基于CATIA\CAD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CAA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-FS[6]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CATIRouRoundSection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_Raphson[6]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中弯管分解后建立的仿真模型元件与计算模型中的分支一一对应.