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经典案例
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基于ANSYS的扩压器强度分析

发布于:2016-02-14 19:28
强度分析

      液氧/煤油火箭发动机是新型高空发动机,它是一种无毒、无污染、火药启动的高压补燃发动机。为进行该型号发动机的高空环境模拟试验,需设计加工用于模拟高空环境的试验装置—扩压器。扩压器是大型结构件,结构强度是保证其结构可靠性最重要的指标,因此其强度校核计算是设计中的关键工作。然而,以往对扩压器的强度计算是基于经典材料力学和经验公式,不仅其计算精度难以保证,而且较大的强度裕度也造成了生产成本的提高和吊装难度的增加。本研究利用大型有限元分析AppANSYS9.0,对扩压器的主要部件—筒体进行静态强度分析,准确地描述出其应力场分布,为扩压器的设计加工提供了可靠的理论依据。
      发动机高空模拟试验中,选用空气泄入式扩压器—在发动机喷管出口处与发动机相配,相对于闭式真空舱加扩压器方案,结构简单,安装方便。该扩压器冷却方式采用了夹层强迫冷却,冷却水流向与燃气方向相反。发动机喷管外径为950mm,考虑到间隙调节、试验过程中产生振动等因素,取扩压器直径d=1300mm,以便于发动机喷管与扩压器的插入对接。扩压器的长度对扩压器的性能有一定影响,一般扩压器的长径比选取大于5较为合适。最终选取长径比为6,扩压器总长7.92m,出口端面超出试车间大门1.4m,既满足试车要求,又保证出口燃气不会对试车台造成影响。扩压器的外形结构见图,扩压器采用与发动机燃气流向相反的冷却水供应方式,因为燃气出口端较进口端温度要高。冷却水进口端由三根DN150水管沿切向与集流环焊接,冷却水进入后形成旋转水流,冷却水流动均匀,扩压器最高点与最低点流量一致。出水口与进水口按角度交错排列,以减小压头损失。扩压器出口端面由于冷却水无法达到,设计中采用外喷淋圆环加以解决。在内筒上均匀布置了108个冷却通道,每条通道截面积相等以保证流速和流量相等。
      ANSYSApp是集结构、热、流体、电磁场、声场和藕合场分析于一体的大型通用有限元分析App。ANSYS用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、生物医学等众多领域,并成为这些领域进行国际国内分析设计技术交流的主要平台。一个典型的ANSYS分析过程可分为三个步骤:建立模型,加载并求解;查看分析结果。在有限元分析过程中,第一步是生成能够恰当描述模型几何性质的有限元模型。通常情况下需要首先建立几何模型,然后根据几何模型生成有限元模型。
      扩压器结构形式比较复杂,建立几何模型时若按照实际物体的几何结构来建立,不仅建模难大而且增加了计算量,因此在保证计算精度的前提下有必要对其结构进行简化,以便降低建模难度,节约工作时间。扩压器为大型焊接结构件,由不锈钢板焊接而成,主要包括水管组件、调整环、筒体、吊架、冷却环、集流环和加强筋、环箍和钢带等零部件。其中筒体是大家研究的重点,因此省去一些零部件,如:冷却水进出水管、集流环、冷却环和吊架等,只建立扩压器筒体的几何模型。扩压器筒体为夹层结构,内层为不锈钢筒,外层由槽形撑和焊片焊接构成冷却通道。夹层冷却通道简化为沿圆周上均布的108个柱状通道,扩压器筒体的几何模型见图。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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