冲压转子是旋转冲压发动机的核心部件,如何实现对冲压转子在不同运动状态下的强度分析则极为必要。一般来说,静力学分析能够保证一个机构可以承受一定的稳定载荷,但当机构受到运动载荷时,就需要对其进行动力学分析。
常见的分析软件主要是机械系统动力学分析软件ADAMS和有限元分析软件ANSYS。然而这两种软件也各有其局限性:前者分析对象以刚性体模型为主,后者以柔性体模型为主。实际上,把机构当作刚性系统来处理,分析时不考虑其变形情况,这在大多数情况下可以满足要求,而在一些需要考虑构件变形的特殊情况下,完全把模型当作刚性系统来处理时就不能达到精度要求了,必须把模型的部分构件当成可以产生变形的柔性体来处理。
对于旋转冲压发动机的核心部件—冲压转子而言,应该考虑其变形情况,因为这直接影响到气体的流速、流向、压力等问题,从而影响了旋转冲压发动机的转速及效率。因此,为得到冲压转子的考虑变形情况在内的动态载荷,避免在有限元分析中考虑边界条件的麻烦,也为使得计算结果具有实时性,更具有参考价值,本研究将ANSYS与ADAMS两个软件结合使用,充分利用两者的优点及两种软件间数据传输的便利,完成冲压转子的有限元分析。为了判断得到影响冲压转子强度的主要因素,本研究首先分析了冲压转子在仅受机械载荷时的应力分布情况,在此基础上完成了其机械-气动-热力耦合分析。
在尽可能保留原有结构形式的基础上,对冲压转子的结构进行必要的简化,并选取铝合金作为冲压转子的材料,其弹性模量2.1Xe5,泊松比0.33,密度7850kg/m3,建立冲压转子的有限元模型如图所示。通过ANSYS对冲压转子进行模态分析,得到包含零件材料、节点、单元和模态信息的模态中型文件。同时,本研究采用Solidworks作为建模工具,完成旋转冲压发动机机械系统模型的建立,采用Parasolid格式导入到ADAMS中用以形成旋转冲压发动机机械系统虚拟样机,如图所示,再将在ANSYS中生成的模态中性文件导入到ADAMS中,生成柔性冲压转子,并替换刚性冲压转子。通过动力学仿真得到旋转冲压发动机在完成加速-匀速-减速一个工作循环过程中的动态载荷,并将其以FEAloads形式导出,为后续的有限元分析作以准备。
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