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CAD/CAE在轴流压缩机机壳铸改焊结构设计中的应用

田梦远 张建勋 / 西安交通大学材料学院    

Abstract
摘要:本文介绍了基于CAD/CAE的机壳铸改焊结构设计整体思路,并以某型号轴流压缩机为例,阐述了应用Pro/E、ANSYS Workbench及Auto CAD软件,完成机壳铸改焊三维结构设计、力学分析、优化及工程图绘制等一系列工作的过程和方法。结果表明:综合利用各软件的优势,可减小结构设计工作量,提高设计效率和设计质量。
关键词:轴流压缩机;机壳铸改焊;Pro/E建模;结构分析;优化设计;图形转换
中图分类号:TH432.1 文献标志码:B
Application of CAD/CAE on the Structure Design of Converting from Casting Casing to Welding Casing for Axial-flow Compressor
Abstract: This paper mainly introduced the idea of structure design of changing casting casing to welding casing, and with a certain type of axial compressor chassis as an example, which introduces the process and method of the 3D structure design, mechanical analysis, structure optimization and engineering chart drawing design by software of Pro/E, ANSYS Workbench and Auto CAD. The results show that, the effective utilization of each software is helpful to reduce the workload and achieve higher design efficiency and quality.
Key words: axial-flow compressor; converting from casting casing to welding casing; Pro/E molding; structure analysis; optimization design; converting of graphics
0 引言
  轴流压缩机机壳铸改焊已成为风机行业发展的一大趋势[1] 。与离心压缩机相比,轴流压缩机容量大、体积大,在实现机壳铸改焊时,其难度也大。随着计算机技术的发展,在工业制造领域,各种CAD/CAE/CAM软件的应用非常普遍,在风机制造中,利用Pro/E软件可以完成复杂的压缩机叶轮的三维造型[2] ;采用三维CAD展开放样使得下料速度快、精度高且效果好[3] ;基于SolidWorks软件的二次开发,可以完成离心通风机不同零部件的参数化建模[4] ;利用有限元软件可以完成大型焊接机壳的静态、动态结构分析[5-7] 。同样,在轴流压缩机机壳铸改焊结构设计中,高效、可靠的CAD、CAE软件的选择和应用为设计带来了很大的便利。
  本文综合利用Pro/E、ANSYS Workbench 12、AutoCAD这三种软件的优势,依据“三维结构设计-有限元分析-自动优化-三维结构确定-工程图绘制”的工作流程,以较少的人力和资源完成了某型号轴流压缩机机壳铸改焊的设计。结果表明:设计周期短、效率高、结构安全可靠且耗材少。
1 设计思路及解决方案
  在压缩机机壳铸改焊结构设计前,通常掌握的资料只有机壳的铸造结构工程图。
  直接凭借经验和想象开始焊接机壳工程图的绘制很难进行,其间会出现构件形状不当、尺寸冲突等问题,在二维图中修改繁琐,而三维模型看起来直观易懂,通过参数化建模修改也很方便。目前Pro/E常用的三维建模软件之一,其基于特征、采用参数化技术、全数据相关的特点为结构设计带来很大便利[8] ;其还与多款CAE、AutoCAD软件具有良好的接口性能,避免了软件交叉使用带来的麻烦;因此,在机壳铸改焊设计中,首先要利用Pro/E软件建立完整的焊接机壳三维模型。
  结构初步设计完成后,经过校验分析,性能符合要求才能投产。设计人员多采用经验设计,通常通过选择大的板厚来保证性能,不可避免地造成材料浪费,设计的结构一般也不是最优。使用有限元分析软件ANSYS Workbench,可以直接将Pro/E模型导入进行分析,操作过程简单,即使不具备丰富的有限元知识的人员也能从事分析工作,这样设计人员就可直接根据分析结果修改设计方案;Workbench中的自动优化模块(Design Exploration)可对任何设计变量进行多目标优化[9] ,寻找最佳设计方案,避免经验设计和优化的盲目性;因此,在机壳三维结构设计完成后,将模型导入ANSYS Workbench中进行一系列的分析和优化工作,完成机壳的最终设计。
  机壳三维结构确定后,最终还要转换为工程图。Pro/E中虽有工程图绘制模块,但其操作不太方便,且不符合国家标准;因此,选择将模型导入AutoCAD中进行工程图的绘制。
根据以上分析,机壳铸改焊结构设计的具体研究流程见图1。

2 铸改焊结构设计案例
  下面以某型号轴流压缩机机壳铸改焊结构设计为例,介绍设计中的一些关键问题和处理方法,综合体现各软件在设计过程中的应用。
2.1 焊接机壳三维结构初步设计
  该环节要完成焊接机壳模型的建立,使其从结构效能上满足与铸件的互换性。
2.1.1 铸件结构拆分
  根据铸造图纸,焊接机壳仍采用上下水平剖分式。整个机壳大致需拆分出几十个部件来拼焊,其中主要部件有外壳板、进排气筒、中分面法兰和承缸支撑板等。
2.1.2 机壳零部件绘制

  在零部件绘制前,需先选定统一的坐标系,避免装配时的混乱。零部件的三维实体建模主要包括以下几个关键步骤:
  1) 启动Pro/E,进入零件设计模式。选择建模单位为mm,与工程图保持一致;
  2) 分析各零件形状特点,确定特征创建顺序。良好的特征创建顺序将为结构的稳定性、可修改性带来很大便利;
  3) 创建与修改零件的基本特征,并基于基本特征,顺序创建其他构造特征;
  4) 零件所有特征创建完成后,保存零件模型。所有的零件模型文件保存在一个文件夹下,清晰命名,便于最后装配。
  根据焊接结构的特点和压缩机机壳的功能需要,其部件多设计为不同尺寸、不同截面的板状,少有复杂曲面。三维造型采用参数化设计,先在草绘平面绘制出尺寸正确的平面图,然后用一些基本的特征表达手段,如拉伸、旋转、钻孔、阵列等操作来完成各零件的造型和细节特征。对于进排气筒这样的不规则结构,还要用到曲面造型、元件切割等较复杂操作。
2.1.3 机壳装配
  机壳的装配在Pro/E的组件模块中完成。机壳装配的过程既是完成其整体三维模型创建的过程,也是检验各部件尺寸、结构准确性的过程。
  在装配时,尽量以组件界面中的主坐标系为参照,若以其他零部件为参照,则该部件改动后,依附其安装的其他部件都会受到影响。由于互换性要求,焊接机壳中很多部件的位置是不能改变的,如承缸支撑板、机壳支撑座等,装配时就先将这些部件安装定位,其他部件再依序进行。
  装配完成后使用工具栏中的“干涉检查”和“间隙检查”对机壳装配体进行检查,避免由于零件尺寸、形状不正确导致的互相渗透或接触面分离,从而保证结构的完整性和正确性。图2为完整的下机壳焊接结构装配图。

2.2 焊接机壳静力分析及结构优化
  初步设计的焊接机壳只是结构上满足互换性,但其性能如何、是否有优化空间,需基于有限元数值分析和优化来解决。该阶段工作主要在ANSYS Workbench 12环境下进行,同时需要Pro/E模型的交互传输。ANSYS Workbench中的结构分析和优化流程见图3。

2.2.1 机壳几何模型简化
  包含所有细节特征的机壳模型是难以进行网格划分和有限元分析的;因此,在Pro/E模型导入Workbench前必须进行合理的简化,具体工作包括:
  1) 在结构分析时认为焊接质量良好无缺陷,将焊缝材料等同于机壳材料,忽略焊缝建模;
  2) 删去了多处仅作为辅助连接而非重要受力部位的零部件,如外壳板上各种测压管道、平衡管道连接板等;
  3) 机壳装配后,总机壳看成一个整体,忽略中分面法兰上预紧螺栓的连接特征和机壳支撑座与机壳底座的螺栓连接特征,在有限元分析时在支撑座底面加载理想的位移约束;
  4) 删去各处螺栓孔、螺钉孔等,减小网格划分难度;同样,在能真实反映零部件结构特征的基础上,对一些工艺上需要的倒角、凸面、小体、小转折面等细节特征也不予考虑。
2.2.2 建立参数尺寸驱动关系式
  参数化建模是结构优化得以进行的前提,其通过尺寸驱动来实现。把待优化的设计变量作为原始尺寸,它们在优化过程中的每次更改都可通过尺寸关系式驱动其他相关尺寸改变,从而使机壳结构不断的重绘、循环分析。
  Pro/E软件中,参数的设定和尺寸关系式的建立在工具栏中“关系”选项下进行,图4是机壳部分设计参数的名称和尺寸关系式截图。

  Pro/E中参数名默认以d开头,但只有以DS为前缀的参数才能导入Workbench中作为设计变量;因此,需在Pro/E中将待优化变量的参数名进行前缀添加或重命名,使其能导入Workbench中且易被识别。图4中的DS_D1、DS_D2、DS_D3就是自己创建的三段外壳板板厚参数,由于最初外壳板建模时,采用的先草绘内外半径,然后拉伸的特征操作,并无板厚这个参数;因此,要建立如下尺寸驱动关系式:
          D36:68=DS_D1*2+3 600   (1)
式中:3 600为外壳板内径尺寸;D36:68为外壳板外径尺寸参数,通过该关系式,就能在内径不变的前提下,通过DS_D1的改变驱动D36:68改变,从而重绘外壳板模型。其他参数和关系式的作用与此类似。
2.2.3 机壳有限元网格模型的建立
  简化后的机壳Pro/E模型可直接导入Workbench的几何建模模块Design Modeler中,结果表明,这两款软件接口性能极佳,对机壳这样的大型复杂结构,导入后未出现几何特征的缺失或变形。在Design Modeler窗口中以DS为前缀的所有参数名都会以列表形式显示,勾选上就可作为设计变量在后续进行优化。
  Workbench软件有自带的材料库,用户也可根据需要新建材料属性,焊接机壳材料为Q345C,前处理时在材料库中选中该材料即可赋予模型材料属性。
  机壳为复杂的大型结构,分析时只有选用三维实体单元才能逼真的模拟其实际受力状态。四面体单元SOLID187和六面体单元SOLID186都是常用的实体单元,在机壳划分时采用单元混合的划分方法,综合发挥这两种单元的优势,达到了很好的网格划分效果。
  网格尺寸大小对结构分析的精度和效率都有重要影响,经研究发现,针对机壳这样的大型结构,100mm左右的网格尺寸便能得到可靠的计算结果,同时保证高的计算效率。  Workbench中,通过在Mesh选项上插入smart size操作可控制网格的大小,总机壳网格模型见图5。

2.2.4 机壳有限元分析及后处理
  建立机壳网格模型后,在同一窗口中,根据机壳实际受力情况(主要包括机壳自重、承重、压力载荷以及六支撑自由度约束)进行边界条件设置,同时设置后处理选项(应力结果、变形结果、路径操作等),点击solve按钮进行计算,即可得到机壳详细的分析结果。图6显示了总机壳Y向变形的主剖视图。

2.2.5 机壳优化设计
  机壳首次静力分析后,得到的应力、变形结果,包括机壳质量,都可作为输出参数进行优化。
  Workbench12中优化模块与结构分析是在同一界面下的,双击优化模块Design Exploration下任意需要的优化工具项即可展开优化设计,图7所示为利用响应曲面和目标驱动技术进行的下机壳优化设计项目图。Parameter Set中能看到所有设计变量和输出参数的设置情况;从Response Surface中可以得到设计变量与目标函数的响应结果,该结果可通过响应曲线、响应面云图、灵敏度等多种形式显示,图8即以响应曲线形式显示的所有设计变量与某一目标函数的响应情况;Goal Driven Optimization中可以用目标驱动技术得到各优化候选方案。

  利用上述自动优化技术,对下机壳14个板厚分三组进行了尺寸优化,之后将优化结果对称用到上机壳。结果表明:优化后的方案在保证机壳变形量基本不变的前提下,总机壳减重约7t,达到了很好的优化目的。
2.3 机壳工程图绘制
  Pro/E与AutoCAD间也有很好的数据传输性能,将机壳在Pro/E中的工程图导入AutoCAD中再进行编辑修改,可以保证绘图的准确性且大大减少绘图工作量。
2.3.1 Pro/E配置文件设置
  为使Pro/E工程图向AutoCAD转换时保证等尺寸输出,需提前在Pro/E的“工具→选项”中将配置文件config.pro进行修改:
  选项default_draw_scale,值=1,即工程图中缺省的绘图比例为1:1;
  选项dxf_out_drawing_scale,值=no,即输出为DWG或DXF时包含比例因子;
  选项dxf_out_scale_views,值=yes,即输出为DWG或DXF时不管工程图中的比例,自动重新缩放为1:1;
  选项pro_unit_length,值=unit_mm,即长度缺省单位为mm。
  其次要对Pro/E工程图配置文件prodetail.dtl进行设置,此文件在安装目录下的“text”文件夹中,把它以记事本的方式打开,在其中输入如下两行内容:
  draft_scale 1.0,设置视图比例为1;
  drawing_units mm,设置绘图单位为公制。
2.3.2 机壳工程图绘制
  完成Pro/E配置文件设置后,就可以方便的进行机壳零部件及装配图向AutoCAD工程图的转换,具体过程为:打开机壳三维结构图→新建“绘图”(此窗口下可插入各视图投影,进行显示设置等)→保存副本(DWG格式)→在AutoCAD中打开该文件,之后便是常规的编辑修改,包括线型修改,标注、中心线的添加,虚线的删减等,直至得到符合要求的标准工程图。
3 结论
  采用Pro/E参数化建模,模型直观易修改,且可方便的导入其他软件中应用;用ANSYS Workbench进行结构分析,其前处理、分析及后处理过程都简单明了;结构分析后用Design Exploration可直接开展结构优化设计研究,该模块使得大型结构、多设计变量、多目标优化得以方便进行;Pro/E工程图与AutoCAD的转换使得整套机壳工程图的绘制不再困难。
  总之,在轴流压缩机机壳铸改焊结构设计中,综合使用Pro/E、ANSYSWorkbench、AutoCAD这三款软件,发挥其各自的CAD、CAE优势,使得整个设计过程流场、便捷,设计结果准确、可靠,大大减小设计人员的工作量,提高了工作效率和设计质量。

参 考 文 献

[1] 姜国栋,史晓云,谷传纲.新型轴流压缩机的开发研究[J].风机技术,1998(6):9-13.
[2] 姚姗姗,王军,王录.基于Pro/E的离心压缩机叶轮三维造型[J].风机技术,2008(1):57-59.
[3] 黄正,姜宏飞,刘宏伟.三维CAD软件在结构件展开中的应用[J].风机技术,2007(3):44-46.
[4] 张师帅,秦松江,仇生生,等.基于SolidWorks的离心通风机参数化建模[J].风机技术,2010(3):43-46.
[5] 苗福源,肖继明,袁启龙.大型轴流压缩机焊接机壳的静态有限元分析[J].机械设计,2007(7):60-61.
[6] 肖继明,穆生.大型轴流压缩机焊接机壳 的动态特性分析[J].机械设计,2009(9):43-46.
[7] 苗福源,肖继明,李言,等.大型轴流压缩机焊接机壳结构特性有限元分析[J].西安理工大学学报,2007(2):191-195.
[8] 孙江宏.Pro/ENGINEER参数化建模与案例分析[M].北京:清华大学出版社,2007.
[9] 浦广益.ANSYSWorkbench12基础教程与 实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2010.

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  评论人:不锈钢网   打分:0 分  发表时间:2015-8-9 11:08:46
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