虚拟样机技术在流体机械中的应用.ppt

第一页，共十四页，2022年，8月28日  2.虚拟样机技术国内外研究现状 虚拟样机技术于九十年代初开始发展，其研究和应用迅速得到许多研究机构及软件供应商的重视。虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。目前国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较有影响的有美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc，MDI）的ADAMS，CADSI的DADS，德国航天局的SIMPACK，其它还有Working Model、FLOW3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、Nastran等等。 ???? 国内虚拟样机技术的应用研究处于起步阶段，一些大学和科研院所正在进行这一方面的工作，主要是对虚拟样机概念和结构的研究，对虚拟样机要求的相关技术如数据库技术、CAD/CAM技术、网络技术、分布交互仿真技术等已有一定的基础。如将虚拟样机技术应用于航空发动机、武器装备、机械系统等方面的研究，但整体上与国外相比还有很大差距。 第二页，共十四页，2022年，8月28日 3.虚拟样机技术的关键技术 虚拟样机技术的核心是多体运动学与动力学建模理论及其技术实现，但其并非为单纯的运动学和动力学分析，而是多种技术的综合。虚拟样机相关关键技术包括计算机辅助建模技术、有限元分析技术、优化分析技术等，虚拟样机技术，其基本组成框架如图1所示。 第三页，共十四页，2022年，8月28日 多体系统动力学 模型分析 几何建模CAD 有限元分析FEA 优化分析技术 控制系统建模 驱动元件建模 图1 虚拟样机技术的基本组成 第四页，共十四页，2022年，8月28日 虚拟样机技术在流体机械中的应用主要体现在以下三个方面： 1、建立流体机械的虚拟样机模型，进行机械运动学及动力学仿真分析； 2、基于CFD技术的流场分析，掌握其内部流场分布规律，从而改进其性能和结构； 3、建立流体机械的多场耦合模型，对其分析考察并准确地表达产品结构性能，得出有意义的结论。 二、虚拟样机技术在流体机 械中的应用 第五页，共十四页，2022年，8月28日 1.机械系统动力学分析 图2 模拟实际工况的叶片动力学分析 第六页，共十四页，2022年，8月28日 1、利用Adams建立流体机械的“虚拟样机”，在真实工作条件下真实地模拟机械系统运动，并且快速分析比较各种设计，直到获得最佳的设计方案，从而减少昂贵的物理样机、提高产品设计水平，大幅缩短产品开发周期和开发成本。图2为模拟实际工况对风力发电装置叶片转速、转加速度及受力和叶片速度等项指标的仿真分析。 2、利用MSC Nastran或ansys 进行结构强度、刚度、动力、随机振动、频谱响应、热传导、非线性、转子动力学、参数及拓扑优化、气动弹性等全面的仿真分析。图3、图4为压缩机缸盖螺栓应力分析及某转子系统模态分析。 3、当然还有其它仿真软件，主要有：利用MSC Dytran 进行高度非线性的动态分析；利用MSC Fatigue进行高级疲劳分析等等。 第七页，共十四页，2022年，8月28日 图3 压缩机缸盖螺栓拧紧时的应力分析 图4 某转子系统模态分析 第八页，共十四页，2022年，8月28日 2.基于CFD的流场分析 目前，利用计算流体力学（CFD）进行数值模拟已经成为研究流体机械内部流动状况的重要手段。常用的流体分析软件是Fluent、ansys等，对流体机械内部温度分布、流速分布、压力分布等进行模拟仿真，为产品结构和性能的设计和改进提供理论依据。图5、图6为CFD分析的实例。 图5 某涡轮机内部流场（温度）的分析 图6 某流化床锅炉内部流场（浓度）的分析 第九页，共十四页，2022年，8月28日 3.多物理仿真分析 现代流体机械对部件的气动、结构、传热设计提出了更高的目标，因此必须针对流体机械部件特点，综合采用气动、传热、结构和强度、控制等多学科耦合求解的方法，实现多科的综合优化，如图7所示。 图7 流体机械的多学科交叉、耦合 第十页，共十四页，2022年，8月28日