王振宇 周俊松

（北京航空航天大學能源與動力工程學院，北京 100191）

渦輪盤是航空發(fā)動機重要部件之一，其設計繁瑣，常常在惡劣的條件下工作。傳統(tǒng)設計方法是先確定渦輪盤形狀，并施加完整的載荷和邊界條件后進行有限元分析，若不滿足應力/約束條件，則返回修改三維模型，若滿足就進行結構優(yōu)化 。修改的對象主要是修改外形尺寸以滿足應力/約束條件，這樣使得設計周期長，效率低下。

本文利用UG二次開發(fā)完成渦輪盤自定義特征的參數(shù)化建模，快速生成渦輪盤，提高UG的設計效率。采用ANSYS的參數(shù)化設計語言APDL編寫渦輪盤二維結構的強度校核和優(yōu)化模塊。以UG平臺上的渦輪盤的作為初始模型，利用VC++編寫接口函數(shù)和計算機程序，完成對ANSYS程序的自動調用，最終完成渦輪盤的結構的初始設計。本系統(tǒng)自動化程度高、可移植性強，設計人員可根據(jù)自身需要擴展功能，大大提高了渦輪盤的設計效率。

1 基于UG的渦輪盤模型構建

UG的建模方法很多，并且可以通過修改在建模的過程中自動生成的變量，但是該方法的缺點是操作復雜，易出錯。UG/OPEN API是UG與外部應用程序之間的接口，是UG/OPEN提供一系列函數(shù)的集合。用戶可以通過編程語言來調用這些函數(shù)和過程，幾乎可以實現(xiàn)UG建模過程中所有功能。

本文選取VC++2010和UG NX8.0軟件，進行UG的二次開發(fā)的程序編寫。結合UG8.0和VC++2010進行實現(xiàn)參數(shù)化建模UG/Open中的MenuScript專用模塊是用來定制菜單，它允許用戶使用腳本文件自定義菜單。本文自定義菜單，如圖1所示。

圖1 UG中自定義的菜單

基于特征的參數(shù)化建模的核心思想是以參數(shù)來約束特征，將產品模型分解成一個個特征，在建模過程中對特征的描述是關鍵，本文將渦輪盤的特征分為主特征和輔特征。

1.1 主特征的生成

主特征是用來構造零件的基本幾何形體的。本文研究的主特征構成渦輪盤的盤體，主要包括盤體的盤轂、盤緣、輻板部分，其設計界面如圖2所示。

設計人員可以根據(jù)實際設計任務選擇對稱和不對稱兩種結構的渦輪盤，輸入初步設計參數(shù)后點擊“確定按鈕”，就能在UG中生成渦輪盤的盤體。

圖2 渦輪盤盤體生成界面

圖3 安裝邊生成界面

1.2 輔特征的生成

圖4 校核優(yōu)化流程

輔特征依附于主特征之上，對主特征功能進行細化和完善。渦輪盤結構中常見的輔特征主要包括安裝邊、封嚴篦齒和榫槽等。

本文以安裝邊為例，說明輔特征的設計過程。系統(tǒng)提供了安裝邊的四種拓撲結構，設計人員根據(jù)需要選擇安裝邊的拓撲結構和安裝邊的左右方位后，在安裝邊參數(shù)輸入框錄入?yún)?shù)，生成所需安裝邊。其設計界面如圖3所示。

2 模型的校核和優(yōu)化模塊

ANSYS參數(shù)化設計編程（APDL）是一種通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的語言，為用戶提供了自動完成有限元分析過程的功能和途徑。本章通過編寫APDL代碼，以初步設計后的參數(shù)為模塊的入口參數(shù)，完成對渦輪葉盤的校核和優(yōu)化，其流程如圖4所示。

2.1 入口參數(shù)和設計準則選取

本文入口參數(shù)包括渦輪盤的材料特征和形狀特征。材料特征是材料的固有屬性，可根據(jù)不同材料建立材料屬性數(shù)據(jù)庫，本文主要對形狀特征展開研究。

本文根據(jù)渦輪盤設計流程，以渦輪盤強度的設計準則為限定條件，校核強度和優(yōu)化結構。主要考慮因素包括：足夠應力儲備、防止輪盤破裂和防止有害變形。對于渦輪盤壽命的要求，利用Manson-Coffin方程將循環(huán)次數(shù)轉化為應變約束，并根據(jù)渦輪盤不同區(qū)域提出不同約束要求。

2.2 校核模塊的APDL編寫

利用APDL語言進行渦輪盤結構的參數(shù)化建模，模型參數(shù)選取上一章中UG模型的形狀參數(shù)。網格劃分選用四節(jié)點四邊形板單元PLANE42進行離散，通過控制單元行為方式的選項設置其為軸對稱單元。將渦輪盤在工作過程中承受的載荷，主要包括高速旋轉過程中質量產生離心力，葉片的等效離心力，以及渦輪盤因溫度不均勻所產生的熱應力加入APDL模塊中，并預留通用接口。

圖5 UG中有限元分析的菜單

圖6 盤體修正界面

圖7 優(yōu)化前后盤體結構和等效應變對比

圖8 帶安裝邊的渦輪盤結構圖

在APDL強度校核程序中設置有一個校核數(shù)組：“*dim，check，array，5”，對每一個校核指標進行校核，如果某項校核指標符合要求，則check[x]>0，否則check[x]<0。校核完畢后將校核數(shù)組的結果反饋到VC++編寫的主程序中進行分析，作為盤體參數(shù)修正的依據(jù)。

2.3 優(yōu)化模塊的APDL編寫

選取重量作為渦輪盤形狀優(yōu)化的目標函數(shù)，使渦輪盤在滿足強度約束的條件下重量達到最輕。渦輪盤受到的限制因素很多，很多尺寸基本上不能改變，本文在優(yōu)化中主要改變輻板的尺寸、輪緣內直徑、輪緣厚度、輪轂外直徑和厚度。

3 渦輪盤的強度校核及優(yōu)化

本系統(tǒng)在VC平臺上對ANSYS參數(shù)化設計編程（APDL）進行封裝，將UG中渦輪盤形狀特征的初始參數(shù)導入APDL代碼中，完成對ANSYS的自動調用。UG中的操作界面如圖5所示。

3.1 渦輪盤的校核及參數(shù)修正

點擊菜單中渦輪盤強度校核，如果符合要求，則進入優(yōu)化環(huán)節(jié)，否則對性能校核的結果進行分析，分析不滿足要求的原因，并修改特征參數(shù)后再次進行性能校核直到滿足要求。

以屈服強度條件為例，如果屈服強度不滿足要求，則選擇“盤體修正”，彈出界面如圖6所示。

選中輪轂寬度厚度，分別輸入“-1”和“1”，“-1”表示輪轂寬度減小1mm，“1”表示輪轂厚度增加1mm。

IF 輪轂處最大周向應力σrmax大于設計要求。

THEN 減小輪轂厚度H1（1mm）。

and增大輪轂寬度W1（1mm）。

將修改后參數(shù)再次代入校核程序中進行迭代計算，直到滿足強度要求為止。

3.2 渦輪盤的優(yōu)化模塊

如果校核判定后符合要求，以渦輪盤體積（體積和質量成正比）為目標函數(shù)，以渦輪盤強度設計準則為約束條件進行優(yōu)化，圖7為優(yōu)化前后輪盤結構及應變對比圖。

優(yōu)化后盤的重量（體積）比初始值減少了21.8%，優(yōu)化效果明顯，雖然等效應變略有增加，但是在設計要求之內。整個優(yōu)化過程自動完成后，模型中的渦輪盤由上述更新程序自動更新為最優(yōu)方案。

4 生成渦輪盤

根據(jù)前面的設計過程，將優(yōu)化后的結果重新導入UG設計界面，生成帶安裝邊渦輪盤，如圖8所示。

結語

根據(jù)渦輪盤的結構特點，通過UG的二次開發(fā)、VC++編寫算法和ANSYS的APDL命令，并集成渦輪盤的設計知識，開發(fā)了一套面向用戶渦輪盤設計系統(tǒng)。系統(tǒng)操作簡單、擴展性強，提高了渦輪盤設計人員的工作效率，縮短了渦輪盤的設計周期，具有一定的工程價值。

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