卡箍進(jìn)行參數(shù)化建模，并通過(guò)有限元軟件ANSYS分析了卡箍的剛度，及相關(guān)參數(shù)對(duì)卡箍不同方向的剛度影響，為復(fù)雜的管路系統(tǒng)的模態(tài)計(jì)算、管路系統(tǒng)振動(dòng)特性分析及管路上的卡箍、支架及管路與管路之間的相互影響奠定基礎(chǔ)。

在進(jìn)行酒店管理專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，為了使得教學(xué)實(shí)踐得到進(jìn)一步的深化，對(duì)學(xué)生各個(gè)方面的能力實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的提升，教師在實(shí)際的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中不僅應(yīng)該對(duì)學(xué)生的練習(xí)進(jìn)行指導(dǎo)，還應(yīng)該對(duì)各種的教學(xué)情境進(jìn)行良好的創(chuàng)設(shè)，為學(xué)生營(yíng)造出良好的教學(xué)氛圍。這樣就可以使得酒店管理專業(yè)的學(xué)生在游戲之中以及競(jìng)賽之中對(duì)自己的知識(shí)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的深化[5]。

1 卡箍的參數(shù)化建模

卡箍通過(guò)卡圈等組件固定在導(dǎo)管上，卡箍與管路的連接如圖1所示。由于卡箍是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路中起增強(qiáng)管路剛度、緊固管路位置的重要零件，并且卡箍在整個(gè)管路中所占的質(zhì)量、體積比重非常小，所以在分析時(shí)，忽略卡箍的質(zhì)量和體積因素，而只考慮卡箍的剛度作用。

圖1 管路示意圖

參數(shù)化設(shè)計(jì)可以驅(qū)動(dòng)原有幾何模型達(dá)到新的目標(biāo)幾何圖形。對(duì)于卡箍模型，選定的幾何特征參數(shù)包括直徑d，厚度h，長(zhǎng)度L，彎角半徑r，間隙n，如圖2所示。通過(guò)建立卡箍三維系列零件庫(kù)可實(shí)現(xiàn)以下功能:(1)實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型設(shè)計(jì)、裝配;提取卡箍的特征參數(shù);(2)方便進(jìn)行系列零件設(shè)計(jì)，二次變形設(shè)計(jì)，進(jìn)一步調(diào)用時(shí)可以由設(shè)計(jì)人員根據(jù)卡箍的公稱參數(shù)、卡箍的代號(hào)等選擇調(diào)用;(3)可以利用三維實(shí)體建模技術(shù)和Excel電子表格鏈接［6］。

1.1 卡箍模板的生成

用系統(tǒng)參數(shù)驅(qū)動(dòng)圖形的關(guān)鍵在于如何將從實(shí)物中提取的參數(shù)轉(zhuǎn)化到UG中，用來(lái)控制三維模型的特征參數(shù)。尺寸驅(qū)動(dòng)是參數(shù)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)，尺寸約束是實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)的前提。單聯(lián)卡箍模型使用了6個(gè)尺寸的標(biāo)注，分別為:直徑d，厚度h，寬度b，長(zhǎng)度L，彎角半徑r和孔直徑d1。雙聯(lián)卡箍使用的6個(gè)尺寸標(biāo)注分別為:直徑d1，直徑d2，寬度b，厚度h，長(zhǎng)度L和孔直徑d。

由表2可知，在1h時(shí)12T-103菌株對(duì)Cry1Ac蛋白降解降較為明顯，由15. 95 μg·L-1降低至0. 68 μg·L-1，降低程度達(dá)極顯著水平(p<0. 01)，其降解率達(dá)92. 26%，此后12T-103菌株對(duì)Cry1Ac蛋白降解較為緩慢且不顯著。由此，12T-103菌株對(duì)Cry1Ac蛋白的降解能力較強(qiáng)。

圖2 卡箍參數(shù)示意圖

圖3 單聯(lián)卡箍模板

圖4 雙聯(lián)卡箍模板

1.2 卡箍零件庫(kù)的生成

當(dāng)桿彈性模量取1015Pa時(shí)，結(jié)果合理，且桿本身的變形幾乎為零。當(dāng)彈模取工程常用材料1Cr18Ni9Ti的1.84×1011Pa時(shí)，算出的位移與上一結(jié)果僅差1‰，且桿本身之變形僅占卡箍變形的1.65‰，這樣的結(jié)果工程上完全可用［16］。在卡箍組件模型中選取墊片的材料為金屬橡膠，彈性模量E的值為7.84×106Pa。卡箍的彈性模量E取1.84×108Pa，柔性卡箍用彈性較好的板片制成，其厚度較小，選取的卡箍模型厚度為2 mm。

UG的電子表格提供了在Excel與UG間的一個(gè)智能接口。信息可以從部件抽取到電子表格里。當(dāng)賦予不同的參數(shù)序列時(shí)，驅(qū)動(dòng)原有幾何模型生成新的目標(biāo)幾何圖形，就可以實(shí)現(xiàn)高效建模和模型修改的目標(biāo)，從而可以方便地通過(guò)修改參數(shù)來(lái)改變零件形狀。利用電子表格創(chuàng)建和管理零件庫(kù)，可將1個(gè)系列零件的可變參數(shù)管理起來(lái)，通過(guò)改變或添加記錄來(lái)驅(qū)動(dòng)已存在零件或生成新的零件，而無(wú)需重新建模［10］?？ü苛慵◣?kù)生成的部分零件圖如圖5所示。

2 卡箍剛度計(jì)算

魯棒水印算法有較多的研究成果，本文用基于小波變換的水印兩次嵌入算法[11]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)如圖1 所示的1200×933 的原始唐卡圖像嵌入如圖2 所示的154×447 的二值水印圖像，含水印唐卡圖像如圖3 所示，從圖3 中提取的水印如圖4 所示。因?yàn)樘瓶▓D像紋理復(fù)雜度高，嵌入水印信息后透明性很好，且魯棒水印算法能抵抗常見(jiàn)的各種攻擊，具有較好的抗攻擊能力。

2.1 卡箍組件模型的建立

由上述卡箍剛度分析模型及計(jì)算結(jié)果可知:當(dāng)長(zhǎng)度L變化時(shí)，卡箍的剛度會(huì)發(fā)生變化;然而剛性卡箍的厚度一般在5 mm以上，所以卡箍的厚度也是影響卡箍剛度的一個(gè)重要參數(shù)。因此，選取長(zhǎng)度和厚度這兩個(gè)參數(shù)作為變量，其他參數(shù)為常數(shù)，如卡箍直徑均選取12 mm，卡箍寬度b選取14 mm，彎角半徑選取1 mm。討論長(zhǎng)度和厚度變化時(shí)對(duì)卡箍的剛度的影響。

圖5 部分系列化零件

圖6 劃分網(wǎng)格后的模型

圖7 生成的接觸對(duì)

零件庫(kù)由一個(gè)模板和用來(lái)驅(qū)動(dòng)模板生成不同成員的族表組成［9］，模板含有生成零件族成員的全部特征，族表反映模板表達(dá)式值及零件屬性等的更改?？ü苛慵宄蓡T是由一系列結(jié)構(gòu)相似的卡箍零件組成，對(duì)模板的修改將自動(dòng)更新卡箍零件族的所有成員。選擇族保存目錄的位置，生成的卡箍庫(kù)保存在選定的位置處，就可以創(chuàng)建零件庫(kù)。

2.2 施加載荷和求解

本文計(jì)算了卡箍零件庫(kù)中的單聯(lián)卡箍中的8種不同卡箍零件的線剛度和角剛度，如表1、表2所示。其中，卡箍型號(hào)第1個(gè)數(shù)字代表卡箍的直徑，第2個(gè)數(shù)字代表卡箍參數(shù)中的長(zhǎng)度。

采用ANSYS對(duì)卡箍與管路進(jìn)行有限元分析，模型中墊片與剛性桿的接觸屬于非線性接觸，接觸部分設(shè)置接觸面。載荷包括自由度約束和力載荷，卡箍組件的自由度約束通過(guò)卡箍底面的全約束實(shí)現(xiàn)，力載荷分別施加在剛性桿的兩端對(duì)稱的節(jié)點(diǎn)上［11－15］。

接觸問(wèn)題的收斂性隨著問(wèn)題的不同而不同。時(shí)間步長(zhǎng)必須足夠小，以描述適當(dāng)?shù)慕佑|。對(duì)于剛性桿與墊片的面－面接觸問(wèn)題，不適用自適應(yīng)下降因子。根據(jù)整個(gè)機(jī)構(gòu)中的分析情況，在ANSYS中對(duì)整個(gè)卡箍組件等效和簡(jiǎn)化:(1)對(duì)卡箍底面處約束全部的自由度;(2)在剛性桿的兩端面施加載荷。

表1 卡箍線剛度 N/m

表2 卡箍角剛度 Nm/rad

3 參數(shù)對(duì)卡箍剛度的影響

在UG下建立卡箍零件導(dǎo)入ANSYS中，分別建立墊片與剛性桿的模型。圖6為劃分網(wǎng)格后的模型。與接觸分析不太相關(guān)的剩余卡箍幾何實(shí)體部位采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，粗化的目的是減少不必要的單元數(shù)量，縮短計(jì)算時(shí)間;而在接觸處則嚴(yán)格按照接觸面的真實(shí)形狀建立模型并進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。圖7為生成的接觸對(duì)。

特征參數(shù)與表達(dá)式之間相互依賴，互相傳遞數(shù)據(jù)，提高了表達(dá)式設(shè)計(jì)的層次，使實(shí)際信息可以用工程特征來(lái)定義。不同部件中的表達(dá)式也可通過(guò)鏈接來(lái)協(xié)同工作，當(dāng)被引用部件中的表達(dá)式被更新時(shí)，與它鏈接的部件中的相應(yīng)表達(dá)式也被更新［7］。在草圖設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)尺寸約束實(shí)現(xiàn)幾何形狀的控制，其尺寸和位置關(guān)系能協(xié)同變化，系統(tǒng)將直接把尺寸轉(zhuǎn)化為特征參數(shù)［8］。生成的單聯(lián)卡箍模板如圖3所示。雙聯(lián)卡箍模板的生成過(guò)程中，由于卡箍模板具有對(duì)稱性，在生成模板一半模型的基礎(chǔ)上，利用鏡像命令，生成整個(gè)卡箍模型，圖4為生成的雙聯(lián)卡箍模型。

3.1 卡箍長(zhǎng)度對(duì)剛度的影響

為了研究卡箍長(zhǎng)度對(duì)其剛度的影響，提取單聯(lián)卡箍參數(shù)中的長(zhǎng)度L，其取值范圍從16 mm到20 mm，依次增加1 mm，分別計(jì)算不同長(zhǎng)度下卡箍的X方向線剛度和Y方向線剛度。計(jì)算結(jié)果如表3所示，由表3中數(shù)據(jù)可得出:隨著卡箍長(zhǎng)度L的增長(zhǎng)，卡箍的剛度呈現(xiàn)逐漸縮小的趨勢(shì)。

員工流動(dòng)率高會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部人心紊亂，就好比上戰(zhàn)場(chǎng)，有一名士兵選擇投降就會(huì)有一批士兵隨之而去，擾亂軍心。頻繁的人員流動(dòng)會(huì)讓在職員工也產(chǎn)生跳槽的心理，如兩名員工關(guān)系親密，其中一位選擇跳槽，很有可能也帶走另外一位。長(zhǎng)此以往會(huì)降低酒店的團(tuán)結(jié)能力，讓員工對(duì)酒店缺乏歸屬感和凝聚力。

3.2 卡箍厚度對(duì)剛度的影響

為分析卡箍厚度對(duì)其剛度的影響，選取卡箍厚度h從1 mm依次變化0.5 mm到3 mm，其余參數(shù)保持不變。計(jì)算出不同厚度下卡箍的X方向線剛度和Y方向線剛度，如表4所示。表4中計(jì)算結(jié)果表明:隨著卡箍厚度h的增加，卡箍的剛度呈現(xiàn)逐漸縮小的趨勢(shì)。

我國(guó)在太陽(yáng)能光伏發(fā)電領(lǐng)域雖然已經(jīng)成為佼佼者，但由于起步晚，發(fā)展過(guò)于迅速等，光伏發(fā)電管理方面存在一些不足。例如，很多單位通常是在光伏發(fā)電出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，才開(kāi)始對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修，這不僅會(huì)影響發(fā)電效率和質(zhì)量，還會(huì)給日常用電帶來(lái)問(wèn)題。利用電自動(dòng)化技術(shù)，能夠及時(shí)預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行全面監(jiān)控，以便檢修人員能及時(shí)制訂檢修計(jì)劃，延長(zhǎng)設(shè)備的使用周期和使用質(zhì)量。

表3 長(zhǎng)度變化對(duì)應(yīng)的剛度表 N/m

表4 厚度變化對(duì)應(yīng)的剛度表 N/m

4 結(jié)論

通過(guò)UG軟件的參數(shù)化建模，完成了單聯(lián)卡箍和雙聯(lián)卡箍的模型庫(kù)的建立，建立了11種雙聯(lián)卡箍零件，10種單聯(lián)卡箍零件，實(shí)現(xiàn)了卡箍的參數(shù)化。進(jìn)一步分析計(jì)算了卡箍的線剛度和角剛度，共計(jì)算了8種單聯(lián)卡箍零件的線剛度和角剛度。通過(guò)討論卡箍參數(shù)的變化，分析了卡箍長(zhǎng)度與厚度參數(shù)對(duì)卡箍不同方向的線剛度的影響，隨著卡箍長(zhǎng)度L的增長(zhǎng)和厚度h的增加，卡箍的剛度呈現(xiàn)逐漸縮小的趨勢(shì)。

［1］李俊昇，文放.航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路件標(biāo)準(zhǔn)化的整體構(gòu)思［J］.航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2010(1):25－28.

［2］朱世瀾.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù):國(guó)外中、低熱值氣體燃料開(kāi)發(fā)及應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的概況［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1991.

［3］馮凱，郝勇，廉正彬.航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路調(diào)頻的有限元計(jì)算方法［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2010，36(1):30－33.

［4］劉元朋，陳良驥，馮憲章.等.基于特征的航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路反求建模方法研究［J］.機(jī)床與液壓，2008，36(5):21－25.

［5］王鵬.UG軟件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)外部管路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2003，29(4):35－37.

［6］陸龍龍，石秀華，劉光軍.基于UG特征的系列化零件庫(kù)的建模實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005(7):73－74.

［7］葉鵬，胡軍，李平.UG的參數(shù)化建模方法及三維零件庫(kù)的創(chuàng)建［J］.機(jī)械，2004，31(4):74－76.

［8］趙韓，朱可，張炳力，等.基于UG二次開(kāi)發(fā)的參數(shù)化零件族系統(tǒng)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29(8):929－932.

［9］劉德仿，陳軍，陳青.UG II中零件族的建立［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造，2000(9):24－25.

［10］李建康，金鑫，陳周，等.基于UG的復(fù)雜零件參數(shù)化分步建模及完整約束方法［J］.江南大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，8(2):181－184.

［11］王君，朱艷飛，王社敏.基于ANSYS的箍緊裝置有限元分析［J］.甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21(4):97－99.

［12］葉勇，李厚民.ANSYS中結(jié)構(gòu)剛度矩陣的求解［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2004，17(6):74－76.

［13］武思宇，羅偉.ANSYS工程計(jì)算應(yīng)用教程［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2004.

［14］李仁鋒，程永生，文貴印，等.彈性梁剛度矩陣算法及應(yīng)用［J］.傳感器技術(shù)，2003，22(8):62－65.

［15］方志，祝彥知，宋啟根.彈塑性梁柱變截面剛度的模［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，25(4):67－70.

［16］尹澤勇，陳亞農(nóng).卡箍剛度的有限元計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)定［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，1999，14(2):179－183.