Ansys在航空/燃機領域主要應用場景
Ansys在航發(fā)/燃機行業(yè)應用及相關模塊
風扇、壓氣機高保真仿真技術
‐ 壓氣機/風扇葉片發(fā)生顫振容易導致葉片發(fā)生斷裂失效
‐ 能否準確預測顫振決定了葉片穩(wěn)定工況范圍的大小
‐ 葉片顫振瞬態(tài)分析計算成本極高，收斂困難
‐ 基于Mechanical計算自然振動頻率，采用CFX進行單向流固耦合計算；基于CFX獨有的瞬態(tài)葉柵TBR模型，設定葉片節(jié)徑數(shù)和振動頻率，進行葉片瞬態(tài)單向流固耦合顫振分析；依據(jù)阻尼系數(shù)大小判斷是否會發(fā)生顫振
‐ 準確預測壓氣機/風扇部件是否會發(fā)生顫振，確定穩(wěn)定工作范圍
‐ 大幅提升顫振分析的效率，縮減產(chǎn)品研發(fā)時間
‐ 協(xié)助設計人員減輕葉片重量，提升發(fā)動機工作效率
Ansys顫振分析方案技術優(yōu)勢
‐ 通過對流固耦合進行解耦，可在Mechanical中單獨進行自然頻率仿真分析后導入CFX進行顫振分析，極大提升了仿真效率和計算穩(wěn)定性
‐ 新版CFX對諧波分析法計算效率進行了大幅提升，大大提升力計算效率和穩(wěn)定性，可用近似于穩(wěn)態(tài)計算的成本進行瞬態(tài)葉片氣動仿真分析
‐ 基于Workbench的集成操作流程十分清晰，簡單易用，十分方便工程師學習和復用該分析流程
壓氣機葉片受迫振動分析
‐ 壓氣機/風扇葉片發(fā)生受迫振動容易導致葉片發(fā)生斷裂失效
‐ 能否準確預測受迫振動決定了葉片穩(wěn)定工況范圍的大小
‐ 葉片流固耦合瞬態(tài)分析計算成本極高，收斂困難
‐ 基于CFX獨有的瞬態(tài)葉柵TBR模型，進行葉片瞬態(tài)單向流固耦合仿真分析；輸出葉片瞬態(tài)交變氣動載荷作為Mechanical受迫振動分析的邊界條件，進行振動和疲勞分析
‐ 準確預測壓氣機/風扇部件是否會發(fā)生受迫振動，確定穩(wěn)定工作范圍
‐ 大幅提升受迫振動分析的效率，縮減產(chǎn)品研發(fā)時間
‐ 協(xié)助設計人員減輕葉片重量，提升發(fā)動機工作效率
Ansys受迫振動分析方案技術優(yōu)勢
‐ 通過對流固耦合進行解耦，可首先在CFX進行單向流固耦合瞬態(tài)氣動力分析，極大提升了仿真效率和計算穩(wěn)定性
‐ 基于CFX提供的交變氣動載荷和阻尼系數(shù)，Mechanical可進行葉片的受迫振動分析和疲勞分析，并判斷葉片在受迫振動條件下的疲勞壽命
‐ 基于Workbench的集成操作流程十分清晰，簡單易用，十分方便工程師學習和復用該分析流程
葉片包容性分析
- 如何滿足風扇葉片脫落后的機匣包容性適航要求是當今各大渦扇
發(fā)動機制造
商關鍵設
計技術之一。
- FAA33部和CAAC33部均對發(fā)動機包容性提出了明確要求，所有的
民
用航空發(fā)動機在取得適航許可證之前，都必須通過適航包容性
試驗。
- FBO工況是涉及大變形、材料非線性以及接觸非線性的強非線性
瞬態(tài)動力學問題，給有限元仿真帶來了極大的挑戰(zhàn)。
‐ Ansys LS-DYNA能夠提供豐富的本構模型用于FBO仿真，同時考慮應變率的對高速碰撞的影響，并行計算效率極高。
飛行結冰仿真
‐ 積冰可能堵塞發(fā)動機進氣道、內(nèi)涵道，增加壓力損失；如果吸入內(nèi)部，會破壞發(fā)動機部件，導致推力損失、熄火和瞬態(tài)性能的下降；
‐ Ansys(Fensap & Fluent Icing)結冰將結冰涉及的流場氣動、水撞擊、結冰、除冰熱傳導載荷計算通過圖形化界面無縫地連接到一起，整個過程使用一套網(wǎng)格，且沒有任何經(jīng)驗關聯(lián)式的介入，保證了求解的精度。
‐ 采用Ansys結冰分析，可以大幅提升公司結冰仿真模擬的能力，減少費用高昂的冰風洞試驗次數(shù)，縮短研制周期，從而增加公司在同行業(yè)中的競爭力。
- 噴氣發(fā)動機、飛行條件（p=64463.341Pa, v=110m/s, T=256K）、結冰條件(MVD=20, LWC=1g/m3)
- 噴氣發(fā)動機在不同飛行結冰條件下的水收集系數(shù)分布、空間液態(tài)水含量分布、結冰增長率和積冰冰形等。
燃燒室高保真仿真技術
FLUENT燃燒室 VOF-to-DPM仿真及數(shù)據(jù)壓縮
‐ 航空發(fā)動機的噴嘴燃油霧化仿真對燃燒仿真影響巨大。現(xiàn)有的方法中，VOF方法一方面計算量極大，另外與燃燒耦合有困難；DPM方法應用較多，但需要使用噴嘴模型，仿真的精度取決于測試數(shù)據(jù)的有無及精度
‐ ANSYS CFD 19.0增加了VOF-to-DPM多相流模型，可極大減少用戶試驗數(shù)據(jù)并提高仿真的精度
‐ ANSYS CFD 2019R1增加了將VOF-to-DPM結果提取來進行取樣壓縮，并用于隨后的仿真輸入
‐ 可減少試驗工作量，減少試驗數(shù)據(jù)對仿真結果的影響
渦輪高保真仿真技術
Fluent Watertight Workflow
‐ 經(jīng)驗表明，現(xiàn)有網(wǎng)格前處理工具對氣冷渦輪葉片、燃燒室等復雜零部件網(wǎng)格前處理效率不佳，網(wǎng)格質(zhì)量較差，嚴重影響產(chǎn)品仿真分析的效率和質(zhì)量
‐ 基于最新Fluent Watertight Workflow網(wǎng)格前處理自動流程，可一站式完成幾何導入、流體域抽取、共享拓撲、網(wǎng)格加密、邊界條件類型設置等前處理操作；最新Poly-Hexcore多面體網(wǎng)格可對復雜幾何生成高質(zhì)量網(wǎng)格，大大優(yōu)于一般四面體網(wǎng)格
‐ 大幅提升氣冷渦輪、燃燒室、二次空氣系統(tǒng)仿真前處理效率
‐ 有效提升復雜部件網(wǎng)格質(zhì)量，提升仿真精度，更加準確預測渦輪冷卻性能、燃燒室流場和二次空氣流動狀況，有效指導設計改進
‐ 加速產(chǎn)品的研發(fā)流程，助力工程師的創(chuàng)新設計
Fluent Watertight Workflow技術優(yōu)勢
‐ 工程師可在單窗口、單個操作樹下一站式完成從幾何導入、網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格加密和邊界條件設置，并直接切換至仿真求解模式，大大加速仿真前處理的效率
最新Poly和Poly-Hexcore多面體網(wǎng)格技術
‐ Fluent Watergtight Workflow提供最新的Poly多面體網(wǎng)格和Poly-Hexcore多面體技術，大幅提升復雜模型的網(wǎng)格質(zhì)量
‐ Fluent Watertight Workflow操作界面友好，相比于ICEM CFD等工具更加簡單易用，便于工程師快速學習和掌握
CFX: Blade Film Cooling氣膜冷卻模型
‐ 基于Injection region功能開發(fā)而來
‐ Injection射流孔: 簡單圓孔\橢圓孔\扇形孔…
‐ 在葉輪機械仿真模型下都可使用（Steady, TBR,Transient）
‐ Injection通過profile file文件指定
CFX: Blade Film Cooling氣膜冷卻模型
‐ 公開發(fā)表案例編號為NASA_CR 168289
Mechanical - 葉片冷熱態(tài)轉換設計
‐ 在航空發(fā)動機葉片實際工況中，尤其是渦輪葉片在高溫高壓的工況下工作。在渦輪葉片設計中有時預先定義工作狀態(tài)下葉片與其他部件的相互位置關系，需要計算非工作狀態(tài)下葉片的形狀及幾何尺寸等數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化設計。
‐ Ansys Mechanical Enterprise
‐ Ansys 提供工作流程以幫助優(yōu)化結構設計。反向分析可幫助工程師確定零部件的未加載形狀，以便在加載時獲得所需的形狀。
Mechanical- 葉片裂紋擴展分析
‐ 航空發(fā)動機由于材料缺陷，加工缺陷或疲勞引起的裂紋導致結構的破壞，其直接原因是由于發(fā)動機正常運行時，部件裂紋、缺陷尺寸逐漸擴展，直至剩余強度小于工作應力，從而發(fā)生破壞。安全壽命設計的假設條件是認為構件材料是均勻連續(xù)的，不存在初始缺陷，片面追求高的裂紋萌生壽命，忽視了裂紋迅速擴展的危險。此外大量的試驗和理論已經(jīng)證明，許多含裂紋的構件仍然能在規(guī)定載荷下繼續(xù)工作到下次檢修，為了確保構件安全可靠，又能充分利用其固有的實際壽命，因而引入損傷容限設計準則。
‐ 以斷裂力學為基礎，將結構的微觀缺陷用初始缺陷尺寸來描述，來研究裂紋擴展，來建立起結構損傷容限設計。
‐ Ansys Mechanical Enterprise – SMART fracture
‐ ANSYS的SMART (Separating,Morphing, Adaptive and Re-meshing Technology)斷裂力學分析技術,可用來預測裂紋在靜態(tài)荷載下的擴展情況,以及在動態(tài)荷載下的斷裂與疲勞的組合分析。支持橢圓形裂紋（結構化網(wǎng)格和非結構化網(wǎng)格實現(xiàn)）、任意裂紋（非結構化網(wǎng)格實現(xiàn)）、預定義裂紋的應力強度因子、能量釋放率、J積分、C積分、材料力等斷裂力學參數(shù)的計算。
新工藝設計（增材）
‐ 增材制造技術在國外航空發(fā)動機上應用廣泛。GE9X， LEAP都大量采用增材制造。GE9X上有七大部件（燃油噴嘴、T25傳感器外殼、熱交換器 、粒子分離器、5級低壓渦輪（LPT）葉片、6級渦輪（LPT）葉片 、燃燒室混合器）、304個零件采用了3D打印，并經(jīng)多種材料
和打印工藝投入使用。
‐ 然而，增材制造新材料的成本相對高，需要想辦法降低材料成本。
‐ 基于分層制造的增材制造技術，大部件打印時間長，需要改進優(yōu)化增材制造的方法，或者與傳統(tǒng)鑄造技術等方式結合，提高零件制造的速度，降低成本
‐ Ansys Additive Suite增材制造工藝仿真套件提供了從面向增材制造設計到打印工藝的完整解決方案。其中，可以提供金屬增材工藝仿真，預測部件形狀、變形和應力，自動生成最佳支撐結構和變形補償STL文件，避免打印失敗；可以通過仿真深入了解工藝機理，進行材料性能、微觀結構、設備優(yōu)化設計等更深入的研究，幫助用戶研發(fā)新材料工藝。
整機仿真及流程管理
整機仿真技術是評估發(fā)動機整機性能的重要手段；
航發(fā)/燃機整機仿真方法有1維、準3維和3維：
‐ 1維仿真模型完全依靠經(jīng)驗關系式，無法反映任何真實流動細節(jié)，精度較低；
‐ 準3維仿真能夠詳細模擬整機子午面的流動情況，在設計中應用廣泛，但仍無法反映三維流動細節(jié)；
目前航發(fā)/燃機各部件均已建立全三維設計體系，但由于缺乏適合的工具和方法，發(fā)動機整機三維數(shù)值模擬還未展開，無法反應各三維部件在整機情況。
‐ 設計經(jīng)驗表明，即使發(fā)動機各部件都達或超過到設計指標，但在整機環(huán)境下往往不能很好匹配，造成整機性能惡化
‐ 基于最新Fluent Meshing網(wǎng)格劃分工具，繪制包括壓氣機、渦輪、燃燒室在內(nèi)的高質(zhì)量網(wǎng)格；在Fluent中使用同一套網(wǎng)格對整機進行一次性仿真，無任何經(jīng)驗公式介入；對整機中壓氣機性能、燃燒反應、渦輪性能進行高精度的仿真
‐ 精確評估發(fā)動機總體性能，預測各部件對整機性能的影響
‐ 準確模擬整機內(nèi)部精確流場，有效指導二次空氣系統(tǒng)、發(fā)動機試驗測試人員設計和制定針對性方案
‐ 最新的Fluent Meshing多面體自動網(wǎng)格劃分技術，可協(xié)助工程師簡單高效的劃分整個發(fā)動機從壓氣機、燃燒室、渦輪到尾噴管的全套高質(zhì)量網(wǎng)格
‐ 基于最新Fluent Turbo葉輪機械仿真模板，工程師可非常方便的對壓氣機和渦輪等多排旋轉機械部件進行邊界條件設置和結果后處理
‐ Fluent提供全面而精確的燃燒及化學反應模型，可準確預測燃燒室性能和燃燒過程中的污染物排放，協(xié)助工程師精確評估燃燒室出口溫度分布及污染物排放是否達到設計要求
深圳市優(yōu)飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產(chǎn)品開發(fā)平臺解決方案與物聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)的國家級高新技術企業(yè)。
十多年來，優(yōu)飛迪科技在數(shù)字孿生、工業(yè)軟件尤其仿真技術、物聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)等領域積累了豐富的經(jīng)驗，并在這些領域擁有數(shù)十項獨立自主的知識產(chǎn)權。同時，優(yōu)飛迪科技也與國際和國內(nèi)的主要頭部工業(yè)軟件廠商建立了戰(zhàn)略合作關系，能夠為客戶提供完整的產(chǎn)品開發(fā)平臺解決方案。
優(yōu)飛迪科技技術團隊實力雄厚，主要成員均來自于國內(nèi)外頂尖學府、并在相關領域有豐富的工作經(jīng)驗，能為客戶提供“全心U+端到端服務”。
