2024年4月25日发(作者：cold)

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CA

D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.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/C

AE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、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C

ATIA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C

ATIPspPartConnector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,c

4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.

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1.25×10-6m2

/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Piping

Design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。