Industry Solutions

航空发动机行业解决方案

aircraft engine solutions

R & D process difficulties and Solutions

研发流程难点及解决方案

  透平机械客户需求收集及系统指标分解 项目背景及目标:       某用户借助新一代发动机开发的目标设定咨询项目来建立科学规范的目标设定体系,提高产品规划的能力;       本目标设定项目覆盖从客户需求收集(VOC)到发动机开发的目标设定, 通过项目咨询学会发动机开发目标设定的方法,主要是QFD方法,达到发动机产品目标设定的国际化和科学化;       结合专业的目标设定(Target Setting)软件和操作培训,固化项目过程所有知识及流程,并形成模版库,XX团队以后可以用软件进行产品规划目标设定;       项目实施流程和方法: 确认需求对象: 获得客户关键需求和重要度排序 做出发动机的系统设计指标: 获得发动机设计指标重要度排序和推荐值:
  透平机械性能虚拟样机管理       某商用航空发动机客户应用C-SDM虚拟性能样机管理系统搭建航空发动机产品虚拟样机库,目的在于积累和管理产品性能大数据,提前对性能仿真和试验做出合理规划,并能在新产品设计过程中,利用高精度的虚拟样机及仿真规范对新设计进行精确快速的性能预测。 性能分解金字塔       SimV&Ve C-SDM 性能虚拟样机管理系统可以帮助用户建立起透平机械的性能层级分解金字塔,这个金字塔中会涵盖透平机械研发中所有关心的性能模型,不同层级之间用连线表示层级验证关系。用户实现了“自顶向下分解,自底向上验证”的性能金字塔。 虚拟样机管理以及创建仿真和试验任务 在建立的仿真金字塔中,使用了不同颜色标签显示仿真标签中是否具有仿真模型和虚拟样机,只有具备置信度数据的才是虚拟样机;用户非常清晰知道哪些仿真和试验任务需要创建,哪些仿真模型还未经过验证; 用户在金字塔上选中任何一个标签,都可以创建仿真和验证任务; 创建的仿真和验证任务,和已经具备的标杆虚拟样机一起,分配给相关任务的执行人。执行人可以利用标杆样机和仿真规范,快速进行新的仿真和验证任务; 试验的规划和仿真的规划可以同时进行,因为试验必须是可实现的,同时可以用于验证仿真的性能能够达到设计目标。 仿真建模和验证个人工作区 每个用户进入到个人工作区,可以查看当前登录用户的所有待办任务 每个任务根据处于不同阶段显示不同的信息,可以进行不同的操作 虚拟样机库建设情况监控 通过可配置的监控工具,仿真负责人可以从型号、学科、部门、层级等维度,清晰掌握产品虚拟样机的建设情况。 虚拟样机应用 用户建立的虚拟样机具有三个关键输出,利用这三个输出,用户可以方便快速准确地进行新产品的性能仿真预测: 仿真结果:针对已经验证的,具有一定置信度水平的仿真模型和结果 仿真规范:是企业最核心的性能仿真知识,量化了企业建立一定工况和目标下,如何建立某一类高精度仿真模型的所有规范 仿真模板:利用模板工具对仿真规范的直接集成,利用仿真模板,仿真人员可以自动或者半自动获得高精度的仿真模型及仿真结果
      联合研发中心可为重大透平机械提供数值化解决方案,涉及仿真流程、仿真准确度校核、设计软件体系和培训,助力企业和院所开发研制高端透平叶轮机械,主要包括: 透平机械的水力/气动设计、叶型开发、计算流体动力学(CFD)分析与优化,包括:涡轮、压缩机、泵等; 多机组高等转子动力学计算、仿真、分析与振动评估; 透平机械关键零部件的动静强度三维数值仿真计算与可靠性分析; 焊接制造变形计算、强度分析,以及热处理和组织结构预测。 技术服务和培训支持: 计算机辅助设计(CAD):AutoCAD、SolidWorks、UG、Pro-E、Catia等; 计算机辅助工程(CAE):Fluent、Abaqus、Marc、CFX、Numéra、Sysweld,cfturbo、ARMD、dyrobes、axstream、fesafe、altair、Qblade、Xfoil等; 自主开发程序:转子动力学分析程序及软件Rotor-bipt、叶轮及蜗壳设计程序与软件blade-bipt、轴流透平设计程序与软件turbo-bipt等。 仿真计算工程服务:       联合研发中心可以为用户提供的仿真计算包含以下软件工具:
  透平机械设计优化咨询及实施        基于多年的流程及工具经验,联合研发中心可协助用户建立以下透平机械的完整设计及优化体系:        风机(轴流/离心/混流/子午加速)开发与数值化设计体系。 涡轮(燃气轮机/烟气轮机/蒸汽轮机)数值化设计体系   泵/水轮机/水力透平数值化设计体系 高速冲压涡轮/风力机/海洋水力涡轮数值化设计       风力机和冲压涡轮都是利用风能进行发电或驱动其他设备的透平叶轮装备,在气动上不可压、变桨和远场特性,使叶型难度增大。联合中心综合了传统设计方法,结合三维气动数值仿真技术和自主研制的基于matlab二维叶型设计程序开发出风机机数值化设计体系,如下图所示。 透平膨胀机/涡轮增压器/空气循环机数值化设计体系        压气机与膨胀机涡轮一体化是透平膨胀机、涡轮增压器和空气循环机的典型结构,研制开发该类新型叶轮机械除了单个透平叶轮的气动设计和强度校核外,更重要的是两个叶轮的相互匹配问题、轴系的转子动力学问题。联合中心开发的数值化体系平台和解决方案,主要包括匹配参数选取、三维气动仿真分析准则和转子动力学评估方法,数值化体系如下图所示。
透平机械多学科仿真及优化 多学科联合仿真模板:       利用Comet多学科联合仿真工具,某动力企业实现了其关键叶轮部件的多学科耦合计算,完整考虑了流场、热和振动多个因素影响下,最终叶片的结构应力和疲劳特性,并实现了多学科仿真模板的自动运行。 抽象建模技术支持多设计方案的快速仿真:       该多学科模板不仅能自动运行,而且由于Comet软件特有的抽象建模专利技术,该模板能够完成不同方案、不同拓扑、不同工况的叶轮的多学科仿真过程,大大降低了企业每次针对不同型号叶轮进行仿真分析的时间周期。  
透平机械CAE参数化模型库建设 项目背景:       某动力机械企业的有限元建模,尤其是叶轮建模在整个有限元分析工作量中占70%~80%左右,因此,如何快速、准确、高质量地进行自动化进行参数化有限元建模,一直是有限元建模的研究方向。       安怀信为用户基于已有的三维CAD模型,提供了参数化CAE模型库建模咨询服务,实现了: 基于用户已有的有限元分析建模软件和分析要求,开发符合企业分析要求的自动化仿真分析流程模板和参数化CAE模型库系统平台; 用户在无需打开CAD设计软件的情况下,通过修改系统界面设计参数即可自动变更或生成CAE前处理几何模型; 定义好的仿真分析流程模板自动生成相应的包含求解设置和工况条件的有限元网格模型。 参数化CAE模型库给企业带来巨大价值: 提高有限元分析效率:基于仿真分析流程模板快速生成包含求解设置和工况条件的有限元网格模型,极大提高有限元建模效率; 保证有限元仿真分析精度:CAE参数化模型库集成了企业内部仿真部门经过验证的的规范和经验,其保证不同分析工程师得到的仿真结果是一样的,保证了仿真分析的精度; 提高有限元模型的重用性:参数化CAE模型库的仿真流程模板基于抽象模型(虚拟模型)创建,可适用于不同的前处理几何模型,提高了CAE模型的重用性; 加快市场响应速度:对于快速投标项目,三维参数化CAE模型库可在原分析三分之一左右的时间内可完成相应产品的仿真分析,占得投标先机; 提高仿真部分在企业内部的地位:通过参数化模型库的建立,加快了仿真分析的效率和精度,提高了仿真部分在企业中的地位和作用。
透平机械正向方案设计平台 需求背景:       透平机械正向研发方案设计过程中,既要考虑客户需求和指标分解,又要利用总体指标计算工具Gasturbo,CFturbo,axstream等进行总体指标计算,还需要建立三维CAD模型,并利用结构/流体/热/转子动力学/疲劳等多学科三维仿真工具进行仿真验证、优化和迭代,最终还需要考虑产品的可制造性、可靠性、加工成本等设计可达性DFX问题,因此,需要建立一个正向方案设计的平台来支撑如此庞大的方案设计迭代过程。       Co-Co系统是安怀信公司为企业搭建“正向设计研发环境”的强大载体,通过与QFD需求收集和指标分解系统、快速参数化设计CAD系统、高精度仿真虚拟样机系统、DFX设计可达性系统的集成,Co-Co可以为企业搭建起完整的正向方案设计研发环境,实现自主快速创新设计可能,并积累相关数据和经验。 实现价值: 平台可根据设计指标要求,调用后台的三维CAD模型库和CAE模型库,快速敏捷的生成满足需求的三维布局方案模型,提升敏捷设计的能力。 可快速方便调用各种总体参数计算自研程序,快速完成产品总体系统设计参数的性能及技术指标进行验证和优化; 通过集成虚拟样机库中的有限元模型、流程模板、仿真规范等,快速完成产品的模态、强刚度、CFD等性能及技术指标的验证和优化; 中车某企业的Co-Co快速动车组方案设计平台: 主界面中包含方案设计所有流程节点,且节点和任务可以分解给不同设计仿真人员来分别完成; 集成了设计指标体系,设计目的在于满足各级QFD设计指标; 集成车体设计总体参数,总体设计人员只需在界面中输出各参数即可自动生成方案设计CAD模型; 平台集成了各数学计算程序,完成限界、重量管理、曲线通过等一系列计算,并确认总体方案可行; 集成了各自动仿真分析模板,方案CAD模型可快速进行静动力、气动等仿真分析,满足动车规范中的性能要求; 进入详细设计过程后,主要部件的设计方案,都可调用集成的DFX规则检查库,自动进行方案的可制造性、可维护性、加工成本等规则检查。 通过与DFX设计可达性系统的集成,快速验证方案设计的可制造性、可靠性、可维护性、制造成本等一系列指标。
透平机械数学/控制系统模型修正和试验验证 项目描述        某航空发动机可交互针对燃油系统数学仿真模型的验模需求,对所建立的数学模型进行V&V研究。利用试验数据对仿真模型的参数进行标定,使数学模型的仿真结果与试验结果的误差小于10%的精度要求。        本项目研究的数学模型包括:Matlab\Simulink和LMS AMESim模型。利用SimV&Ver Math的验模软件,直接集成Simulink和AMESim模型,并且可以解析该数学模型中的模型参数。在SimV&Ver Math软件中,可以搭建各种分析工作流程,研究模型的参数灵敏度、仿真和试验结果的精度、仿真模型输出结果的概率分布图等。包括: 参数敏感性分析工作流程; 仿真模型精度校正流程; 仿真模型置信度分析流程。   数学仿真模型分层和数学模型创建 层级模型精度修正结果       进行数学模型的精度校正分析,利用试验数据对仿真模型进行参数修正。选取对仿真结果有重要影响的高灵敏度参数作为修正参数,以仿真结果和试验结果的误差作为目标函数,利用SimV&Ver Math的优化算法,进行精度校正,使仿真结果和试验结果的误差满足小于10%的精度要求。 航空发动机燃油系统数学模型验证价值总结 帮助企业建立起基于V&V思想的仿真模型分层理论,并构建航空发动机燃油系统仿真模型的验模层级; 对燃油系统的层级模型进行分层验模,依次研究部件级、子系统级、系统级别的数学模型,量化并提升各个层级数学模型的精度水平; 通过逐层验证,提高复杂系统级仿真模型的置信度,帮助设计人员建立起对仿真的信心。 对经过V&V验证的仿真模型建立高精度数学模型库,形成产品的层级金字塔虚拟样机库,建立仿真知识库。
透平机械有限元模型仿真和试验验证       动力学模态仿真和试验验证:       利用SimV&Ver Vibrant动力学验证工具所携带的振动测试硬件,可以进行振动试验获得发动机或叶轮机构的振动模态ODS模态结果。 SimV&Ver Vibrant可以帮助用户从外部导入试验结构的FEA模型,并求解其分析模态振型。该模块可以使用图形或数据形式,对FEA模型结果与实验结果EMA直接进行对比,并通过调整FEA模型的任何参数,对FEA模型进行修正,使之最接近于实验数据结果 静力学强度仿真和试验验证: 以下是SimV&Ver Statics静力学仿真验证工具进行产品静力学验证的流程: 首先在一致性分析CAST模块中,读入需要修正的仿真模型和结果,并根据初步仿真的结果,在仿真结果文件上直接点选试验测点,并自动生成试验大纲,发布给试验人员 试验人员根据试验大纲进行试验,获得试验数据,传输回CAST模块 CAST模块会自动读取和转换测点试验结果数据,并自动匹配仿真模型相应节点,进行结果的一致性检查。如果仿真结果置信度足够高,则直接进入虚拟性能样机库,否则继续进入Updating修正模块 Updating修正模块中,将会对仿真模型进行自动化模型自检、网格验证、求解器验证、参数敏感度分析、理想化假设验证等一系列自动验证工作,最终结果与试验结果再次进行一致性检查。置信度达到要求进入虚拟样机库,否则继续进行UQ不确定性量化分析 UQ模块中,目前可以考虑输入参数的概率分布,以及其导致的仿真结果的概率分布和偏离,以概率的方法,确认仿真模型置信度区间是否可以接受。如果可以接受,则进入虚拟性能样机库       某动力行业客户,利用SimV&Ver Statics静力学仿真验证工具,对其叶轮进行强度试验方案设计,以及试验结果与仿真结果的对比和修正,并自动生成了仿真及验模报告,大大提高了仿真和验模的效率,提升了仿真模型的准确性。       利用SimV&Ver其他专业验模工具,还可以进行气动、热、电磁等领域的仿真验证工作。
透平机械设计可达性检查DFX系统 商用发动机集团案例背景       航空发动机产品零件种类和数量都非常的庞大,需要考虑的工艺也比较多,产品的技术研制难度大,尤其是对于商用航空发动机产品来说质量要求较高,研制生产周期要求缩短,对产品的成本控制要求严格,这样就要求在型号研制前期召集大量的有丰富经验的工艺、生产工程师参与到产品的研制过程中,辅助产品设计师从产品设计源头尽早发现和解决产品零件加工、部件装配及总成等各阶段可能存在的可制造性、装配性、成本等相关工艺性问题,提高产品型号设计成熟度,尽可能接近设计一次成功。 存在问题和瓶颈       目前商发在进行商用航空发动机型号研制过程中,设计工艺审查仍然依靠各制造分厂的相关工艺工程师基于产品二维图纸进行,这种协同模式下存在如下问题: 商发研发部门与各分厂技术人员为异地办公,很难满足实时工艺审查需求; 产品模型在三维与二维多次转换过程中很难避免出现人为理解误差; 大多没有工艺背景的研发人员工艺、生产经验不足,没有足够的工艺知识支撑很难在产品设计早期保证其设计质量。 DFX解决方案       针对商发的问题主要实施了如下解决方案:       整体解决方案   根据商发发动机产品研制特点,集合设计、工艺及生产经验丰富工程师一起建立统一的设计工艺规范指南;   在各分厂技术人员的协助下完成机加、钣金、铸造、装配、弯管及增材制造等相关设计工艺规范指南标定形成数字化规则库; 下图是DFX系统中具备的9类检查规则库:   利用设计工艺自动化审查工具DFMPro辅助设计工程师在产品研发早期进行工艺性审查并自动生成DFX分析报告。 客户价值 设计工艺规范标准化—为异地办公的研发、工艺及生产工程师建立起统一的设计工艺判定标准,搭建了顺畅的沟通平台 设计工艺审查实时化—研发人员在进行产品设计时可实时进行工艺性问题检查,大大缩短产品研制周期 应用智能工具代替传统的人工审查模式,显著提高工作效率 知识驱动—通过设计工艺数字化规则库的定制扩展,建立企业最佳实践经验总结和继承机制,将个人经验规则化形成本企业固有的知识,实现企业知识整合和再利用。
透平机械三维工艺CAPP系统 案例背景:       航空发动机制造是工业体系中的皇冠, 具有高技术,高投入、高风险、高壁垒的特性;发动机研究和发展工作的特点是技术难度大、耗资多、周期长,工艺是制约航空发动机技术的关键,新理论、新材料、新工艺需要长期积累。 航空发动机企业,利用PI 3D三维CAPP系统,可以建立航空发动机制造工艺体系,实现三维设计到三维工艺、三维制造的一体化。 以发动机前机匣为例,用户建立了三维CAPP相关工艺流程如下: 客户价值: PI 3D三维CAPP系统帮助客户实现了如下价值: 设计与工艺统一在三维平台上,直接进行面向制造过程的设计,改变传统的二维工艺设计模式; 打通设计、工艺、制造的三维数据链,形成单一数据源,解决传统的设计、工艺与制造中存在的信息孤岛问题; 向各类管理系统(PLM、ERP、MES)提供全三维工艺数据,实现基于模型定义(MBD),为基于模型企业(MBE)打下基础; 全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平,为智能制造做好准备