基于CAD软件二次开发的飞机液压管路设计仿真

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1 前言
　　工作环境下，飞机液压管路受管内流体的流量脉动和压力变化等因素影响，易发生振动。故在管路的设计过程中，需要预测管路结构在工作环境下的动态响应。作为一款在航天航空工业应用广泛的主流软件，CATIA提供了强有力的管路设计模块，但对于复杂的工程分析，尚需借助于专业的CAE软件。虽然部分商业CAE软件已经提供了针对CATIA等CAD软件的接口，但在实际分析时，往往需要对CAD模型进行合理的修正和简化，以得到可供分析的CAE模型。同时对管路模型而言，管路的空间布局难以实现参数化，这意味着每次对管路的调整，CAE模型都需要改变。为了解决对CAE模型繁复的建立和修改问题，需要为CAD和CAE模型的转换提供一个自动化的工具。目前已有很多针对CATIA二次开发的研究，但都只局限于CAD建模过程。卞刚等基于CAA二次开发技术，开发飞机燃油管路系统设计仿真软件。陈明等将自主开发的应力分析软件集成到CATIA软件中。但所用的求解器都是针对特定问题而开发的软件，不具更普遍的意义。
　　本文研究了一种实现对液压管路动态响应自动仿真分析的方法。基于VB6.0，通过对CATIA和ANSYS二次开发，将读取CATIA模型数据、参数化建立有限元模型以及流固耦合状态下的模态和瞬态分析等功能封装于统一的软件界面下。应用表明，该软件可很好地辅助设计人员校核管路结构的强度，方便其调整结构设计参数，提高设计效率。
　　2 软件设计架构和技术概要
　　软件分析对象为特定的液压管路，由软管、硬管、管接头、卡箍和支座组成。图1所示为管路主要结构的CATIA图。分析内容主要为流固耦合状态下管路的模态和瞬态动力响应。
　　

　　图1 液压管路主要结构的CATIA图
　　图2所示为软件的主要架构，用户只需完成对模型参数的修改和求解参数的设置，即可在操作界面上查看模型和结果。繁琐的数据提取和有限元建模工作，以及之后的求解分析均在后台自动完成。
　　

　　图2 软件的主要架构
　　在自动提取建模关键数据时，涉及对CATIA的二次开发。本文基于Visual Basic 6.0，应用自动化对象编程技术(CATIA V5 AUTOMATION)，实现这一目的。同时，在ANSYS中的建模均使用ANSYS参数化设计语言(APDL)完成，以实现有限元模型建立的自动化。
　　3 主要实现方法
　　3.1 液压管路数据的提取
　　当查询具体零件的参数时，需要利用CATIA的文档结构，见图3。从结构树上可清楚地看出各个对象之间的关系，例如，Part是零件文档最上层的对象，Bodies是其下所有实体对象的集合，通过Bodies可以进一步获得Body对象。Body对象作为某一特定的实体对象，包含了操纵零件文档所需的重要属性、方法和对象。参照文档结构图，可以从最上层的CATIA对象，逐层查找到下层各个零部件的特征参数。
　　在模型信息中，管路轴线是后续有限元建模的基础。软管和硬管的生成，卡箍和管接头的定位都需要利用管路轴线。
　　在CATIA建模时，软管是通过设置其起、末点位置以及松弛度，自动布置一条样条线为轴线。提取数据时，通过编写函数，寻找到软管对象的轴线，将该轴线等分成九段，提取线上十个点的坐标。在ANSYS里可由这十个点来近似拟合原软管的轴线。
　　硬管通过建立一系列点确定走向，为形成平滑的管路，生成的轴线由直线段和弧线段交替连接而成。可以只提取各直线段的起点和末点坐标，在ANSYS中建模时，首先生成各直线段，然后存相邻直线段之间建立与它们相切的弧线，这样就可以完整拟合出原硬管的轴线。
　　

　　图3 CATIA的文档结构图
　　卡箍和管接头作为标准件，分别取固定的简化方式建立其有限元模型，故仅提取用于定位的信息。
　　所有提取的数据以规定的格式分别保存到对应的文本文档中，以便ANSYS调用。
　　3.2 在ANSYS中对液压管路的参数化建模
　　在生成建模所需的数据文件后，通过编写ANSYS宏文件，读取指定的数据，可分别建立简化后的管路及其部件的几何模型。在此基础上划分网格，则生成相应的有限元模型。最后将所有有限元模型读入，建立部件之间的接触关系，施加约束，则生成可供分析的模型。各部分的有限元模型见图4和图5。
　　

　　图4 液压管和流体的有限元局部模型
　　

　　图5 卡箍、管接头和支座的有限元局部模型
　　在建模对，各种材料参数、卡箍的位置和数目、管路的内径和外径等已设成参数，可供用户快速调整模型。
　　3.3 自动计算和结果查看
　　模态分析在ANSYS Mechanical中完成，故可以编写宏文件自动完成分析过程。考虑流固耦合的瞬态分析需要借助于ANSYS CFX，其计算流固耦合问题的流程图如图6所示。在实现这一过程的自动化时，可通过VB编程，将瞬态分析需要设定的参数，输出成.pre格式的批处理文件，软件平台在后台调用CFX的前处理器读取保存好的.pre文件，完成前处理设置，产生，def格式的求解文件，之后即可进入CFX求解器进行计算。结果均以预定的文件名，存于指定的文件夹。
　　




　　图6 流固耦合问题求解流程图
　　4 应用实例
　　以某液压管路作为分析对象，对现场试验的某一工况作仿真分析，其简化模型可参考图7。试验所用液压泵为九柱塞泵，该工况下，泵的转速为n=4225r/min，流量为Q=57.5L/min，管内流体压力为23MPa，压力脉动峰值约为1.3MPa，脉动频率可根据泵的结构和转速，用下列公式计算：
　　

　　式中：n——泵的转速，r/min;
　　Z——泵室压力循环数，对于叶片泵为叶片数，对于往复式泵为柱塞数
　　将n=4225r/min、Z=9代入公式(1)得：
　　

　　故仿真时，设置流体压力为[22.5+1.3sin(3980t)]MPa，流速为8.478m/s，对该管路作瞬态分析，校核管路的动态响应。
　　软件操作流程如下：
　　(1)进入软件界面，设置工作目录，读取CATIA模型，并提取参数;
　　(2)设置ANSYS软件的安装目录，启动ANSYS。如需更改默认参数，则先对参数调整，之后生成简化模型;
　　(3)选择瞬态分析，设置求解条件，按提示步骤完成求解过程;
　　(4)查看结果。
　　图7所示为某一时间点的管路应力云图，其中最大应力出现在第一段硬管上的卡箍螺栓处，约为232MPa，说明结果是合理的。图8为截取的管路上最大应力点的瞬态应力曲线图，从图上可以看出曲线变化频率约为630Hz，与作为激励的压力脉动频率吻合。
　　

　　图7 软件界面下显示的液压管路的应力云图
　　

　　图8 管路上最大应力点的瞬态应力曲线
　　5 结论
　　通过对CATIA和ANSYS的二次开发，结合VB编程，开发了针对飞机液压管路动态响应进行仿真分析的软件。软件集成了自动建立管路有限元模型、参数化调整模型以及自动分析和查看结果的功能，并提供了友好的用户界面。在分析时，考虑了流固耦合的作用，较真实地模拟了工作情况。软件可在一定程度上提高设计人员的设计效率，为其预测管路的动态响应提供参考。由于CATIA和ANSYS均为主流的工程软件，本文的方法在它们之间的模型转换上具有一定的通用性，故可应用于更广泛的设计和分析领域。 web3D纳金网www.narkii.com