CAE技术在航空发动机设计中的应用探索

众所周知，由于CAE技术在现代产品设计中能起到提高质量、缩短周期、节省成本等重大效益，它在工程界的地位越来越重要。而从CAE应用的深度、广度和应用历史等各个方面来看，几乎找不到能比航空发动机更具代表性的行业。由于极恶劣的工作环境、极高的可靠性和性能要求，航空发动机产品的任何零部件设计几乎都无一例外离不开各种高级CAE技术的参与。ANSYS系列软件在航空发动机行业具有独特的地位和悠久的应用历史，在当今CAE行业中，还没有任何公司能提供比ANSYS更完善的航空发动机CAE解决方案，其特色主要体现在如下两个方面：

1.功能的全面性和先进性

CAE技术在航空发动机领域的应用首先是从计算结构力学分析（结构有限元分析FEA）开始的，以解决零部件的强度、刚度、振动、寿命、以及优化设计等问题；随后，计算传热学和计算流体力学（CFD）开始获得大规模应用并发展非常迅速；而现代磁悬浮多/全电发动机技术的蓬勃发展则使得原本极少用到计算电磁学（CEM）技术在航空发动机设计中也逐步开始显得重要起来。ANSYS为所有这些分析领域都提供了最好的技术支持。

在计算结构力学方面，ANSYS以Mechanical、LS-DYNA、Fe-Safe、Motion、AutoDyn、DesignSpace等为主的产品体系，除完全涵盖航空发动机结构分析的几乎全部所需外，还有如下针对性技术优势：

接触非线性分析能力在算法、易用性、适应性上都优于其它系统；

独特的隐式/显式耦合计算功能对诸如鸟撞等冲击碰撞问题提供了最高的求解精度；

独特的优化设计功能（与CAD协同、变分技术）以及6σ可靠性和稳健性设计技术；

独特的基于真实实体结构的转子动力学分析功能和挤压油模阻尼单元；

简便易用的高级循环对称分析功能，以及全自动复杂结构六面体网格技术；等等。

在计算流体力学方面，ANSYS以CFX（TASCflow）、BladeGen、TurboGrid、ICEM CFD等为主的产品体系，占据了全球叶轮机械CFD分析市场份额的90％以上，其技术优势主要体现在：

集专用的叶轮机械设计工具、网格处理工具和高级解算功能于一体；

独特地采用了基于有限元的有限体积法，最佳地兼顾了计算效率和计算精度；

独特地采用了最先进的全隐式耦合求解技术，收敛速度比其它CFD软件快几乎一个数量级；

独特的SST湍流模型与自动壁面函数功能相结合，对网格的质量要求降到最低；

最佳的并行性能，可在所有网络结构（包括混合网络）里达到近似线性的加速比；等等。

在计算电磁学学方面，ANSYS以EMAG、FEKO、SimLab等模块为主，同样全面涵盖航空发动机设计中的电磁计算需求，其主要研究能力包括：

l 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；

l 电气化传动附件电磁特性及EMC/EMI/SI计算；等等。分页

2.多场耦合分析和协同仿真

如前所述，航空发动机CAE信息化软件涉及了非常广泛的结构力学、流体力学、温度场、电磁场等领域，对于许多关键零部件的设计而言，往往都会涉及到这些问题的综合作用，亦即需进行耦合场分析，诸如：

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；等等。

ANSYS就是专门用于解决这些多物理场耦合问题的最佳工具，其主要特色包括：

各物理场的模型和网格相互独立，场间网格可以完全不同，场间通过载荷向量来体现耦合；

各场的分析类型、求解器、求解选项、结果文件可以完全不一样，保持足够灵活性；

自动进行双向耦合迭代求解，多数问题还可以在矩阵级别进行直接的耦合求解；等等。

同时，ANSYS以新一代协同仿真架构Workbench为核心，将所有核心解算功能和模型处理功能融入该体系结构下，实现了真正的协同仿真能力，主要体现在：

CAD设计协同：直接读入各种CAD软件的零部件模型并自动装配；与CAD双向参数互动；

CAE分析协同：在统一环境下建立适合于各种CAE分析的高级网格模型并直接生成各种仿真程序所需的文件格式；能直接接受各种仿真软件生成的网格；独特的针对各种FEA/CFD等计算网格的参数化（类似于CAD）调整能力；

CAE耦合机制：除ANSYS所有CAE产品外，尚可在各种其它FEA/CFD等程序之间进行求解结果的相互传递，解决耦合分析瓶颈；

完全统一的CAE环境：所有CAE工作（FEA/CFD/CEM）的所有过程（前后处理/求解/结果分析）都能在统 一的Workbench环境下完成，便于部门间的数据沟通和共享、软件使用技术的交流；

将CAE技术融入产品研发流程：在Workbench下构建的DesignSpace系列产品是ANSYS专门面向设计人员提供的设计前期CAE分析校核工具箱，让CAD设计人员可轻松地直接参与CAE仿真工作；同时，Workbench本身是一个前所未有的开放性CAE开发平台，用户可非常方便地定制具有自主知识产权的专用CAE程序，让复杂的CAE分析在简单的几个鼠标点取操作下即可完成；等等。

综上所述，对于航空发动机设计而言，ANSYS的CAE解决方案具有其它任何CAE软件所不具备的功能完整性、工作协同性、以及流程顺畅性，这也是为什么包括普惠、罗罗等在内的几乎所有国际知名航空发动机研制单位都广泛使用ANSYS作为最主流的分析平台、甚至是唯一的分析平台的原因。同时，我们也真诚期望ANSYS能为中国航空发动机事业的振兴和繁荣贡献绵薄之力。

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