1、基于 CATIACAD 的飞机燃油系统管路设计仿真引言 管路设计中往往要进行各种工程分析,如流动和传热等,而 CAD 软件一般仅提供建模功能或简单的分析功能,复杂的工程分析常需在 CAE 软件中进行.由于空间布局变动、零部件更新换代等原因,造成管路模型反复修改,需要在 CAD 软件与 CAE 软件之间多次传输数据进行建模与性能迭代分析,设计效率极大降低.利用 CAD 软件的二次开发功能,开发出满足特殊需求的辅助设计或辅助工程模块,是目前解决 CAD 软件通用性与工程专用性不能兼顾这一矛盾的常用手段,也是现代 CAD 系统提供二次开发功能的主要原因之一.为了解决 CAD软件通用管路设计功能难于对
2、复杂的汽轮机套装油管路进行设计的问题,周凯等1在 UG 下开发出专用的套装油管路设计系统.陈明等2为了解决自主版权的应力分析软件应用繁琐、耗时耗力的问题,将其集成到 CATIAV5 中,实现 CAD/CAE 的集成应用.其他利用二次开发技术对 CAD 软件进行的应用扩展还包括标准件库的开发3 、虚拟装配技术的研究应用4等,这些工作都使设计人员工作量大大减少,产品研发周期缩短,具有较大的工程实用价值。 达索提供的二次开发工具 CAA 及 CATIAV5 基于组件的开放式体系结构为在CATIAV5 中集成外部模块提供可能.5本文针对飞机燃油系统常用的管路建模工具CATIAV5 进行研究,通过 CA
3、A 在 CATIAV5TubingDesign 工作台下嵌入管路流动分析模块,将流体系统仿真软件 FOCUSS-FS6的核心计算部分集成到 CATIA 中,实现 CAD/CAE 的集成应用.该分析模块能够对 CATIA 平台下的燃油系统管路模型进行流动性能仿真 ,为燃油系统管路设计提供快捷的在线流动性能分析功能,可缩减工作量与设计周期,极大提高效率。 1、需求分析与软件架构 1.1 需求分析 软件目标是根据管网元件几何与特性计算出管路的流动性能,因此在 CATIA 中进行管流仿真分析需要 3 类基本信息:(1)导管和零件的几何属性,如导管长度、外径、壁厚、粗糙度、弯角、转弯半径、各种接头几何尺
4、寸等;(2)管路的拓扑属性,如分支信息、连接、连接器7及其前后零件等;(3)管路中可称之为技术参数的属性,如考虑流动时的边界条件、元件特性、流体介质等.在 CATIA 平台下获取上述信息后,即可在 FOCUSS-FS 软件内核中进行计算模型建模和流动分析. 1.2 软件架构 软件架构采用 3 层模型结构,见图 1.真实模型层直接面向用户,即用户在各种 CAD 软件中建立的具体管路模型,流动分析仅需其中部分信息,这部分信息将构成仿真模型层数据基础.仿真模型层为面向流动性能数值仿真的管路仿真几何模型层,仅包含管流数值仿真所需数据,不属于某个特定的 CAD 平台.最底层则为计算分析时建立的管路计算模
5、型层,它由基本计算单元节点和分支组成,面向计算程序.这种 3 层结构既可保证各模块的独立性和通用性,又能提高软件的可扩展性. 基于 3 层模型架构,将软件分为 4 个模块,见图 2.(1)用户界面模块 :用户与程序之间的交互接口,实现信息输入输出.(2)模型信息获取模块:与用户界面模块一样,都位于真实模型层,并从中提取仿真建模所需信息.(3)管路流动计算模块:采用 FOCUSS-FS 软件核心模块,实现管路计算模型建模与分析.(4)数据交换接口:负责仿真模型建模,实现 CATIA 体系和计算体系中管路模型的数据传输. 2、关键技术研究 软件的 4 个模块涉及以下 4 个关键技术问题:元件几何信
6、息获取、管路拓扑信息获取、计算模型建模和分析以及软件架构中不同层次模型的映射等,这也是软件开发的难点. 2.1 仿真模型所需几何信息的获取 获取几何信息的目的是根据文献8对元件进行流阻计算 ,此处将管路中的所有导管及零部件统称为元件.从是否需要获取几何结构信息的角度,元件共分两类:一类需要结构尺寸信息,另一类仅需拓扑关系信息. 第 1 类包含导管和各种简单接头类.导管分为直管与弯管,所需几何属性有区别,见表1.Run 对象表示管路铺设路径,其部分属性代表相应导管属性,如路径信息和内、外径等.Run对象的折点坐标、弯径和弯角由 CAA 中接口 CATIArrNode 获取,而内、外径则可由CAT
7、IRouRoundSection 接口获取. 简单接头类指直接头、弯头和三通等,直接获取其几何数据进行流动性能计算.图 3 为三通接头,接口 CATISpecAttrAccess 可获取其公称直径等属性,根据公称直径可查询出其内径等;接口 CATIPspPartConnector 可获取其端部连接器的几何信息,如坐标、朝向、定位面,由连接器的坐标和方向可计算出各支管长度、支管间夹角和分支交点等.表 2 中各种零件所需几何信息亦采用类似方法获取. 表 2 主要管路零件所需几何信息零件类型几何结构尺寸工艺属性直接头类长度、两端点、内径(出、入口内径,突变尺寸 ,偏心距等*) 弧形弯头弯径、弯角、两
8、端点、内径、延长段长度直角弯头两端长度、两段内径、两端点、交点三通 3 支管长度、内径,3 支管相邻夹角,3 个端点及中心交点四通 4 支管长度、内径,4 支管相邻夹角,4 个端点及中心交点成品件、紧固件等连接点信息粗糙度注:* 指大小头,包含突变、偏心等类型接头额外所需信息. 第 2 类指各种泵、阀等成品附件和螺母、衬管、卡箍等紧固件、支撑件等.前者具有完备的特性数据,直接由供应商取用,后者一般不与流体直接接触,不考虑其对流动的影响,因此这两类元件仅获取其拓扑关系信息. 2.2CATIA 管路模型拓扑信息获取 管路拓扑关系指管路中各元件的连接信息,即元件是否与其他元件相连,与哪些元件相连以及
9、在何处相连等信息.图 4 给出一简单管网示意图,由 7 个元件组成.图 4 中 c2 指三端口元件类,如三通等;图 4 简单管网示意图 c5 指四端口元件类,如四通;其他指两端口元件类,如导管、直接头、弯头等.元件与元件之间通过连接器连接,如图 4 中圆圈.连接器是 CATIA 中在零件上创建的特征之一,专用于与其他零件进行连接,不仅包含第 2.1 节中所述的位置信息,还包含是否与其他零件相连等拓扑信息.管路中元件一般在端口处创建连接器,如 c2 即通过 3个端口连接器分别与 c1,c3,c4 相应连接器相连. 接口 CATIPspConnectable 可以查询与某元件直接相连的其他元件以及
10、通过哪些连接器相连接.接口 CATIPspConnector 可查询某连接器是否已连接,包含该连接器的所有连接以及与该连接器直接相连的元件.通过这两个接口即可对图 4 中管网进行拓扑信息查询,如可查出元件 c3 与 c2,c5 相连及对接位置,还可查出 c1 左端连接器未连接(即 c1 为一边界元件)等.对管网逐个元件进行查询,即可得到整个管网的拓扑信息. 2.3 管流计算模型建模及计算方法 FOCUSS-FS 的计算内核处理为由节点和分支组成的通用流体网络.具有 1 个进口和 1个出口的单向输运元件即为分支.分支流动的特点是在元件中质量流量不变,即进、出口质量流量相同.分支的端点即为节点,节
11、点分为边界节点和内部节点,计算的边界条件即在边界节点中设定. FOCUSS-FS 的计算原理是在节点中建立质量守恒方程,在分支中建立动量守恒方程,由此建立起 1 套计算方程 AX=B,并采用 Newton_Raphson6方法,通过迭代就能计算出各个节点中的压力和分支中的流量、流速等参数,也即可得到各个元件中的流动状态. 2.43 层模型间的映射关系 管路真实模型中包含多种元件类型,管路仿真模型中包含管流计算仿真建模所必需的元件及几何信息,而计算模型中管路仅由节点和具有几何信息的分支组成.要保证仿真模型和计算模型的正确建模,必须在 3 层模型间建立相应的映射规律.真实模型元件到计算模型分支之间
12、的变换共分 3 种情况: 第 1 种情况是真实模型元件与计算模型分支一一对应,如直导管、直接头、弯头、肘管等元件,计算模型中皆有对应的 1 个分支.这种情况下仿真模型元件也只需 1 个元件与其对应.第 2 种情况是真实模型 1 个元件在计算模型中由多个分支串联与之对应,如弯管.不同于CATIA 中的弯管可能有多个直段与弯段,计算模型中的分支或为直段或为弯段 ,因此 CATIA中的弯管需要进行分解.分解方法是在拐弯处截出弯管段,其余部分为直管段,并在截断处建立节点,见图 5.其中,弯径大于 0 的情况下截出的弯管一般为弧形弯管,弯径为 0 情况下截出的弯管一般为尖角弯管.CATIA 中弯管分解后
13、建立的仿真模型元件与计算模型中的分支一一对应. 第 3 种情况是真实模型中 1 个元件在计算模型中由具有支路的多个分支与之对应,如三通、四通等元件.这类元件在仿真模型中有相应元件,但由仿真模型元件创建计算模型分支时,需在元件分支点处将元件分解,将其各个支管分别创建为单独分支,并在原分支点处创建节点.图 6 中三通即按此方法实现由真实模型到计算模型的转换。3、软件与操作流程 软件既可以对单根导管进行流动分析,也可对一般的管路或管网进行流动分析.常见分析情况是给定管路的边界条件,如各出、入口的压力或流量等,求管路中各节点压力分布、流速、各元件流量、损失系数、雷诺数等.软件操作流程简单快捷,可真正实
14、现建模时的在线分析,主要流程如下: (1)在 TubingDesign 中打开管路模型,点击菜单条或工具栏按钮 ,弹出主交互对话框,见图7. (2)点击“选择管件”按钮框选要分析的管路图 7 管流分析主交互界面 (或管网), 程序自动获取各元件属性和连接关系,并建立管路仿真模型 ,同时在 CATIA 模型中标志节点名称,将元件和节点信息显示在对话框中. (3)在对话框中设置边界条件,即设置边界节点的压力或者流量 ,并设置流体介质参数. (4)点击“分析”按钮,软件自动进行计算模型建模,并计算出元件和节点的流动参数,同时将部分参数结果通过对话框反馈给用户,亦可以用文件保存数据. 4、应用实例 图
15、 8 待分析管路以航空燃油为流体介质,对一简单管网进行等温稳态流动分析.图 8 为一由接头和导管组成共有 18 个元件的简单管网,其中包含 1 个回路和 4 个端口.选取管网后,自动建立管路仿真模型,在 CATIA 模型中标志仿真模型的节点名称与位置 (以“*”标注,见图 9),并将元件和节点信息显示在对话框中(图 7).图 9 中 NI 指内部节点,NB 指边界节点,仿真模型建模完成后包含 30 个元件和 34 个节点. 设定流体介质参数,环境温度 293.15K,运动黏度 1.2510-6m2/s,密度 775kg/m3,等温分析导热系数不作要求.在 4 个边界节点上设定边界条件,在节点
16、NB_20 和 NB_21 处设压力,在节点 NB_33 和 NB_34 处设流量,其中负号指流入系统,正号指流出系统,节点温度不考虑(见表3). 分析后即得到各元件、节点待求参数,部分参数在主对话框中显示(见图 7),其中内部节点压力见表 4. 5、结束语 利用 CAA 工具在 CATIAV5TubingDesign 工作台下进行扩展开发,集成管路流动性能分析模块.测试表明能够对在此工作台下建立的管路进行流动分析,从而实现在飞机燃油系统管路建模时的在线流动分析,分析流程简单高效.由于 CATIA 的各种管路模块开发采用的是相同接口,在 TubingDesign 下开发的绝大部分代码只需经过少部分修改即可移植到其他管路建模模块,如 PipingDesign 等,因此软件代码具有较好的通用性.3 层架构的思想使管路仿真模型层和计算模型层能够独立于 CAA 与 CATIA 进行开发,可以应用在更广泛的领域.该研究开发若结合企业标准元件库进行,将会极大提高 CATIA 管路设计效率 ,降低企业成本。
