HyperMesh 在叶片结构方案设计中的应用

   1 概述
   
    叶片是航空发动机的主要零件，其形状和载荷复杂，它的强度设计质量直接关系到发动机的性能、耐久性和寿命。而转子叶片是压气机和涡轮中完成功能转换的重要零件，在发动机工作时承受很大的载荷。若转子叶片的强度不足，将产生裂纹、折断等故障。在设计叶片时，首先要进行压气机或涡轮的气动计算。根据计算的气动参数，选取一定的叶型，其次还须确定叶片各个截面的面积和各个截面之间的相对位置。然后进行叶片的强度和振动计算，并根据加工工艺等要求进行修正。为了满足气动、强度、振动、工艺等各方面的要求，且力求重量最轻，上述的计算过程往往要进行很多次，这就需要工程技术人员不断进行有限元前处理工作，这无疑大大增加了工作强度。本文所采用的 Altair HyperMesh 前处理程序是全球公认的功能强大的，涵盖行业最广的有限元前处理器，能够处理高复杂程度的模型，前处理效率和最广泛的求解器接口已经获得了整个行业的承认。作为独立于 CAD 系统和 CAE求解器的产品，它提供了直观且一致的工程环境。同时采用 HyperMesh 前处理程序中的HyperMorph 功能进行叶片罩量调整，大大降低了工程技术人员的工作强度，提高了仿真效率。
   
    2 叶片罩量调整的基本理论
   
    在计算转子叶片的弯曲应力时，必须先分别求出作用在叶片上的气动力弯矩和离心弯矩。以压气机为例，气流流过转子叶片叶栅时，轴向速度有些降低，气流受到两个轴向力：叶片给予气流的轴向力和叶栅进、出口截面处气流压差形成的轴向力。同时若转子叶片各截面重心的连线不与 z 轴重合，则叶片旋转时产生的离心力将引起离心弯矩。于是转子叶片某个截面（如 j 截面）上的合成力矩应等于作用在该截面上的气体力弯矩和离心弯矩的代数和。
   
    一般情况下，气动力弯矩在既定的气动设计下不能改变，因此设计中会调节叶片各截面重心的连线，即改变离心弯矩，使它与气体力弯矩方向相反，互相抵消，使合成弯矩减小，甚至为零。通常将叶片各截面的重心相对于 z 轴做适当的偏移，以达到弯矩补偿的目的，这个偏移量称为罩量。所谓罩量调整，就是合理地选择叶片各截面重心的偏移量，即保证叶片在发动机正常工作状态具有较低的应力，又照顾到在其它各种工作状态下的应力都不太大。总之，罩量调整既要考虑到使叶片各个截面上都得到合适的弯矩补偿，又要兼顾到各种飞行状态，还涉及到叶片的加工和安装问题。
   
    3 叶片六面体网格划分及在 ANSYS 中的计算
   
    文中使用结构设计部门提供的压气机转子叶片三维实体几何模型，在 HyperMesh 环境下完成几何清理以获得规则的几何形状(如图 1 所示)。
   

    3.1 叶片六面体网格划分方法
   
    叶片叶身为光滑曲面，榫头与叶身的连接处形状突变较大。因此，选取单元时，除了考虑位移的插值精度外，还要考虑几何的插值精度，即用高精度的曲边单元去逼近叶片实体的几何形状。通常选用 20 节点六面体单元，这种单元采用二次插值，同时可以逼近曲面边界，所以计算精度较高。由于同样的原因，在划分叶片网格时要充分的考虑叶身和榫头之间网格的过渡方式，保证较高的网格质量。
   
    叶片六面体网格的划分需先在辅助面上建立二维网格（如图 2 所示），该二维网格是叶片六面体网格化分的源网格。同时为了准确按照叶片的几何边界生成六面体网格，须对叶身根部的圆角重新组织（如图 3 所示）。在上述操作基础上生成的六面体网格如图 4 所示。图中给出了不同视角的叶片六面体网格图。