发动机大型复杂组合结构的静动态设计CAD系统的应用苏铁熊，杨世文，崔志琴，李小雷，张保成（华北工学院机械电子工程系，太原030051）发动机复杂组合结构静、动态设计系统，可以解决发动机设计中的决策和可靠性问题。应用该系统可提高工程设计质量，并缩短研制过程。

　　FiniteElementAnalysis；Engine：总体设计；结构可靠性；动态设计；CAD；有限元分析；发动机：TK402；文猷：A 1概述自七十年代■以来，美国、英国、日本等发达国家在发动机工业中广泛使用CAD技术，我国从八十年代开始进行发动机CAD软件开发及应用的研究工作。“八五”和“九五”期间，由兵器第七零研究所牵头，开展了“军用发①动机CAD应用研究”项目的研制工作。

　　的计算机辅助设ㄨ计工作，尤其是针对组合结构的静态和动态刚、强度问题，较全面地探索了简化原则、模型规模、单元类型、边界条件、加载措施、后处理以及相应的。

　　软件各子系统关系CAD系统功能和♂应用本系统的功能由5个子系统、15个模块实现。

　　3.1系统总控程序及人机界面子系统0结构化设计语言设计统一的总控程序和总控界面。程序的各子系统及各功能模块由◎统一的总控程序进行控制。调用过程采⊙用屏幕菜单选取或工具栏图标点击的方式进行选择。为方便使用，每一菜单项和工具栏图标都设计有在线提示和动态导引提示。

　　在参数输人过程〗中，对难于用简洁语言描述清楚的数据项，一律以辅助示意图的方式为使用提供帮助。示意图根据当前参数项或命令项的不同，实时地进行相应地改变。

　　3.2运动学/动力学分析＠ 子系统。

　　0为集成开发工具，可用于对V型、直列116缸发动机进行曲柄连杆机构运动学分析、动力学分析、发动机〖内部载荷频谱分析。各分析计算结果在以数据文件形式存贮的基础上，以文本报告的形式展示文本列表，或以曲线图形形式直■观展示结果历程。文本报告和图形报告都提供打印支持，以供完成报告等书面资料。

　　3.3静态设计子系统0为二次开发平台，以VC++6.0和IDEAL语言ㄨ为接口编程语言，可对缸盖、缸垫、机体、缸套、曲轴、主轴瓦、螺栓及其组合结构进行实体模型建立和有限元︻模型建立。当以机体为主要研究对象时，根据计算允许的规模，其它构件可进行适当的简化，机体则基本保持真实结构，从而可〇计算给出机体上重要部位的应力和变形值为了使机体有限元分析能尽量实现自动化，程序采用自动划分单元的方法来构造有限元网格。同时，为了模拟缸→盖、曲轴、轴承盖和缸套等关联件对机体的接触效应及其对机体有限元计算▂精度的影响，在有限元模型中建立了这些关联件的相对简◤化的模型，并组合成为一个整机的有限元模型。

　　静态设计子系统主要内容包括：实体建模、有限元网格剖▲分、施加边界条件、求解、后处理、结果分析、结构修改、再分析。关键技术包括：实体模型的简化原则、单元类型的选取∏原则、有限元网←格粗细程度的确定原则、位移边界条件的处理方法、载荷边界条件的处理方法、求解结果正确与◥否的判断标准、多种ㄨ后处理结果相互关系的分析、结构改进意见的提出和依据等等。

　　示出缸盖、缸垫、缸套、曲轴、主轴承盖、机体、螺栓等组合结构的实体模型；示出其组合结构♀的有限元模型。

　　组合结构的有限元模型3.4动态设计子系统动态□　设计时，载荷随时间变化。由于载荷是一个时间历程，所以无论从方法上、规模上，还∮是从反映的问题上都和静态设计不同。对零部件和组合结构进行动态设计，是以︼动态试验为基础，将理论分析、计算技术和试◎验技术紧密结合，互相补充、相互验证，才能解决工程实际问题M.该子系统主要包括三个部分：计算模态分∮析、试验模态分析和动态结构优化设计。

　　计算模态分析，是运用有限元法进行结构的动态特性计算，获得结构的模态参数，并用对应的试验模态分◥析结果加以修正，以获得修正后的符合实际的有限元动力分析模◢型卐，为动态结构优化设计提供真实可靠的计算模型。

　　试验模态分析，是运用试验模态分析理论和技术对己有零部件和╳组合结构进行全面的测试分析，获得零部件和组合结构的动力特性，用以检验和修正有限元模█型。

　　动态结构优化设计，是通过计算、试验的』反复修正，得到反映实际特性的有限元模型后，考虑结构实际载荷，计算结构→的实际响应，按照结构动态特性要求进行结构动力修改，达到结构优化设计的目的。

　　关键技术包括：实体模型的简化、单元类型的选取、有限元网格粗细程度的确定、实验模型的处理、载荷边界条件的处理、求解结果正确与否的判断、灵敏度▽分析、结构改】进意见的提出等。

　　大型复杂结构的动态分析模型的↙建立及动态特性的计算，关键在于№确定合理的简化原则，控制动力学模型的规模以适应计算机硬件、软件等资源的限制。在获得了零部件的∑动态特性后，进行组合结构动态特性分析时，由于组合结构结合面之间非线性⊙材料的存在，如缸盖与机体之间的气缸垫，曲轴与机体之间的油膜等。如何分析▲这些结合面对组合结构的动态特性的影响，是获得反映组合结构㊣　实际动态特性的有限元模型的关键。在获得了组合结构动态特性的有限元模型的基础上进行结构优化设计，其动态优化模型的建立、动态设计↓规范的建立也是一个关键所在。

　　组合结构的某阶振型示出缸盖、缸垫、缸套、曲轴、主轴承盖、机体、螺栓等组合结构的某阶振型。

　　3.5其它子系统除了上述工程分析以外，本CAI）系统还开发了相应的辅助子系统或模块。图形处理模々块：该模块在图形处理系统的支持下进行静、动态设◣计的各种图形生成，主要包括：机体、缸盖、曲轴等的三维实体造∞型、有限元网格、应力、位移、振型及组合结构的有关图形；数据库模块：包括有限元分析和模态分析结果数据、组合结构有限元分析和模态☉分折的结果、与其它CAD系统的库接口，分析评估模块：根据对现有型号动力系统或新设计型号动力系统◥的分析结果，进行分析评估；技术文档编辑模△块：该模块进行※技术资料、文件的编辑和输出，主要包括计算表格、计算说明书、使用说明书、研究报告、4结论应⌒用该CAD系统可进行新型发动机的开发设计，以及现有发动机的改进和提高。应用该CAD系统成功地完成了WR703、ZZ8V、YS150、BF6V150和LQ150等型号发动机的开发和研制工作。

　　该系∩统的应用范围还包括发动机动态特性的分析和评估，发动∑　机的减振和降噪研究，原则上也可应用于舰船发动机和其它用途发动机的设计。