基于CATIACAD的飛機(jī)燃油系統(tǒng)管路設(shè)計仿真

1、基于CATIACA必飛機(jī)燃油系統(tǒng)管路設(shè)計仿真基于CATIACAD勺飛機(jī)燃油系統(tǒng)管路設(shè)計仿真引言管路設(shè)計中往往要進(jìn)行各種工程分析，如流動和傳熱等，而CAD軟件一般僅提供建模功能或簡單的分析功能，復(fù)雜的工程分析常需在CAE軟件中進(jìn)行.由于空間布局變動、零部件更新?lián)Q代等原因，造成管路模型反復(fù)修改，需要在CAD軟件與CAE軟件之間多次傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行建模與性能迭代分析，設(shè)計效率極大降低.利用CAD軟件的二次開發(fā)功能，開發(fā)出滿足特殊需求的輔助設(shè)計或輔助工程模塊，是目前解決CAD軟件通用性與工程專用性不能兼顧這一矛盾的常用手段，也是現(xiàn)代CAD系統(tǒng)提供二次開發(fā)功能的主要原因之一.為了解決CAD軟件通用管路設(shè)計功

2、能難于對復(fù)雜的汽輪機(jī)套裝油管路進(jìn)行設(shè)計的問題，周凱等1在UG下開發(fā)出專用的套裝油管路設(shè)計系統(tǒng).為了解決自主版權(quán)的應(yīng)力分析軟件應(yīng)用繁瑣、耗時耗力的問題，將其集成到CATIAV5中,實現(xiàn)CAD/CAE的集成應(yīng)用.其他利用二次開發(fā)技術(shù)對CAD軟件進(jìn)行的應(yīng)用擴(kuò)展還包括標(biāo)準(zhǔn)件庫的開發(fā)、虛擬裝配技術(shù)的研究應(yīng)用4等，這些工作都使設(shè)計人員工作量大大減少，產(chǎn)品研發(fā)周期縮短，具有較大的工程實用價值。達(dá)索提供的二次開發(fā)工具CAA及CATIAV5基于組件的開放式體系結(jié)構(gòu)為在CATIAV5中集成外部模塊提供可能.5本文針對飛機(jī)燃油系統(tǒng)常用的管路建模工具CATIAV5進(jìn)行研究，通過CAA在CATIAV5TubingDes

3、ign工作臺下嵌入管路流動分析模塊，將流體系統(tǒng)仿真軟件FOCUSS-FS6的核心計算部分集成至UCATIA中，實現(xiàn)CAD/CAE的集成應(yīng)用.該分析模塊能夠?qū)ATIA平臺下的燃油系統(tǒng)管路模型進(jìn)行流動性能仿真，為燃油系統(tǒng)管路設(shè)計提供快捷的在線流動性能分析功能，可縮減工作量與設(shè)計周期，極大提高效率。1、需求分析與軟件架構(gòu)1.1 需求分析軟件目標(biāo)是根據(jù)管網(wǎng)元件幾何與特性計算出管路的流動性能,因此在CATIA中進(jìn)行管流仿真分析需要3類基本信息：(1)導(dǎo)管和零件的幾何屬性，如導(dǎo)管長度、外徑、壁厚、粗糙度、彎角、轉(zhuǎn)彎半徑、各種接頭幾何尺寸等；(2)管路的拓?fù)鋵傩?，如分支信息、連接、連接器7及其前后零件等；

4、(3)管路中可稱之為技術(shù)參數(shù)的屬性，如考慮流動時的邊界條件、元件特性、流體介質(zhì)等.在CATIA平臺下獲取上述信息后，即可在FOCUSS-FS軟件內(nèi)核中進(jìn)行計算模型建模和流動分析.1.2 軟件架構(gòu)軟件架構(gòu)采用3層模型結(jié)構(gòu)，見圖1.真實模型層直接面向用戶,即用戶在各種CAD軟件中建立的具體管路模型，流動分析僅需其中部分信息，這部分信息將構(gòu)成仿真模型層數(shù)據(jù)基礎(chǔ).仿真模型層為面向流動性能數(shù)值仿真的管路仿真幾何模型層，僅包含管流數(shù)值仿真所需數(shù)據(jù)，不屬于某個特定的CAD平臺.最底層則為計算分析時建立的管路計算模型層，它由基本計算單元節(jié)點(diǎn)和分支組成，面向計算程序.這種3層結(jié)構(gòu)既可保證各模塊的獨(dú)立性和通用性，

5、又能提高軟件的可擴(kuò)展性.基于3層模型架構(gòu)，將軟件分為4個模塊，見圖2.(1)用戶界面模塊:用戶與程序之間的交互接口，實現(xiàn)信息輸入輸出.(2)模型信息獲取模塊：與用戶界面模塊一樣，都位于真實模型層，并從中提取仿真建模所需信息.(3)管路流動計算模塊：采用FOCUSS-FS軟件核心模塊，實現(xiàn)管路計算模型建模與分析.(4)數(shù)據(jù)交換接口：負(fù)責(zé)仿真模型建模，實現(xiàn)CATIA體系和計算體系中管路模型的數(shù)據(jù)傳輸.2、關(guān)鍵技術(shù)研究軟件的4個模塊涉及以下4個關(guān)鍵技術(shù)問題：元件幾何信息獲取、管路拓?fù)湫畔@取、計算模型建模和分析以及軟件架構(gòu)中不同層次模型的映射等，這也是軟件開發(fā)的難點(diǎn).2.1 仿真模型所需幾何信息的獲

6、取獲取幾何信息的目的是根據(jù)文獻(xiàn)8對元件進(jìn)行流阻計算，此處將管路中的所有導(dǎo)管及零部件統(tǒng)稱為元件.從是否需要獲取幾何結(jié)構(gòu)信息的角度，元件共分兩類：一類需要結(jié)構(gòu)尺寸信息，另一類僅需拓?fù)潢P(guān)系信息.第1類包含導(dǎo)管和各種簡單接頭類.導(dǎo)管分為直管與彎管，所需幾何屬性有區(qū)別，見表I.Run對象表示管路鋪設(shè)路徑，其部分屬性代表相應(yīng)導(dǎo)管屬性，如路徑信息和內(nèi)、外徑等.Run對象的折點(diǎn)坐標(biāo)、彎徑和彎角由CAA中接口CATIArrNode獲取,而內(nèi)、外徑則可由CATIRouRoundSection接口獲取.簡單接頭類指直接頭、彎頭和三通等，直接獲取其幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行流動性能計算.圖3為三通接頭，接口CATISpecAttr

7、Access可獲取其公稱直徑等屬性，根據(jù)公稱直徑可查詢出其內(nèi)徑等；接口CATIPspPartConnector可獲取其端部連接器的幾何信息，如坐標(biāo)、朝向、定位面，由連接器的坐標(biāo)和方向可計算出各支管長度、支管間夾角和分支交點(diǎn)等.表2中各種零件所需幾何信息亦采用類似方法獲取.表2主要管路零件所需幾何信息零件類型幾何結(jié)構(gòu)尺寸工藝屬性直接頭類長度、兩端點(diǎn)、內(nèi)徑（出、入口內(nèi)徑，突變尺寸,偏心距等*）弧形彎頭彎徑、彎角、兩端點(diǎn)、內(nèi)徑、延長段長度直角彎頭兩端長度、兩段內(nèi)徑、兩端點(diǎn)、交點(diǎn)三通3支管長度、內(nèi)徑,3支管相鄰?qiáng)A角，3個端點(diǎn)及中心交點(diǎn)四通4支管長度、內(nèi)徑,4支管相鄰?qiáng)A角,4個端點(diǎn)及中心交點(diǎn)成品件、緊固

8、件等連接點(diǎn)信息粗糙度注：*指大小頭，包含突變、偏心等類型接頭額外所需信息第2類指各種泵、閥等成品附件和螺母、襯管、卡箍等緊固件、支撐件等.前者具有完備的特性數(shù)據(jù)，直接由供應(yīng)商取用，后者一般不與流體直接接觸，不考慮其對流動的影響，因此這兩類元件僅獲取其拓?fù)潢P(guān)系信息.2.2 CATIA管路模型拓?fù)湫畔@取管路拓?fù)潢P(guān)系指管路中各元件的連接信息，即元件是否與其他元件相連，與哪些元件相連以及在何處相連等信息.圖4給出一簡單管網(wǎng)示意圖，由7個元件組成.圖4中c2指三端口元件類，如三通等；圖4簡單管網(wǎng)示意圖c5指四端口元件類，如四通；其他指兩端口元件類，如導(dǎo)管、直接頭、彎頭等.元件與元件之間通過連接器連接，

9、如圖4中圓圈.連接器是CATIA中在零件上創(chuàng)建的特征之一，專用于與其他零件進(jìn)行連接，不僅包含第2.1節(jié)中所述的位置信息，還包含是否與其他零件相連等拓?fù)湫畔?管路中元件一般在端口處創(chuàng)建連接器，如c2即通過3個端口連接器分別與c1,c3,c4相應(yīng)連接器相連.接口CATIPspConnectable可以查詢與某元件直接相連的其他元件以及通過哪些連接器相連接.接口CATIPspConnector可查詢某連接器是否已連接，包含該連接器的所有連接以及與該連接器直接相連的元件.通過這兩個接口即可對圖4中管網(wǎng)進(jìn)行拓?fù)湫畔⒉樵?，如可查出元件c3與c2,c5相連及對接位置，還可查出cl左端連接器未連接（即cl為一

10、邊界元件）等.對管網(wǎng)逐個元件進(jìn)行查詢,即可得到整個管網(wǎng)的拓?fù)湫畔?2.3 管流計算模型建模及計算方法FOCUSS-FS的計算內(nèi)核處理為由節(jié)點(diǎn)和分支組成的通用流體網(wǎng)絡(luò).具有1個進(jìn)口和1個出口的單向輸運(yùn)元件即為分支.分支流動的特點(diǎn)是在元件中質(zhì)量流量不變，即進(jìn)、出口質(zhì)量流量相同.分支的端點(diǎn)即為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)分為邊界節(jié)點(diǎn)和內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，計算的邊界條件即在邊界節(jié)點(diǎn)中設(shè)定.FOCUSS-FS的計算原理是在節(jié)點(diǎn)中建立質(zhì)量守恒方程，在分支中建立動量守恒方程，由此建立起1套計算方程AX=B,并采用Newton_Raphson6方法，通過迭代就能計算出各個節(jié)點(diǎn)中的壓力和分支中的流量、流速等參數(shù)，也即可得到各個元件中的流動

11、狀態(tài).2.43層模型間的映射關(guān)系管路真實模型中包含多種元件類型，管路仿真模型中包含管流計算仿真建模所必需的元件及幾何信息，而計算模型中管路僅由節(jié)點(diǎn)和具有幾何信息的分支組成.要保證仿真模型和計算模型的正確建模，必須在3層模型間建立相應(yīng)的映射規(guī)律.真實模型元件到計算模型分支之間的變換共分3種情況：第1種情況是真實模型元件與計算模型分支一一對應(yīng)，如直導(dǎo)管、直接頭、彎頭、肘管等元件，計算模型中皆有對應(yīng)的1個分支.這種情況下仿真模型元件也只需1個元件與其對應(yīng).第2種情況是真實模型1個元件在計算模型中由多個分支串聯(lián)與之對應(yīng)，如彎管.不同于CATIA中的彎管可能有多個直段與彎段，計算模型中的分支或為直段或為

12、彎段，因此CATIA中的彎管需要進(jìn)行分解.分解方法是在拐彎處截出彎管段，其余部分為直管段并在截斷處建立節(jié)點(diǎn)，見圖5.其中，彎徑大于0的情況下截出的彎管一般為弧形彎管，彎徑為0情況下截出的彎管一般為尖角彎管.CATIA中彎管分解后建立的仿真模型元件與計算模型中的分支對應(yīng).第3種情況是真實模型中1個元件在計算模型中由具有支路的多個分支與之對應(yīng)，如三通、四通等元件.這類元件在仿真模型中有相應(yīng)元件，但由仿真模型元件創(chuàng)建計算模型分支時，需在元件分支點(diǎn)處將元件分解，將其各個支管分別創(chuàng)建為單獨(dú)分支，并在原分支點(diǎn)處創(chuàng)建節(jié)點(diǎn).圖6中三通即按此方法實現(xiàn)由真實模型到計算模型的轉(zhuǎn)換。3、軟件與操作流程軟件既可以對單根

13、導(dǎo)管進(jìn)行流動分析，也可對一般的管路或管網(wǎng)進(jìn)行流動分析.常見分析情況是給定管路的邊界條件，如各出、入口的壓力或流量等，求管路中各節(jié)點(diǎn)壓力分布、流速、各元件流量、損失系數(shù)、雷諾數(shù)等.軟件操作流程簡單快捷，可真正實現(xiàn)建模時的在線分析，主要流程如下：(1)在TubingDesign中打開管路模型，點(diǎn)擊菜單條或工具欄按鈕，彈出主交互對話框，見圖7.(2)點(diǎn)擊選擇管件”按鈕框選要分析的管路圖7管流分析主交互界面(或管網(wǎng))，程序自動獲取各元件屬性和連接關(guān)系，并建立管路仿真模型，同時在CATIA模型中標(biāo)志節(jié)點(diǎn)名稱，將元件和節(jié)點(diǎn)信息顯示在對話框中.(3)在對話框中設(shè)置邊界條件，即設(shè)置邊界節(jié)點(diǎn)的壓力或者流量,并設(shè)

14、置流體介質(zhì)參數(shù).(4)點(diǎn)擊分析”按鈕，軟件自動進(jìn)行計算模型建模，并計算出元件和節(jié)點(diǎn)的流動參數(shù)，同時將部分參數(shù)結(jié)果通過對話框反饋給用戶，亦可以用文件保存數(shù)據(jù).4、應(yīng)用實例圖8待分析管路以航空燃油為流體介質(zhì)，對一簡單管網(wǎng)進(jìn)行等溫穩(wěn)態(tài)流動分析.圖8為一由接頭和導(dǎo)管組成共有18個元件的簡單管網(wǎng)，其中包含1個回路和4個端口.選取管網(wǎng)后，自動建立管路仿真模型，在CATIA模型中標(biāo)志仿真模型的節(jié)點(diǎn)名稱與位置（以“*標(biāo)注，見圖9）,并將元件和節(jié)點(diǎn)信息顯示在對話框中（圖7）.圖9中NI指內(nèi)部節(jié)點(diǎn),NB指邊界節(jié)點(diǎn)，仿真模型建模完成后包含30個元件和34個節(jié)點(diǎn).設(shè)定流體介質(zhì)參數(shù)，環(huán)境溫度293.15K,運(yùn)動黏度1.25X0-6m2/s,密度775kg/m3,等溫分析導(dǎo)熱系數(shù)不作要求.在4個邊界節(jié)點(diǎn)上設(shè)定邊界條件，在節(jié)點(diǎn)NB_20和NB_21處設(shè)壓力，在節(jié)點(diǎn)NB_33和NB_34處設(shè)流量，其中負(fù)號指流入系統(tǒng)，正號指流出系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)溫度不考慮（見表3）.分析后即得到各元件、節(jié)點(diǎn)待求參數(shù)，部分參數(shù)在主對話框中顯示（見圖7）,其中內(nèi)部節(jié)點(diǎn)壓力見表4.5、結(jié)束語利用CAA工具在CATIAV5TubingDesign工作臺下進(jìn)行擴(kuò)展開發(fā)，集成管路流動性能分析模塊.測試表明能夠?qū)υ诖斯ぷ髋_下建立的管路進(jìn)行流