虚拟样机技术在流体机械中的应用

1 虚拟样机技术 虚拟样机技术 VirtualPrototyping VP 是一种崭新的产品开发方法 它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法 应用虚拟样机技术 可以使产品的设计者 使用者和制造者在产品研制的早期 在虚拟环境中直观形象地对虚拟的产品原型进行设计优化 性能测试 制造仿真和使用仿真 这对启迪设计创新 提高设计质量 减少设计错误 加快产品开发周期有重要意义 一 虚拟样机技术 2 虚拟样机技术国内外研究现状 虚拟样机技术于九十年代初开始发展 其研究和应用迅速得到许多研究机构及软件供应商的重视 虚拟样机技术在一些较发达国家 如美国 德国 日本等已得到广泛的应用 应用领域从汽车制造业 工程机械 航空航天业 造船业 机械电子工业 国防工业 通用机械到人机工程学 生物力学 医学以及工程咨询等很多方面 目前国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成 较有影响的有美国机械动力公司 MechanicalDynamicsInc MDI 的ADAMS CADSI的DADS 德国航天局的SIMPACK 其它还有WorkingModel FLOW3D IDEAS Phoenics ANSYS Nastran等等 国内虚拟样机技术的应用研究处于起步阶段 一些大学和科研院所正在进行这一方面的工作 主要是对虚拟样机概念和结构的研究 对虚拟样机要求的相关技术如数据库技术 CAD CAM技术 网络技术 分布交互仿真技术等已有一定的基础 如将虚拟样机技术应用于航空发动机 武器装备 机械系统等方面的研究 但整体上与国外相比还有很大差距 3 虚拟样机技术的关键技术 虚拟样机技术的核心是多体运动学与动力学建模理论及其技术实现 但其并非为单纯的运动学和动力学分析 而是多种技术的综合 虚拟样机相关关键技术包括计算机辅助建模技术 有限元分析技术 优化分析技术等 虚拟样机技术 其基本组成框架如图1所示 多体系统动力学 模型分析 几何建模CAD 有限元分析FEA 优化分析技术 控制系统建模 驱动元件建模 图1虚拟样机技术的基本组成 虚拟样机技术在流体机械中的应用主要体现在以下三个方面 1 建立流体机械的虚拟样机模型 进行机械运动学及动力学仿真分析 2 基于CFD技术的流场分析 掌握其内部流场分布规律 从而改进其性能和结构 3 建立流体机械的多场耦合模型 对其分析考察并准确地表达产品结构性能 得出有意义的结论 二 虚拟样机技术在流体机械中的应用 1 机械系统动力学分析 图2模拟实际工况的叶片动力学分析 1 利用Adams建立流体机械的 虚拟样机 在真实工作条件下真实地模拟机械系统运动 并且快速分析比较各种设计 直到获得最佳的设计方案 从而减少昂贵的物理样机 提高产品设计水平 大幅缩短产品开发周期和开发成本 图2为模拟实际工况对风力发电装置叶片转速 转加速度及受力和叶片速度等项指标的仿真分析 2 利用MSCNastran或ansys进行结构强度 刚度 动力 随机振动 频谱响应 热传导 非线性 转子动力学 参数及拓扑优化 气动弹性等全面的仿真分析 图3 图4为压缩机缸盖螺栓应力分析及某转子系统模态分析 3 当然还有其它仿真软件 主要有 利用MSCDytran进行高度非线性的动态分析 利用MSCFatigue进行高级疲劳分析等等 图3压缩机缸盖螺栓拧紧时的应力分析 图4某转子系统模态分析 2 基于CFD的流场分析 目前 利用计算流体力学 CFD 进行数值模拟已经成为研究流体机械内部流动状况的重要手段 常用的流体分析软件是Fluent ansys等 对流体机械内部温度分布 流速分布 压力分布等进行模拟仿真 为产品结构和性能的设计和改进提供理论依据 图5 图6为CFD分析的实例 图5某涡轮机内部流场 温度 的分析 图6某流化床锅炉内部流场 浓度 的分析 3 多物理仿真分析 现代流体机械对部件的气动 结构 传热设计提出了更高的目标 因此必须针对流体机械部件特点 综合采用气动 传热 结构和强度 控制等多学科耦合求解的方法 实现多科的综合优化 如图7所示 图7流体机械的多学科交叉 耦合 常用的多物理仿真软件有simulationX Dymola COMSOLMultiphysics等 图8为simulationX在船舰工程中的应用实例 图8多物理仿真软件在船舰工程中的应用 三 当前研究的热点及未来发展方向 国内在虚拟样机技术领域的研究已经取得了不少成绩 主要有清华大学国家CIMS中心的铁路机车车辆虚拟样机系统 浙江大学基于多体系统的虚拟样机动力学求解器设计与开发 基于交互驱动的虚拟样机动力学分析平台开发 产品可装配性检查与装配规划软件系统 虚拟样机运动学分析平台开发 同济大学基于虚拟样机技术的汽车开发设计与分析平台 不少高校已开发出流体机械方面的数字化设计制造平台等等 目前虚拟样机研究的热点为各种软件联合仿真 多物理仿真及基于虚拟样机的各种软件平台的开发 这方面有很多论文可查 虚拟样机未来的发展方向是多学科 多领域的协同仿真平台的开发 其基本框架如图9所示 是一个集成多学科 多领域知识的智能开发平台 虚拟样机 强度刚度计