ANSYS对航空工业解决方案

ANSYS对航空工业解决方案发表时间：2009-1-25 作者: 安世亚太 来源: 安世亚太关键字: 航空航天 CAE 仿真 解决方案 ANSYS 安世亚太 中国航空工业在CAE应用方面也迈着坚实的步伐，各类 CAE技术在产品设计制造方面发挥着巨大作用，有效解决了本行业的诸多难题，为顺利研制新机型发挥了不可缺少的作用。美国ANSYS公司致力于CAE技术的研究和发展，专注于工程仿真解决方案，提供世界顶级的工程模拟技术，帮助企业优化设计流程，使企业在更短的时间内开发出高质量的产品。以下是美国ANSYS公司对航空工业的解决方案,全文分九章。ANSYS对航空工业解决方案（一）前言ANSYS对航空工业解决方案（二）航空工业期待协同仿真环境ANSYS对航空工业解决方案（三）航空发动机仿真方案_1ANSYS对航空工业解决方案（三）航空发动机仿真方案_2ANSYS对航空工业解决方案（四）飞机仿真解决方案ANSYS对航空工业解决方案（五）ANSYS在导弹设计中的应用ANSYS对航空工业解决方案（六）航空气动解决方案 ANSYS对航空工业解决方案（七）航空器电子产品热设计ANSYS对航空工业解决方案（八）航空器电子产品天线及隐身设计解决方案ANSYS对航空工业解决方案（九）航空器电子产品电磁兼容及干扰解决方案第一章 前 言 1航空工业对CAE技术的需求 国际上早在60年代初就开始投入大量的人力和物力开发CAE软件，但真正的通用商品化软件是诞生于70年代初期，而最近10多年则是CAE软件的高速发展阶段。美国于1998年成立了工程计算机模拟和仿真学会（CMSE: Computer Modeling and Simulation in Engineering），其它国家也成立了类似的学术组织，以推动CAE开发和应用技术的快速发展。目前，CAE软件的功能、分析问题的深度和广度、用户界面和前后处理能力、计算精度和计算效率等都获得了大幅度的改进与扩充。这使得目前市场上知名的CAE软件在功能、性能、易用性可靠性以及对运行环境的适应性方面，都能很好地满足用户的当前需求，从而帮助用户真正解决工程实际问题，为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。 航空工业可以说是CAE技术发展的摇篮，各种CAE技术正是在以航空工业为主的实际工业应用的推动下在不到半个世纪时间里迅猛发展起来的。以ANSYS、LS-DYNA、Nastran、CFX、Fluent等为代表的高端CAE软件早已活跃在全球航空工业中，将“基于物理样机试验的传统设计方法”带入“基于虚拟样机仿真的现代设计方法”。大幅缩短产品开发周期，降低成本，创新产品，带给产品高附加值，提高企业竞争力。 在发达国家的航空企业里，CAE已经作为产品研发设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施，在生产实践作为必备工具普遍应用。绝大多数的航空结构零部件设计都必须经过多方面的计算机仿真分析，否则不能通过设计审查，更谈不上试制和投入生产。 中国航空工业在CAE应用方面也迈着坚实的步伐，各类 CAE技术在产品设计制造方面发挥着巨大作用，有效解决了本行业的诸多难题，为顺利研制新机型发挥了不可缺少的作用。 2航空工业CAE应用 与其他工业行业相比，航空工业对CAE技术具有最全面的需求。这些需求包括以结构力学为核心的MCAE（Mechanical Computer Aided Engineering）分析、以计算流体动力学为核心的CFD（Computational Fluid Dynamics）分析、以计算电磁学为核心的CEM（Computational ElectroMagnetics）分析以及结构、热、流体、电磁多场耦合为核心的Multiphysics分析。 2.1结构力学（MCAE）分析相关应用 结构力学分析是航空工业CAE分析中最重要的分析类型。不论是军机还是民机，强度与寿命问题是关乎生命安全的大事。结构力学分析解决的便是强度和寿命问题这两件大事。此类分析所涉及的结构在飞机中无所不在，如机身、机翼、起落架、发动机等相关的零部件乃至整机结构。分析类型通常是： 线性和非线性静强度分析 模态振动分析 疲劳寿命计算 复合材料设计和强度计算 鸟撞、迫降等事故状态下的冲击力学计算 乘员安全性分析 制造工艺设计（冲压、焊接、锻造等） 目前活跃于世界航空领域的MCAE软件有：ANSYS Mechanical、LS-DYNA、NASTRAN、MARC、ABAQUS等；2.2计算流体力学（CFD）分析相关应用 气动分析是飞机设计CFD分析中最重要的分析类型，是数字化风洞的核心技术。飞机在空气中高速运动，飞行效率的确定由气动分析给出。此类分析需要解决稳态和非稳定状态下（扰动气流、低空阵风、机动飞行等）的气动响应，升/阻比气动分析中关心的要点。此外，飞机设计中还存在其他流体分析需求： 飞机发动机匹配特性计算（进气道设计） 导弹发射、副油箱抛撒等对飞机的影响 气动结构载荷和气动温度载荷计算 发动机效率（气动效率和燃烧效率） 舱内空气循环 目前活跃于世界航空领域的CFD软件有： ANSYS CFX、FLUENT、STAR-CD等；2.3计算电磁学（CEM）分析相关应用 CEM分析对于军机设计非常重要。现代战争是电子战争，雷达与反雷达技术是这种战争中的关键技术。电磁波分析是这些技术研究的重要手段。这种分析包括： 机载天线安装及布局设计 军用飞机雷达散射截面（RCS）计算 机载天线、雷达、电子器件间的电磁兼容和电磁干扰分析 电气设备效率和安全性分析 目前活跃于世界航空领域的CEM软件：ANSYS EMAG、FEKO、ANSOFT、CST MAFIA、EMC2000等。2.4 多场耦合（Multiphysics）分析相关应用 各CAE应用领域之间不是相互独立的，在结构、气动、电磁等特性之间，为满足某一方面的需求而对设计进行的修改都会影响到其它方面的性能，因而耦合分析的需求随处可见。比如， 在高温环境中工作的发动机部件的热应力分析是典型的热-结构耦合分析 要进行准确的发动机叶片应力分析，必须通过流体分析得到叶片间的流动产生的压力载荷 要准确进行整机结构力学响应计算，就必须耦合气动分析以获得准确的结构气动载荷 气弹颤振分析是飞机结构和气动计算之间的强烈耦合 目前活跃于世界航空领域的多场耦合软件是ANSYS Multiphysics.3ANSYS反映现代CAE技术的发展特点 现代CAE技术的繁荣昌盛带来了CAE软件的百家争鸣。上文指出了活跃在世界航空领域的各类CAE软件。这些软件各有特点，但总体来说，他们有一些共同追求的目标，也是现代设计方法对CAE技术提出的需求，同时也用来衡量CAE软件技术先进与否的重要标志。 美国ANSYS公司致力于CAE技术的研究和发展，专注于工程仿真解决方案，提供世界顶级的工程模拟技术，帮助企业优化设计流程，使企业在更短的时间内开发出高质量的产品。ANSYS公司连续多年以销售额20%以上的经费投入研发，先进的技术及高质量的产品多次赢得业界各种荣誉，被世界各工业领域广泛接受，成为ASME、NQA等二十多个专业技术协会所认可的标准分析软件。 ANSYS软件作为世界CAE软件中的佼佼者，她所拥有的技术反映着现代CAE技术的发展趋势。该软件针对现代设计方法对CAE技术提出的需求，发展出大量其它软件所不具有的特色。本文将这些特色以ANSYS软件产品关键词的方式与读者共享。 词汇一：协同仿真环境 现代CAE技术的繁荣昌盛为用户带来宽广选择余地的同时也带来了产品仿真的协同需求。各种CAE程序单打独斗的时代即将过去，这些程序之间的合作将是今后CAE发展的主要方向。现在CAE世界期待一个可以整合所有CAE技术资源和数据的协同仿真环境。 ANSYS Workbench作为世界唯一一款协同仿真平台，旨在搭建基于网络的仿真工作统一环境，将百家争鸣的仿真技术和纷繁复杂的仿真数据完美整合，与仿真相关的人、部门、技术及数据在统一环境中协同工作。 协同是现代产品设计流程发展的必然需求。时下流行的PDM满足了产品的协同设计需求，Workbench满足了产品协同仿真需求。词汇二：多物理场仿真 CAE技术涵盖了计算结构力学、计算流体力学、计算电磁学等诸多学科专业，而象飞机、船舶等大型工业产品的设计对这几个学科专业都有强烈的耦合场分析需求。一般的CAE软件通常都只能解决某个学科的问题，用户需要配置一系列由不同公司开发的、具有不同应用领域的软件组合起来以解决其实际工程问题。这不但增加了用户投资，而且很多耦合场问题会由于不同软件间不能有效准确地传递数据而无法真正实现耦合仿真计算。能否真正完成全面耦合场分析，已经成为现代CAE软件所追求的目标。 ANSYS软件作为融结构、电磁、热、流体分析技术于一身的强大仿真系统，不但拥有为业界认可的强大的单场分析模块，而且由于出自同一家公司的模块，数据传输不存在瓶颈，各场之间的耦合分析能力为准确预测航空工业产品的性能提供保障。词汇三：双向参数互动 CAE软件必须可以直接使用CAD生成的模型已经成为业界共识。目前，其他CAE软件一直在延续使用“模型数据单向传递”方式。为了满足现代并行设计、快速设计的要求，ANSYS引入“双向参数互动”技术。 双向参数互动是指：CAD模型传到CAE软件后，CAE软件继承CAD模型的原有参数；CAD修改模型参数之后，CAE软件只需刷新即可得到来自CAD模型的新参数，从而更新模型，但CAE软件中的网格和载荷设置不发生变化，可直接求解；CAE软件可直接根据分析结果对设计参数直接进行必要的修改，或利用优化设计功能得到最优设计参数后，在CAD中只需刷新操作便更新模型。 ANSYS使用CAD模型时，是在ANSYS环境中建立CAD模型的“链接”或“影射”，本质上讲是与CAD系统资源共用，使用同一个CAD模型，因而不存在其他CAE软件的CAD接口经常发生的“丢失信息”的现象，而“双向参数互动”在此模式下则成为自然而然的事情。词汇四：自动探测装配 现代CAE技术可以对相当大规模的问题进行分析，而且这种分析可以是复杂的接触问题（在CAD中称为“装配”）。利用仿真手段可以对具有大量零部件的虚拟样机整机进行虚拟试验。但是由于零部件的装配在CAE中需要进行“接触”分析，而接触分析需要建立接触单元。此过程在其他CAE软件中采用手工方式完成，一个虚拟整机的建立所需要的时间令人不可接受。因此，CAE软件的自动探测装配关系的能力决定了能否进行虚拟样机性能仿真，是我们真正发挥CAE软件的优势的关键技术之一。 ANSYS公司提供的CAD模型“链接”技术，在建立装配模型“链接”的过程中，自动探测装配关系，同时完成“接触”单元的建立，无需人工干预。 词汇五：变分优化技术 CAE分析的最终目的是对设计提出满足工作要求的修改意见。大多数CAE软件都提供优化设计功能以满足这样的需求。程序自动根据分析结果和设计要求、在特定的优化算法的帮助下自动修正设计，经过多次循环而获得优化的设计结果。这种技术称为实验设计（DOE）技术。 基于DOE技术的经典优化方法的共同特点是需要对模型进行大量的迭代计算。设计自变量越多，需要的迭代次数越多。对于飞机或船舶整机这样的大型问题，设计自变量非常之多，这种经典优化设计方法由于需要大量迭代，其实就已经失去了优化的意义。 ANSYS软件除了提供基于DOE技术的优化技术外，还提供一种称为变分技术的优化方法。这种技术深入到CAE程序内核，在矩阵生成层次利用变分技术、网格随移等高级技术，将CAE矩阵参数化，从而使CAE分析过程参数化。采用这种优化方法，只需一次求解就可以得到整个设计空间的响应结果，并且快速获得最优设计。不论设计自变量有多少，这样一次求解时间都是普通有限元求解的35倍。因此，设计自变量越多，它的优势越明显。词汇六：“死网格”再生术 在优化设计时我们通常需要经过“修改CAD模型-重新计算”的多次循环。没有几何模型、只有网格时称为“死网格”，因为你不能从这些网格入手修改设计。当你在外协过程中接受来自别人的网格时，得到“死网格”的可能性非常之大。“死网格”除了存档之外没有其它价值。ANSYS提供的ParaMesh模块能使死网格再生。该工具允许用户将“死网格”参数化，可以像CAD那样随意修改网格模型。这种技术对于飞机或船舶大型复杂设计需要大量外协的设计部门来说意义巨大。其实，“死网格”再生术就是ANSYS协同仿真环境中CAE技术整合技术之一。 词汇七：解读仿真模型 在中国航空、航天、船舶行业，企业或研究所通常会拥有多种商业CAE程序，与别人的协同工作是日常工作的一部分。协同工作过程中，经常需要从别人那里得到某个软件生成的CAE模型。一个复杂的CAE模型可能蕴含大量信息，当你打开别人的复杂模型时会一片茫然。人工解读这些信息可能会花费大量的时间，ANSYS协同仿真环境可以快速解读CAE模型，快速提取复杂仿真模型中的有用信息，形成CAE信息关键词列表和解读报告，可以图示关键词对应的模型。仿真模型解读技术是ANSYS协同仿真环境中CAE技术整合的另一重要技术。词汇八：电大尺寸分析 电磁计算领域存在一个概念电尺寸，是指结构的几何尺寸与电磁波波长的比值。计算电磁学要求，无论对目标物还是电磁波的传播空间（如空气），计算网格的边长均不得大于波长的1/10。如果结构尺寸大于十个波长时，分析需要的计算网格将非常之多（通称成为电大尺寸问题）。有限元方法（微分方法）尤其如此，因为此方法需要对波的传播空间也需要划分网格。通常此类分析因为网格太多、计算量太大而被迫放弃。 在ANSYS中，电磁分析方法可以采用以矩量法（MOM）为代表的积分方法，此类方法只需对计算目标划分网格，波的传播空间可以不划分网格。这样必然减少总体网格数量而计算成为可能。而且在ANSYS采用精确MOM和PO/UTD/FMM（物理光学法/一致性绕射理论/快速多极子）等近似方法的混合方法，这些方法将计算电尺寸进一步扩大，使得ANSYS成为世界唯一可以解决电大尺寸问题的商业电磁分析程序。 多年来，电大尺寸问题一直是航空航电设计中非常棘手的问题。机载天线的设计必须考虑天线间的相互耦合和天线与飞机之间的影响作用。这种典型的电大尺寸问题在ANSYS的电磁分析模块中得到全面解决。词汇九：顶级网格雕塑 如果说强壮的求解器技术反映着ANSYS力的特质，那么，优美的网格雕塑技术则反映ANSYS美的特质。 ANSYS ICEM堪称世界网格雕塑技术泰斗，提供了强大的网格剖分能力。CFD分析技术对网格的要求非常苛刻，没有优秀的网格划分工具，对复杂模型创建优质的网格是艰巨的工作，而当今世界主流CFD软件的用户皆使用ICEM作为网格剖分工具。 ICEM在网格剖分方面提出“雕塑”的概念：任意复杂的几何体总可以在区域上划分为多个块体（block）的组合。使用者只需对块体划分网格，然后投射到复杂表面上。所有的网格形态在没划分之前就确定，而不像其他软件采用的“堆砌法”，网格在没“堆砌”完成之前无法确定网格形态。 ICEM不但提供了强大的网格“雕塑”能力，而且可以读写世界所有知名CAE/CFD/CEM软件的网格格式。航空、航天、船舶行业的企业和研究所通常拥有多种CAE/CFD/CEM，ICEM技术为这类企业提供了统一的网格解决方案，省去使用者在多种软件之间切换的苦恼。词汇十：高效并行计算 在硬件支持方面，ANSYS不但在基于Intel-Windows架构的微机、基于RISC-UNIX架构的工作站、巨型向量计算机上都能够正常工作，而且还提供统一的用户交互界面、统一的软件功能、统一的数据库以及网络浮动运行能力。 当今，ANSYS软件的发展已经超越了计算机平台的概念，MPP群机系统、SMP及其构成的星群系统、甚至是局域网连接的工作站/PC机群的并行计算是ANSYS现代CAE技术追求的新境界。ANSYS已经开始采用不同机型及操作系统的混合网络上的并行计算。 并行计算使ANSYS进行系统级的大规模CAE分析计算不再是新闻，数百万甚至千万网格的计算规模已经是每天发生事情，比如大型飞机的整机气动计算、整机结构模态分析、整机超大规模电大尺寸高频电磁计算等等。 ANSYS公司于2004年5月，在该年度年会上演示了一个一亿自由度的模型在一台八CPU机器上仅八小时就得到计算结果的全过程，宣布了其在高性能计算领域的里程碑：ANSYS公司是第一家可以计算一亿自由度问题的CAE公司。第二章中国航空工业期待协同仿真环境 1.国航空工业的CAE技术现状CAE技术在中国航空工业的应用已有30年的历史。伴随世界CAE技术的发展，本行业对CAE技术的理解和应用也逐步深入。与其他工业行业相比，航空工业对CAE技术具有最全面的需求。在中国航空工业各个企业和研究所，CAE软件和技术可谓百花齐放，行业自编软件和国外进口软件比翼双飞。 1.1国外商业化CAE软件 这些软件按照应用范围分为四类： (1)以结构分析为核心的MCAE（MechanicalComputerAidedEngineering）软件，如ANSYS公司的Mechanical、LS-DYNA、VirtualMotion、Fe-Safe软件，MSC公司的Nastran、Dytran、ADAMS、Fatigue软件，ABAQUS公司的ABAQUS软件等； (2)以流体动力学分析为核心的CFD（ComputationalFluidDynamics）软件，如ANSYS公司出品的CFX软件，Fluent公司的Fluent软件，CDadapco公司出品的STAR-CD软件等； (3)以计算电磁学分析为核心的CEM（ComputationalElectromagnetic）软件，如ANSYS公司出品的EMAG和FEKO软件，Ansoft公司出品的HFSS软件，CST公司出品的MicrowaveStudio软件等； (4)结构-热-流体-电磁耦合分析软件，如ANSYS公司出品的Multiphysics软件。 1.2企业或研究所自编软件 航空工业是技术和知识高度密集的高科技产业，是多学科、多专业、多层次的大型复杂系统，素有“工业之花”之美称。这个行业人才辈出，在世界商业CAE程序尚未进入中国之前，在中国航空工业就存在大量由这些行业精英编制的小型CAE程序。即使现在商业CAE软件如此发达的今天，本行业仍然在采用和发展这些程序，以弥补商业CAE软件在某些特殊领域的不足。 2.仿真技术百家争鸣双刃剑 世界CAE技术的百家争鸣为中国航空CAE应用带来了繁荣。这种繁荣为中国航空工业的技术进步起到了不可磨灭的促进作用。不同程序具有不同的应用对象，同一项目的不同分析需求（如强度分析和气动分析）采用不同软件来解决。即使同一类软件（如ANYSMechanical和MSC.Nastran，同属于结构分析软件），不同软件也具有各自特点，对相同问题采用不同软件互相印证在行业中也比较常见。 但繁荣的背后也隐藏着问题，仿真软件的百家争鸣是一把双刃剑，为中国航空工业应用带来益处的同时也带来诸多烦恼。 2.1学习及使用的烦恼 对于不同的CAE软件，他们虽然具有工作目的：即将工程问题转变成可以进行CAE仿真的模型，但他们的前后处理风格却迥然不同。对于相同目的但不同风格的环境，学习与熟悉仍需要耗费大量的时间。即使掌握了，在使用的时候仍然需要在不同界面之间切换，非常不便。 同时，行业小型CAE软件普遍存在的一个问题就是易用性。由于这些程序的编制人员是行业技术专家而不是软件专家。他们在编制这些程序时通常只关注计算功能而忽略前后处理，编制这些软件的人可自如运用，但对其他人员来说，如果没有深入的培训，使用起来可能无从下手。2.2交流与共享的烦恼 不同的CAE程序生成的模型数据和结果数据不同，导致诸多数据交流与资源共享的问题： (1)同类CAE软件的印证失效：由于模型的不同，相同类型的CAE软件（如ANSYS与Nastran）之间互相印证失去统一标准，使得这种印证只是个美好的愿望。 (2)行业内部交流：中国航空工业内部各企业、各科研院所之间的交流与合作是信息化首要解决的问题，仿真软件百家争鸣双刃剑却在有意无意地割断这种合作与交流。 (3)资源共享的烦恼：仿真软件使用人员完成的分析模型和计算结果是企业重要的智力资产，在其他时间和场合下可以重复利用，资源可以被多次共享，价值可以再生，长时间造福整个行业。但由于缺乏统一平台，得来不易的成果只能停泊在某个码头造福一方而已。2.3多场耦合的烦恼 由于模型和结果文件不能良好通讯，不同场之间的耦合分析成为奢望。ANSYS公司由于在一年前收购了世界著名的流体动力学分析软件CFX，使得这一问题到解决。但像结构分析程序Nastran和流体动力学分析软件Fluent，虽然在各自的分析领域内得到人们的认可，但对它们不是一家公司的产品，数据结构不同，他们之间的流固耦合仍只能望之兴叹。3.ANSYS协同仿真环境 面对仿真软件的百家争鸣双刃剑，ANSYS公司提出的观点是：保持核心技术多样化的同时，建立协同仿真环境。 在ANSYS协同仿真环境中工作，人们始终面对同一个环境，而不是在各种设计与分析程序之间切换。使用基于网络的三层构架，所有的设计技术 与分析技术只是这个环境的后台技术。所有与仿真工作相关的人、技术、数据在这个统一环境中协同工作，各类数据之间的交流、通讯和共享皆可在这个环境中完成。该协同环境具有以下特征： 3.1CAE技术与数据的协同 对于具有多类核心仿真技术的航空企业，分析技术与数据的协同应该是这个仿真环境的核心目的。ANSYS协同仿真环境解决可以满足协同仿真的基本和高级需求： (1)基本需求：兼容性 协同仿真环境中生成的网格可以直接生成其他仿真核心程序需要的文件格式； 协同仿真环境可直接接受其他仿真软件生成的网格。 (2)深层需求 建立CAE网格的技术足够强大，能快速将设计数据转变成CAE网格，而且网格形态优秀，满足各类CAE软件对网格形态的要求。 具有快速解读复杂CAE模型的能力。一个复杂的仿真模型可能蕴含大量信息，当你打开别人的复杂模型时会一片茫然。如果没有合适工具，全凭自己对模型的理解来了解这些信息可能会花费大量的时间。但如果不能快速了解这些信息，协同将无从谈起。 具有“死网格”的再生能力。在优化设计时我们通常需要经过“修改模型-重新计算”的多次循环。没有几何模型、只有网格时称为“死网格”，因为你不能从这些网格入手修改设计。当你在协同设计过程中接受来自别人的网格时，得到“死网格”的可能性非常之大。“死网格”除了存档之外没有其它价值。ANSYS协同仿真环境能使死网格再生，允许用户将“死网格”参数化，可以像CAD那样随意修改网格模型，使协同效应最大化。 多场耦合能力。协同仿真环境不但可以使MCAE和CFD模型自由转换，而且CFD的后处理结果可以作为载荷施加在MCAE模型之上。因此，ANSYS协同仿真环境可以将各种MCAE软件和CFD软件结为表兄弟，实现多种软件之间的耦合，如Nastran和Fluent或CFX的耦合、ANSYS和Fluent的耦合等。3.2CAD与CAE之间的协同 设计数字化（CAD设计）和试验数字化（CAE仿真）是飞机制造数字化工程中不可分割的两个方面。现代CAE技术可以直接使用CAD软件设计的模型进行仿真分析是现代设计方法提出的要求。而ANSYS协同仿真环境不只将CAE模型与CAD模型简单兼容，而且建立CAD和CAE之间的参数互动关系。 (1)ANSYS协同仿真环境能在统一环境中从不同CAD系统先后读入不同零部件模型，并将这些零部件实现再次装配，以便为CAE分析提供完整的几何模型。对于现代大中型企业，使用多种CAD程序是很正常的。对于一架飞机，负责不同部件设计的设计组使用的CAD程序有可能不同，但进行整机分析的时候又必须将这些设计模型整合在一起。 (2)协同仿真环境能保留这些零部件在原始CAD系统的设计参数，以便在仿真时进行优化。 (3)用户在CAD环境中修改CAD模型的某些参数后，协同仿真环境只需经过刷新操作即可修改CAE模型的参数，此环境中的网格和载荷设置完整保留，可直接求解； (4)协同仿真环境中进行分析优化之后，确定了最优的设计参数，在CAD中也只需刷新操作即可将协同仿真环境中的参数读取回来直接修改CAD模型，而不需要重新设计模型或手工修改设计参数。4.协同仿真环境的客户化定制 ANSYS把成熟的CAE软件拆成CAE技术组件（API），ANSYS协同仿真环境是由这些组件装配而成。用户以根据自己的实际需要方便地将这些拆散的组件重新装配，形成用户定制的协同仿真环境，并集成具有自主知识产权的技术，形成既能够充分满足自身的分析需求，又具有个性化的协同仿真环境。当然，在这种重新组合过程中，用户可以放弃不需要的原有组件，实现量身订制，使程序短小精悍，省去不必要的硬件开销。另外，用户可以自己开发新的组件，这些组件与ANSYS组件平等，而不像其他软件的二次开发功能那样：新开发的代码永远是商业软件的附庸而导致成本高、灵活性差的缺点。 Workbench开发的程序可融入分析专家的成果及经验，使分析过程规范化。不同的使用者可能对CAE的理解不同，但对具体问题，分析级别都统一在分析专家的级别上，在最大程度上保证分析结果的正确性。现代企业竞争归根到底是人才和知识的竞争，分析专家智力资产的宝贵程度是毋庸置疑的。但这些资产的保存、积累与共享是人们一直在探讨的一个话题。现在通过Workbench，使这样的问题有了满意的解决方案。当专家们的知识固化入程序中以后将永久保留与共享，随着这种工作的持续进行，将为企业积累异常宝贵的智力资产。 Workbench的引入使这种开发变得方便快捷。利用Workbench，程序开发人员没必要将所有的CAE技术从头开发。他们是行业的技术专家，不是软件技术专家，他们头疼的事情往往不是专业技术的实现，而是软件编程技术合理应用。利用Workbench，他们可以直接使用ANSYS公司软件专家们的前沿软件技术，真正专注于本行业的专业技术，而不是把时间浪费在他们不熟悉的软件技术上。 现代CAE技术的繁荣昌盛为用户带来宽广选择余地的同时也带来了产品仿真的协同需求。各种CAE程序单打独斗的时代即将过去，协同仿真时代已经到来，这些技术之间的合作将是今后CAE发展的主旋律。ANSYSWorkbench搭建基于网络的仿真工作统一环境，将百家争鸣的仿真技术和纷繁复杂的仿真数据完美整合，与仿真相关的人、部门、技术及数据在统一环境中协同工作。 时下流行的PDM满足了产品的协同设计需求，Workbench满足了产品协同仿真需求。ANSYS协同仿真环境将冲破仿真领域中封建观念的禁锢，消除信息孤岛，整合CAE资源，让仿真工作在协同环境中发挥最大作用！第三章航空发动机仿真方案 1.航空发动机行业概况 1903年12月17日，美国莱特兄弟实现了人类历史上首次有动力、载人、持续、稳定和可操作的重于空气飞行器的飞行。这使得几千年来由少数人从事的飞行探索事业在后来的百年中发展成为对世界政治、经济、军事和技术，甚至人们的生活方式都有重要影响的航空业。 因此，从狭义上说，航空发动机是航空器飞行的动力，是航空器的“心脏”；从广义上说，航空发动机是航空事业发展的推动力，对航空器的性能和研制有着决定性的影响。 1.1.世界航空发动机发展历史 航空发动机百余年的发展历史大致可分为两个时期：第一个时期从莱特兄弟的首次飞行开始到二次世界大战结束为止。这个时期内，活塞式发动机统治了40年左右的时间。第二个时期是从二次世界大战结束至今，燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机，居航空动力的主导地位，开创了喷气时代。在燃气涡轮发动机的60多年发展历程中，大致经历了四次更新换代： 第一代是单转子亚音速喷气发动机。这一代发动机大多数在20世纪3040年代研制，40年代末50年代初投入使用。压气机采用离心式和轴流式两种，总增压比在5左右，单管燃烧室，单级涡轮；推重比3左右。有代表性的机种有：美国的J47(TG-190)、前苏联的VK-1和法国的阿塔（Atar）发动机。 第二代是超声速涡喷发动机。这些发动机在第一代发动机的基础上有了许多创新，大都在50年代研制。主要技术特点是：双转子、进口导流叶片可调、超声速压气机、高温涡轮、推重比达到5左右。用这一代发动机装配的飞机都是超声速战斗机。代表机种有：美国的J79和前苏联的R11-300R。 第三代是超声速涡扇发动机。这一代发动机的研制始于60年代，主要技术特点是：涡扇发动机、核心机技术，2D设计、环形燃烧室、气冷涡轮、结构完整性设计、新材料、推重比8。这一代发动机的成长得益于全世界各种大型试验设备的建设、计算技术和制造技术的发展。用这一代发动机装配的飞机都是高性能超声速战斗机。代表机种有：美国的F404和F100、前苏联的AL31F和RD33、英国的RB199和法国的M88-2。 第四代是先进技术涡扇发动机。这一代从80年代中期开始发展，目前仍处于研制阶段。主要技术特点是：结构简单，抗撞击能力强，具有良好的耐久性可维护性；增加了不加力条件下的持续超声速巡航能力、采用2D喷管的有限矢量推力能力和隐身能力。第四代发动机的推重比为910。代表机种有：美国的F119、前苏联的AL-41F和英国的EJ200。 航空燃气涡轮发动机在60多年的发展历史中经历了众多技术进步，如表3-1-1所示：目前，美、英第一、二代均已退役，第三代是现役主力机种。由于其性能先进，且还在不断改进改型，服役期比第一、二代长很多，估计将使用到2010年左右，俄、法、日、印、韩等国第二、第三代并存，以第三代为主。 第四代战斗机是美、苏冷战对抗时期开始研制的，原计划90年代中期装备部队。自苏联和华约解体后，是否还需要继续发展，在美国和西欧开展了一场大辩论。许多国会议员提出，将F15、F16经现代化改装后，就可以达到应付未来“地区冲突”的要求。在此影响下，德国曾一度退出欧洲战斗机EF2000发展计划。但辩论的结果认为：F15、F16经改装后，不能跨越“代”的鸿沟。为了满足“全球到达，全球力量”的战略目标，发展第四代战斗机是必须的。这场辩论使第四代战斗机的装备时间推迟了十年左右。第四代战斗机具有隐身、过失速机动、不加力超声速巡航、短距起降、超视距多目标攻击和装备更先进的航空电子与武器系统等许多特点，较之第三代具有全面优势。据报道，F22与F15相比，每飞行小时的维修工时降低约70%，其综合作战效能提高近10倍。但由于F22太贵，难以大量装备部队，又决定同时研制装单台F119发动机（推力增大型）的JSF联合战斗机，已有近10个国家参与该项计划。该机三种型别（常规型、短距起飞/垂直降落型和垂直起降型）的意向订货量高达3300架左右，总价达1800亿美元的订单已被马丁公司所得。美国将以联合战斗机JSF和F22这两种第四代战斗机轻重搭配跨入21世纪，从2003年起陆续装备部队，全面取代现役的第三代战斗机，成为美国、部分西方国家、甚至我国部分周边国家和地区21世纪上半叶的主战机种。 西方各国对航空动力技术的预先研究一向给予极大重视，开展了一系列大型研究计划。如美国军方早从50年代中期就开始实施航空推进技术探索发展计划；70年代初至80年代又相继实施了先进战术战斗机发动机计划（ATFE）、先进涡轮发动机燃气发生器计划（ATEGG）和飞机推进分系统综合计划；70年代末以来，美国政府（由NASA主持）也先后实施了发动机部件改进计划、高效节能发动机计划（E3）、先进螺旋桨计划和发动机热端部件技术计划（HOST）。正是这些研究计划，为各种先进军、民用发动机提供了坚实的技术基础，才使得美国达到了当今世界的领先水平，使军、民用发动机跨上了一个又一个技术新台阶。航空动力行业已成为世界各航空强国的军事工业和国民经济的重要支柱产业之一。 美国在研制第四代F119发动机的同时，从1988年起的15年内又投入50亿美元巨资，由军方与政府联合主持实施“综合高性能发动机技术计划”（即IHPTET计划）；英国则着手进行先进军用核心发动机第II阶段计划（ACME-II）。其共同目标是利用计算流体力学（CFD）、结构力学、燃烧、传热、新材料、新工艺、电子调节和计算机仿真等方面的最新成就，使推进系统的能力在现有基础上翻一番，预计2020年后有可能研制出第五代推重比为1520的发动机。这意味着他们用15年左右的时间，在推重比、耗油率、成本等方面取得的技术进步，相当于过去3040年的成就，充分表明世界航空发动机技术呈现加速发展态势。1.2.我国航空发动机发展历史 我国航空动力行业经过几十年的建设，从无到有，由小到大，在维护修理、测绘仿制、批量生产、改进改型、民机开发等方面均取得很大成绩。新机研制和预先研究也取得可喜进展，共生产了近60000万台各型发动机，为建立一支强大的人民空军、海军和陆军航空兵，保障国家安全和促进国民经济建设做出了重大贡献。 但是，航空动力长期在测绘仿制中徘徊，走了不少弯路，与加速发展的世界先进水平相比，我国航空发动机大大落后了。我国现役军机大量使用的发动机，大都是仿制前苏联的产品或者是其改进改型，推重比为55.5左右，仅相当于国外早已淘汰的第二代水平；民机动力方面，目前生产的仍是仿制前苏联5060年代的中小型涡桨发动机，干线民航机大涵道比涡扇发动机基本上还是空白；在航改燃机方面，80年代在成熟的航空发动机基础上改型了6种型号，生产了百余台，但仅占我国近800万千瓦燃机总装机容量的5%左右；从80年代初开始的高性能发动机关键技术预研，虽取得一定进展，但距工程应用还有一段较长的路要走；80年代中期开始研制的某发动机，虽已实现首飞，但距设计定型尚需时日。综合评估我国航空动力的总体技术水平，较国外相差一代半，落后约2530年，而且这种差距还有进一步拉大的危险。我国航空发动机落后，已成为严重制约整个航空工业快速发展的“瓶颈”，这是不争的事实。造成这种局面的原因很多，“冰冻三尺，非一日之寒”，客观上航空发动机技术十分复杂，研制难度很大，花钱多，周期长，我国工业和技术基础相对薄弱，预研和型号经费投入不足；主观上对航空发动机研制的复杂性和规律性认识不足，对预研工作重视不够，技术储备少；摊子大，战线长，力量分散，型号品种多。在国际形势出现变化和动力技术快速发展的新形势下，却未能及时进行必要的结构调整和技术改造；引进仿制机种过多，总以为测仿来得快，40多年中先后测仿了来自国外的十多种型号，大都是当时该国的二、三流产品；尤为失策的是对引进技术未能很好地组织消化、吸收和创新，且引进往往挤掉或消弱了国内的新机研制；长期过份强调型号牵引，有了型号才有钱，对预先研究、打基础重视不够，预研投资强度太低，结果使基础薄弱，技术储备不足，许多关键技术没有提前突破，型号研制成了“无米之炊”，久攻不下，为了满足飞机对发动机的需求而不得不再来一轮新的引进、仿制，从而陷入“恶性循环”；在管理上，领导机构重叠，管理分散，政出多门，意见不一，缺乏稳定、权威的中长期发展规划，缺乏科学的决策程序，型号和大型预研项目的“上马”和“下马”，往往因机构调整和人事变动而出现大的变化；没有协调处理好发动机与飞机（平台）、型号与预研、全新研制与改进改型、自行研制与国外引进、工业部门和使用单位之间的关系；在工业基础方面没有安排好提前突破先进的关键材料和制造工艺。管理上滞后和指导思想上的 不适应，对发动机的发展有时甚至比技术上落后的影响更大。 事实上，早在上世纪60年代，周恩来总理就指出：我们的飞机得了“心脏病”。40多年过去了，这种状况并没有实质性的好转，国内民航干线客机动力已全部被国外所占领，而新研军机因没有自行研制的先进动力可用，不得不买装国外发动机。我军装备因动力而受制于人，形势十分严峻。根治飞机“心脏病”已刻不容缓，这是摆在我们面前严肃而又紧迫的任务。图3-1-1表明，从军用航空发动机最重要的性能指标“推重比”来看，我国航空发动机与国外发达国家对比呈现出剪刀差的落后趋势，我国航空发动机仿制生产起于50年代初，起步并不算晚，而70年代以后差距愈拉愈大，与世界航空发动机技术的加速发展态势形成巨大的反差！值得特别指出的是，我国周边国家日本早就与美国合作生产第三代F110发动机，并参与世界一流水平的大型民用涡扇发动机的国际合作研制，目前又正在与美、英合作研制飞行速度5倍声速的HYPR-9组合循环发动机，力图在高超声速推进技术领域抢占领先地位。印度自行研制的GTX-35VS双转子涡扇发动机，推重比7.5左右，预计2002年将装在他们自行设计的LCA轻型战斗机上首飞（后改用美国的F404-F2发动机）。他们计划在未来几年内对其现有的780架各型作战飞机进行大规模更新换代，使现役第三代飞机由目前的230架增加至560多架，还准备引进50架装有推力矢量喷管的俄制SU-30MKT战斗机，并计划在15年内生产150200架。台湾地区虽未独自研制航空发动机，但在美国人帮助下，合资研制了FTE1042涡扇发动机，并成功地应用于“经国号”轻型战斗机（装备130多架）。此外继购买150架F16A/B之后，又引进60架幻影2000-5，明显地提高了装备水平，增强了空军实力。可以说，我国空军（包括海军航空兵和陆军航空兵）的装备，除了数量上仍占一定优势之外，其技术水平已经或即将被这些周边国家和地区赶上和超过。这种严峻的形势，对我国国家安全已构成严重威胁。对此我们应有高度警惕和足够的认识。 1.3.新世纪我国航空动力具有良好的发展机遇 虽然我国还没有一台自行研制的发动机投入使用，但经过半个世纪的努力，我们进行了多个型号研制，开展了推重比8和推重比10发动机这两项大型预研工作，建成了包括大型高空台在内的基本配套的试验设施，形成了较强的制造加工能力。特别是改革开放20多年来的快速发展和对外合作，为21世纪航空动力的快速发展打下了较坚实的技术和人才基础。 过去航空产品的设计主要是依赖于各种试验，使得航空产品尤其是航空发动机的研制周期长、耗资多、风险高。近年来，由于信息技术特别是计算机辅助工程仿真（CAE）和计算流体力学（CFD）技术的发展以及大量试验数据的积累，20世纪90年代以来，在西方航空发达国家引发了一场设计技术的“革命”，初步实现了从“传统设计”向依靠计算机数学模型优化计算和虚拟现实仿真“预测设计”的转变，从而大大减少了试验工作量，提高了设计的成功率，既节约了经费，又缩短了研制周期。使发动机的研制周期从过去的1015年缩短到68年甚至45年，试验机也从过去的4050台减少到10台左右。 我们若能牢牢抓住这个机遇，在我国预研和型号已取得成果的基础上，再加大力度引进、消化一些国外的先进软件，建立一套中国自己的航空动力设计体系和数值仿真系统，提高设计“起跑线”，发挥“后发优势”，不再重复西方几十年所走过的老路。这是我国航空动力走出困境，以较少的投入、较快的速度缩短与国际先进水平差距的有效途径，也是实现跨越式发展的难得机遇。 2.航空发动机研制中的典型CAE问题 如前所述，计算机辅助工程分析技术已经在西方航空发达国家引发了一场设计技术的“革命”，在航空发动机领域更是如此。其最直接的效益就是：大大减少试验工作量、提高了设计成功率、节约研制经费、缩短了研制周期。 现代航空发动机设计对CAE分析的要求呈现三大趋势：一是对分析的精度要求越来越高、二是需要分析的对象越来越庞大和复杂（系统级分析）、三是对多物理场耦合分析尤其是流固耦合分析的需求越来越多。下面简单罗列一些航空发动机研制过程中的典型CAE问题以供参考，在下面几个章节中，我们会针对这些问题予以更详细的说明并提出ANSYS的解决方案。与结构力学分析相关的典型问题有: 压气机和涡轮的叶片、轮盘等重要构件在考虑温度、气动力、高速旋转离心力等载荷作用下的强度、振动以及高低周疲劳计算； 高低压转子系统以及与支撑结构相耦合的转子系统在考虑温度、气动力、高速旋转离心力和陀螺力矩等载荷作用下的动力特性（转子动力学）和不平衡响应计算； 齿轮、轴承、传动轴、机匣、管路系统以及其它辅机系统在相应复杂载荷和约束条件下的结构强度、振动、疲劳计算； 叶片鸟撞、包容性、抗异物损伤等高度非线性结构动力计算； 与计算流体力学分析相关的典型问题有 单/多级风扇、单/多级压气机、单/多级涡轮、进气道、喷管等零部件气动计算； 燃油喷射和雾化、燃烧室/加力燃烧室燃烧分析； 涡轮盘、涡轮叶片、燃烧室、喷管冷却分析； 飞机/发动机匹配气动计算，以及多相流模拟发动机地面吞水试验； 与计算电磁学分析相关的典型问题有 多/全电发动机耐高温高性能磁悬浮轴承、启动发电机等关键零部件电磁特性计算； 电气化传动附件电磁特性及EMC/EMI计算； 需要高性能计算的多物理场耦合计算问题示例 风扇和压气机叶片的气动-结构耦合分析； 涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室以及喷管的气动-热-结构耦合分析； 磁悬浮轴承、启动发电机电磁-热-结构耦合分析； 3.航空发动机结构力学计算需求及ANSYS实现 计算结构力学分析是航空发动机领域最重要、也是最早并且获得了最广泛应用的CAE方向。航空燃气涡轮发动机对性能、安全性、可靠性、耐久性、适用性的要求非常高，其重点就是体现在对结构强度、振动和寿命的设计要求上。