一种基于Abaqus二次开发的中介机匣快速建模方法与流程

一种基于abaqus二次开发的中介机匣快速建模方法
技术领域
1.本发明涉及航空发动机领域，特别涉及一种基于abaqus的中介机匣快速参数化建模方法。


背景技术：

2.在航空发动机中，中介机匣是发动机最重要的承力构件，相当于人体的骨架，直接影响着航空发动机的性能，需要具有高可靠性和长寿命。铸造钛合金中介机匣对现代航空发动机不可或缺，目前世界上只有少数国家掌握了中介机匣整体铸造技术。中介机匣位于航空发动机中部、风扇机匣和高压压气机之间，是发动机的连接和过度通道，在发动机与飞机吊装的心脏部位，是发动机最重要的承力结构。发动机的推力主要通过中介机匣、主推力安装节和辅助推力安装节传递到飞机上，其中，中介机匣承受着发动机的整体重量、振动、机动过载、四个自由度的复杂受力。因此，中介机匣需要与高压压气机、低压压气机、支点轴承座等部件紧密结合，研制要求很高。
3.中介机匣具有尺寸大、结构复杂、壁薄、面积大的结构特点，制造难度非同一般，传统的制造方法是将复杂结构分解为十几或几十个较为简单的结构件进行制造，再采用焊接或铆接等方式连接成整体结构。由此制造的中介机匣结构钢性较低，大量焊缝和铆钉增加了结构重量，制造过程质量控制难度大而且复杂，制造周期长。
4.中介机匣要求在减少机匣重量的条件下，保证机匣支板有足够的强度和刚度。在各种载荷作用下，机匣会产生变形，机匣的变形主要决定于承受的载荷及机匣本身的刚度。对于中介机匣的内、外机匣壁厚等推导，在快速建模阶段不考虑疲劳、寿命、包容性等因素，只需以刚度与强度为准则，其中以机匣的刚度准则为主要准则进行推导。
5.传统中介机匣相关几何参数确认，通常都先给定初始值建立起中介机匣的几何模型，接着利用软件对该几何模型进行有限元分析，对初始几何参数值进行修正，接着对修正后的模型再次进行有限元分析，不断重复直至满足设计的刚度、强度准则要求。该步骤方法太过繁杂，无法快速准确地确立关键参数，建立有效的中介机匣模型。


技术实现要素：

6.为了克服现有方法的技术与不足，解决中介机匣内、外壁厚等关键参数无法快速给出的实际问题，本发明提出了一种基于abaqus二次开发的中介机匣快速建模方法，摆脱对传统几何建模利用软件分析受力再不断修正模型的局限性，能快速对外机匣壁厚或其他承力部位进行数学模型的参数化建模。
7.本发明的技术方案如下：一种基于abaqus二次开发的中介机匣快速建模方法，包括以下步骤：步骤1，分析中介机匣几何结构，确定其特征参数；步骤2，明确中介机匣载荷工况，选择机匣各部件刚度设计准则及强度设计准则；步骤3，基于刚度准则和强度准则的外机匣壁厚数学模型构建；
步骤3-1，计算外机匣拉伸刚度下的轴向变形量以及弯曲刚度下的最大挠度，分别以两种变形量为设计基准，考虑安全系数等因素求解修正系数，获得刚度准则下的外机匣壁厚数学模型；步骤3-2，计算外机匣正应力与弯曲应力，分别以两种应力作为设计基准，考虑安全系数等因素求解修正系数，获得强度准则下外机匣壁厚数学模型；步骤4，基于刚度准则和强度准则的内机匣壁厚数学模型构建；步骤4-1，计算内机匣在拉伸刚度下的轴向变形量以及弯曲刚度下的最大挠度，分别以两种变形量为设计基准，考虑安全系数等因素求解修正系数，获得刚度准则下的内机匣壁厚数学模型；步骤4-2，计算内机匣沿壳体正应力与沿剖面正应力，分别以两种应力作为设计基准，考虑安全系数等因素求解修正系数，获得强度准则下内机匣壁厚数学模型；步骤5，基于刚度准则和强度准则的承力支板壁厚数学模型构建；步骤5-1，计算承力支板在剪切刚度下的剪切变形量以及径向刚度下的径向变形，分别以两种变形量为设计基准，考虑安全系数等因素求解修正系数，获得刚度准则下的承力支板壁厚数学模型；步骤5-2，计算承力支板拉伸正应力，以拉伸正应力作为设计基准，考虑安全系数等因素求解修正系数，获得强度准则下的承力支板壁厚数学模型；步骤6，基于对中介机匣各部件按照上述数学模型计算各部件壁厚值，各部件选取最大计算值作为设计值，实现中介机匣精确建模；步骤7，根据所构建中介机匣关键参数数学模型作为建模依据，在abaqus中建立中介机匣结构有限元模型，对模型进行装配、网格划分并设置材料参数、载荷以及边界条件，并提交求解，得到rpy文件；步骤8，利用abaqus-python二次开发功能，将rpy文件进行批量提交、计算、提取结果；利用python建立基于abaqus的中介机匣建模gui用户界面。
8.有益效果1、 克服了现有中介机匣建模的不足，本方法在中介机匣建模中可以依靠基本输入参数、设计准则，快速获得中介机匣各部件关键参数（内、外壁厚等）数学模型，并依据数学模型对中介机匣进行精确建模。建模方式摆脱了有限元软件中重复建模，实现了航空发动机中介机匣快速批量化建模、求解、分析、结果提取。
9.2、 由于设计基准是基于已知参数的同类型机匣，因此本发明建立的外机匣数学模型可以通过收集更多机匣的数据，优化所建立的外机匣数学模型。与此同时，根据本方法可以推广到航空发动机涡轮后承力机匣、涡轮间机匣以及风扇机匣等其他承力机匣中。
10.3、本方法建立了中介机匣参数化快速建模的gui用户操作界面，在参数化建模时可以查看abaqus界面，使得建模过程更加清晰，避免了因为无可视界面而导致的建模错误与偏差，提高了中介机匣的建模效率与可操作性；同时在gui界面中加入了材料查找等辅助功能，使得建模时可拓展性更强；该gui界面预留了多个承力机匣建模模块，便于推广。
附图说明
11.图1为本发明一个实施例的基于abaqus二次开发的中介机匣快速建模流程图
图2为本发明一个实施例的中介机匣几何模型图；图3为本发明一个实施例的中介机匣cae模型（网格）图；图4为本发明一个实施例的abaqus-python二次开发流程图；图5为本发明一个实施例的基于二次开发的中介机匣快速建模计算结果示意图；图6为本发明一个实施例的中介机匣建模gui用户界面程序组成及其隶属关系图；图7为本发明一个实施例的中介机匣二次开发建模界面示意图；图8为本发明一个实施例的航空发动机机匣快速建模平台用户界面的树形工具箱；图9为本发明一个实施例的建模平台主菜单示意图；图10为本发明一个实施例的建模平台主菜单下拉菜单示意图；图11（a）为本发明一个实施例的建模平台的支板建模界面示意图；图11（b）为本发明一个实施例的建模平台的外机匣建模界面示意图；图11（c）为本发明一个实施例的建模平台的内机匣建模界面示意图；图11（d）为本发明一个实施例的建模平台的整体建模界面示意图；图12为本发明一个实施例的基于建模平台得到的计算结果示意图；图13为本发明一个实施例的建模平台的材料查询界面示意图。
具体实施方式
12.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
13.本发明提出一种基于abaqus二次开发的中介机匣快速建模方法通过构建机匣各部件重要参数数学模型，摆脱了对传统几何建模利用软件分析受力再不断修正模型的局限性，能快速对中介机匣各部件进行数学模型的参数化建模。
14.如图1所示，一种基于abaqus二次开发的中介机匣快速建模方法，实现步骤包括：步骤1，对于中介机匣，其结构复杂，参数较多，故在对其进行初步建模时，抓住其特征参数即可。对航空涡扇发动机中介机匣的众多参数进行校核，最终确定特征参数如表1所示。
15.表1 中介机匣特征参数表
步骤2，明确中介机匣载荷工况，选择机匣各部件刚度设计准则及强度设计准则。对于外机匣，分别以拉伸刚度、弯曲刚度、正应力以及弯曲应力作为设计准则；对于内机匣，分别以拉伸刚度、弯曲刚度、沿壳体母线方向正应力以及沿壳体纵剖面正应力为设计准则；对于承力支板，分别以剪切刚度、径向刚度以及正应力为设计准则。
16.其中，刚度准则：能够提供足够的刚度并给出必要的变形限制。同时，中介机匣不同部件对机匣的刚度和变形有不同的要求，应对各部位的机匣刚度进行合理的分配，外机匣和内机匣刚度准则为拉伸刚度准则、弯曲刚度准则；承力支板刚度准则为剪切刚度准则、径向刚度准则。
17.强度准则：规定的载荷条件下需满足在使用（限制）载荷作用下不产生永久变形（屈服条件）；在设计（极限）载荷（1.5倍使用载荷）作用下不产生破坏（破坏条件）；取用条件屈服极限 进行机匣承力件的屈服条件强度设计；外机匣强度准则为正应力强度准则、弯曲应力强度准则；内机匣和承力支板强度准则为正应力强度准则。
18.步骤3，基于刚度准则和强度准则的外机匣壁厚数学模型构建；步骤3-1，计算外机匣拉伸刚度下的轴向变形量为，式中f
max
为发
动机推力，e为弹性模量，δ1为该基准下外机匣厚度， r
min
为外机匣最小半径，l为外机匣长度。
19.以
∆
l为设计基准，对于同类型发动机而言，各个发动机的轴向变形量是相趋近的，设两同类型发动机中介机匣外机匣轴向变形分别为
∆
l1，
∆
l2令其中，f
max
、l、r
min
、e用下标1、2区分两个同类型的第一、第二发动机中介机匣的对应物理量，δ1用没有上标’和有上标’区分两个同类型的第一、第二发动机中介机匣的外机匣厚度。
20.同理步骤3-2、步骤4-1、步骤4-2、步骤5-1及步骤5-2中的设计基准均认为各个同类型发动机的基准也是相趋近的，通过已知的同类型发动机的基准构造等式，求得本发明中的内、外机匣以及承力支板壁厚，即令外机匣的正应力σ1≈σ
1已知
，外机匣的弯曲应力σ2≈σ
2已知
，内机匣拉伸刚度轴向变形量
∆
l≈
∆
l
已知
，内机匣沿壳体母线方向正应力σ3≈σ
3已知
，内机匣沿壳体纵剖面的正应力σ4≈σ
4已知
，承力支板拉伸正应力σ5≈σ
5已知
，承力支板剪切变形量γ≈γ
已知
下标“已知”表示同类型发动机已知的设计基准值。
21.弯曲刚度下的最大挠度为，分别以两种变形量为设计基准，考虑安全系数等因素求解修正系数，获得拉伸刚度准则下的外机匣壁厚数学模型为，弯曲刚度准则下的外机匣壁厚数学模型为。以某型涡扇发动机相关数据为依据 ，计算修正系数。带入该型中介机匣详细参数得到刚度准则下外机匣壁厚的数值解，。
22.步骤3-2，计算外机匣正应力为，弯曲应力为，分别以两种应力作为设计基准，考虑安全系数等因素求解修正系数，获得正应力准则下外机匣壁厚数学模型为，弯曲应力准则下外机匣壁厚数学模型为。以某型涡扇发动机相关数据为依据，计算修正系数。带入该型中介机
匣详细参数得到强度准则下外机匣壁厚的数值解，。
23.步骤4，基于刚度准则和强度准则的内机匣壁厚数学模型构建；步骤4-1，计算内机匣在拉伸刚度下的轴向变形量为，在弯曲刚度下的最大挠度为，分别以两种变形量为设计基准，考虑安全系数等因素求解修正系数，获得拉伸刚度准则下的内机匣壁厚数学模型为，弯曲刚度准则下的外机匣壁厚数学模型为。以某型涡扇发动机相关数据为依据，计算修正系数。带入该型中介机匣详细参数得到刚度准则下内机匣壁厚的数值解，。
24.步骤4-2，计算内机匣沿壳体正应力为沿壳体剖面正应力为，分别以两种应力作为设计基准，考虑安全系数等因素求解修正系数，获得强度准则下内机匣壁厚数学模型为，。以某型涡扇发动机相关数据为依据，计算修正系数。带入该型中介机匣详细参数得到刚度准则下内机匣壁厚的数值解分别为，。
25.步骤5，基于刚度准则和强度准则的承力支板壁厚数学模型构建；步骤5-1，计算承力支板在剪切刚度下的剪切变形量为径向刚度下的径向变形为，分别以两种变形量为设计基准，考虑安全系数等因素求
解修正系数，获得刚度准则下的承力支板截面积数学模型为，。以某型涡扇发动机相关数据为依据，计算修正系数。带入该型中介机匣详细参数得到刚度准则下承力支板截面积的数值解分别为，。根据经验公式进一步可得承力支板的壁厚数学模型数值解为，。
26.步骤5-2，计算承力支板拉伸正应力为，以拉伸正应力作为设计基准，考虑安全系数等因素求解修正系数，获得强度准则下的承力支板壁厚数学模型为。带入该型中介机匣详细参数得到强度准则下承力支板截面积的数值解为根据经验公式进一步可得承力支板的壁厚数学模型数值解为。
27.为验证参数化模型是否精确，应根据另一中介机匣的基本输入参数利用本研究所建立数学模型求解关键参数，并将计算所得关键参数与实际机匣参数进行比较，计算误差，还应建立中介机匣模型并通过进行有限元分析以验证模型在工程中使用的可行性。
28.对于中介机匣建模，应保留其核心结构并简化其非次要结构，从而减小计算量。所建模型包含外机匣，内机匣以及承力支板，所选材料为ti-6al-4v。建模所需几何参数类别与取值见下表2：表2中介机匣模型参数
将上述参数代入可以求得外机匣厚度为：将上述参数代入可以求得外机匣厚度为：将上述参数代入可以求得外机匣厚度为：将上述参数代入可以求得外机匣厚度为：上式结果分别为中介机匣在不同受载情况下所推导的壁厚值，对于校验机匣，应选取δ3作为外机匣壁厚值。同理可求得内机匣厚度值为：作为外机匣壁厚值。同理可求得内机匣厚度值为：作为外机匣壁厚值。同理可求得内机匣厚度值为：作为外机匣壁厚值。同理可求得内机匣厚度值为：
上式结果分别为中介机匣在不同受载情况下所推导的壁厚值，对于校验机匣，应选取最大值作为内机匣壁厚值，又由于加工工艺的限制，最大壁厚不得超过3mm，对于壁厚计算值超过3mm的情况，应选取3mm作为机匣壁厚。同理可以计算下面支板壁厚：值超过3mm的情况，应选取3mm作为机匣壁厚。同理可以计算下面支板壁厚：值超过3mm的情况，应选取3mm作为机匣壁厚。同理可以计算下面支板壁厚：上式结果分别为中介机匣支板在不同受载情况下所推导的壁厚值，对于校验机匣，应选取最大值作为内机匣壁厚值。各项系数计算结果如表3所示：表3机匣相关数据计算结果表3所得可作为建模参数依据。同理可得承力支板截面面积如下。
29.表3所得可作为建模参数依据，应选取各项计算结果中的最大值作为设计值。根据工艺要求，壁厚最大值不能超过3mm，故在选取壁厚值时，若最大值大于3mm，则取3mm作为设计值。其中δ1－δ4选取较大值作为机匣外环壁厚值；选取δ5－δ8中最大值作为机匣内环壁厚值；选取a
min
－a
min2
中最大值作为支板面积。各项参数的最终取值以及已知与机匣实际参数对比如表4所示。
30.表4 数学模型计算值校验表由此说明，本发明在克服传统建模思路的基础上，采取了同类型发动机设计基准类似的方法快速建模，同时得到的模型精度高，误差控制在9%以内，满足设计要求。
31.步骤6，对中介机匣各部件按照上述数学模型计算各部件壁厚值，各部件选取最大计算值作为设计值，实现中介机匣精确建模。根据中介机匣载荷工况和设计需求，对中介机匣结构进行简化，以所建立数学模型为基础求解关键参数值，并结合输入参数建分别建立中介机匣各部件几何模型，建立的中介机匣几何模型如图2所示，有限元网格划分图如图3所示。
32.步骤7，根据所构建中介机匣关键参数数学模型作为建模依据，在abaqus中建立步骤6中简化后中介机匣有限元模型，根据圣维南定理对模型设置过渡段。对步骤6所建立各部件模型进行装配，为提高计算效率建立中介机匣三分之一模型并设置循环对称约束；设置中介机匣材料参数以及静力学分析步；设置网格类型为c3d8r并进行网格划分；根据中介机匣工况设置载荷以及边界条件，并提交求解，在abaqus工作路径下得到rpy文件。
33.步骤8，利用abaqus-python二次开发功能，首先在python中读取rpy文件，并在python文件zjjxkernel.py中对基本输入参数进行定义，将已构建中介机匣各部件数学模型添加到python文件中作为中介机匣建模依据，最后通过python命令实现模型的装配、加载、约束、提交计算，参数化建模流程如图4所示。创建一个fem_data.txt文件作为输入文件，用于存放批量建模的输入数据，其数据维度与基本输入参数维度一致；创建一个newdata.txt文件作为中间文件，用于存放临时数据；创建一个statisticresult.txt文件作为提取文件，用于存放所需结果参数。在python中新建批量计算文件，该计算文件通过读取输入文件数据并将其写入中间文件，并通过abaqus cae nogui命令实现对不同输入变量中介机匣的批量化建模与计算；在python中新建结果提取文件extract.py，通过读取批量建模后的abaqus odb文件，在odb文件中搜索并提取所需计算结果，从而实现数据提取，所
提取数据存放在statisticresult.txt文件中，以中介机匣径向位移为例，建模计算结果如图5所示。
34.利用python建立基于abaqus的中介机匣建模gui可视界面。采用python语言编程，通过编写执行文件myapp.py、app启动文件start.bat实现建模程序的启动；通过编写主窗口文件abaqusmianwindow.py实现用户界面的首页设计；通过编写模块定义文件zjjxguimodel.py创建用户界面中航空发动机机匣建模模块以及主菜单，其主菜单下方包含。通过编写工具包定义文件zjjxtoolsetmodule.py创建用户界面机匣整体建模菜单以及机匣各部件建模菜单；通过编写树形工具条zjjxtreetoolsetmodule.py等文件创建用户界面左侧的机匣建模树形菜单。
35.gui建模平台主要由树形工具条、工具包、内嵌模块以及主窗口界面组成。每个组成部分由python语言进行定义。在abauqs建模平台搭建过程中，由python语言编写的文件种类、gui界面开发程序分类如图6所示，主窗口文件包括gui模块、gui工具包和gui树形工具包。
36.采用python语言编程，通过编写执行文件myapp.py、app启动文件start.bat实现建模程序的启动；通过编写主窗口文件abaqusmianwindow.py实现用户界面的首页设计；通过编写模块定义文件zjjxguimodel.py创建用户界面中航空发动机机匣建模模块以及主菜单，其主菜单下方包含。通过编写工具包定义文件zjjxtoolsetmodule.py创建用户界面机匣整体建模菜单以及机匣各部件建模菜单；通过编写树形工具条zjjxtreetoolsetmodule.py等文件创建用户界面左侧的机匣建模树形菜单；中介机匣建模gui界面的设计，gui界面开发程序分类如图6所示。
37.通过编写wjxdb.py、njxdb.py、zbdb.py、zjjxdn.py等图形文件、wjxform.py、njxform.py、zbform.py、zjjxform.py等注册文件以及wjxkernel.py、njxkernel.py、zbkernel.py、zjjxkernel.py等内核计算文件实现中介机匣整体以及各部件建模界面构造以及材料查找等功能，建模界面如图7所示。
38.内核文件将有限元建模流程完全参数化，将上节讨论的变量定义为函数变量，方便后续的调用。注册文件和图形界面文件通过rsg建立，其功能为注册插件程序以及其中的关键字，并定义各类窗体、控件，关联控件的执行命令及对象。通过定义文本框、单复选按钮、表格等各类控件，用户可以方便地将所需参数集成到统一的图形界面下，形成友好的输入输出界面。通过建立二次开发用户操作界面，确定用户需要输入的变量，建立各变量之间的逻辑关系，对于不合理赋值进行警告与禁用等，并与内核文件相关联，建立有限元建模过程与用户操作界面的连接。将gui可视界面与建模界面结合，得到基于abaqus的中介机匣建模gui用户界面。
39.航空发动机机匣快速建模平台用户界面的树形工具箱如图8所示。该gui树形工具条可以提供一个类似abaqus/cae主窗口左侧的模型树和结果树的树形列表，通过左侧树形列表，可以完成中介机匣内外机匣以及承力支板的单独建模，也可以实现中介机匣的整体建模。在树形工具箱设计时，除了中介机匣，还可以在该平台中实现涡轮后机匣、涡轮间机匣、风扇机匣等其他机匣的参数化快速建模。此树形工具箱的建立不影响原有abaqus界面操作，此设计仍保留了原始的模型界面。对于建模平台用户，可以根据自己的需求在abaqus gui toolkit user’s manual中修改或新建自定义gui树形工作条。
40.图9、图10分别为建模平台主菜单示意图、建模平台主菜单下拉菜单示意图。
41.在主菜单应用设计完成后，本研究还对主要应用模块以及工具条进行创建。工具条中包含上述各建模模块以及帮助文档。
42.在本研究中定义了两个主菜单：单一机匣建模以及aero-engine casing。在单一机匣建模主菜单中有四个下拉菜单，分别为外机匣建模、内机匣建模、承力支板建模以及机匣整体建模程序。在此下拉菜单可以实现对中介机匣各零件以及中介机匣整体的建模，通过调用内核程序，完成建模后还能实现作业的提交，并得到相关结果云图。在aero-engine casing主菜单中有中介机匣典型结构快速建模、涡轮后机匣典型结构快速建模以及其他机匣的典型结构快速建模。
43.对于中介机匣建模gui平台，在中介机匣整体建模界面按要求输入基本几何参数（如半径、长度）、材料参数（弹性模量、泊松比）、力学参数（发动机推力）后，按下ok键即可实现中介机匣整体建模并输出odb结果文件。在建模过程中，根据注册文件设计要求可对输入参数进行判定，对于不合理的参数予以返回修改。同理对于中介机匣各部件通过输入基本参数即可实现有限元建模并输出odb结果文件。对于材料查找模块，在搜索栏中输入所需查找材料的关键字或名称即可在金属材料库中寻找所需材料，可查询材料属性包括弹性模量、泊松比、密度、屈服强度、极限强度、伸长率等。如图11（a）、图11（b）、图11（c）和图11（d）所示分别为建模平台的支板建模、外机匣建模、内机匣建模和整体建模界面示意图。得到的计算结果如图12所示，材料查询界面如图13所示。
44.将gui可视界面与建模界面结合，使得基于abaqus的中介机匣建模实现可视化。
45.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。