向导式发动机组件仿真的开发包括仿真流程开发及界面开发。仿真流程的实现通过以几何模型为对象^[8-9],对其关键几何及拓扑结构进行提参,形成参数化的脚本,然后运用参数化脚本文件及发动机零组件的仿真文件作为界面开发的回调及批处理调用。实际开发过程中,使用SCDM(SpaceClaim DesignModeler)+ Mechanical的组合开发模式,即向导(Wizard)的方式开发仿真流程。利用SCDM的直接建模能力和丰富的CAD接口、模型修复功能和脚本建模能力,为Mechanical分析提供所需的几何模型输入,完成从几何建模或导入、Mechanical前处理、仿真求解和后处理报告的自动化仿真过程,固化整个仿真分析流程。

界面开发通过XML定义向导界面,定义流程的输入输出参数,定义文本框、下拉、浏览等控件,并声明调用仿真流程界面实现的回调函数,实现输入输出参数的替换,WB界面交互操作的调用等,需要调用仿真文件时通过批处理命令完成调用。在仿真分析完成时读取结果完成报告并更新向导界面参数显示。向导式发动机组件仿真流程开发流程如图2所示。

图2 基于向导式的发动机仿真流程开发流程
Fig.2 Engine simulation process development process based on wizard

通过访问对象的方式将界面中的各种操作转化成代码,执行代码并设定相应的参数,可实现向导式发动机组件仿真流程开发。以Mechanical为例说明实现ACT访问Mechanical结构树的功能。

Mechanical对象结构树通过ACT访问Mechanical结构树时,ExtAPI.DataModel.Project是所有对象的根节点。脚本对象访问遵循和Mechanical结构树相同的结构,访问所有子节点上的对象及选项。如访问Mesh对象,输入ExtAPI.DataModel.Project.Model.Mesh。采用相同方式访问模型所有第一级对象如Geometry、CoordinateSystems等。除了Environment对象(如边界载荷、后处理等)之外,结构树中的所有对象都遵循单例模式,即第一级对象的实例对象不可能同时存在两个。Environment对象作为第一级对象的子对象,存在一个或多个实例对象,不存在直接的访问点。如添加多个Pressure载荷,访问这些对象,就必须通过Children属性或GetChildren方法访问。Mechanical对象结构树与应用结构树之间的对应关系如图3所示。

图3 Mechanical对象结构树与应用结构树之间的对应关系
Fig.3 Correspondence between the mechanical object structure tree and the application structure tree

针对发动机组件仿真流程特点^[10-12],仿真分析流程中的界面开发通过XML的方式实现。在向导式发动机组件仿真流程开发过程中采用XML方式实现。XML界面开发过程包括:界面代码开发、后端代码回调、界面布局设计3个部分。

以发动机组件的多个仿真分析向导流程为例,给出发动机组件仿真分析向导的构建过程和仿真实现。

向导封装静强度分析过程中的模型导入、边界类别定义、网格划分、物理模型、边界、求解、后处理功能,以向导的方式引导完成以上仿真分析过程。此向导是由模型导入向导、网格划分向导、求解设置等向导组成的混合向导,集成多种向导为一个强度分析向导完成强度分析计算(见图5)。

图5 发动机组件结构强度分析工作流
Fig.5 Engine component structural strength analysis workflow

表1 发动机组件结构强度分析向导输入输出参数
Tab.1 Input and output parameters of engine component static strength analysis wizard

模型处理技术含模型导入、模型边界的拾取及定义、组件参数等,快速在相应的导航面板中对相对应的部件进行快速定义^[20]。通过模型导入向导导入符合特定要求的模型,对导入模型的边界进行拾取及定义(包括Inlet、Outlet、Wall、Rotor、Stator等)。

向导式发动机组件仿真流程支持导入前端设计工具产生的各类模型文件,并对导入的模型文件、前端设计工具产生的模型文件和仿真过程数据进行集成管理。仿真向导通过可视化界面给出了参数的约束条件、说明、图示等。

以电磁阀的模型预处理向导为例:①应用仿真过程数据管理技术,对前端设计工具(Pro/E、NX)产生的电磁阀三维模型文件进行管理; ②按照电磁阀模型预处理向导中提供的模型导入约束条件对仿真过程数据库中的电磁阀模型进行筛选、导入; ③对导入后的模型文件进行预处理,同时建立该文件与后续仿真过程数据的数据包,为仿真模型和仿真过程数据集成管理提供条件。

网格划分包含非结构化网格划分向导和结构化网格划分向导2种。

非结构网格划分向导对导入并定义好边界类型的几何模型或模型部件进行快速的非结构网格划分,网格参数定义是通过前端网格参数设置面板来实现的,网格参数包括网格划分方法、网格类型、网格过渡比、棱柱层、最小间隙网格层数等,网格划分完成后可现实网格数量的查看及网格质量的评价。

结构化网格划分向导主要是用来对发动机组件中特定组件(如涡轮等转动部件)进行结构化网格划分。部件模型构建是通过组件参数导入及边界条件定义向导来实现的,重构的几何模型划分全结构化六面体网格。

发动机组件网格划分向导为非结构网格划分向导:定义细化网格选择,细化分段定义等选项,向导根据页面定义自动划分非结构网格。

发动机组件仿真流程集成发动机仿真各物理场分析所需的边界条件,将仿真分析涉及到的物理模型设置及参数设置封装集成到求解向导模板,通过对向导页面中开放的边界设定选项的定义,向导执行时按照页面定义对模型进行边界条件的自动设定如约束、载荷等。半交互式的向导也允许在完成边界定义后对模型边界进行干预式调整、增加边界条件等操作。

发动机组件边界设定要定义固支面、载荷面及压力大小等选项。边界的选择通过界面操作应用于向导选项。

后处理向导定义要提取的结果数据及结果云图,也可自定义提取结果。向导的开发通过代码方式实现后处理结果的提取、处理、展示等功能。半交互式的向导也允许在完成分析后对仿真结果进行查看等操作。以推力室模态分析向导的实现为例,展示后处理向导的实现结果,如图6所示。

图6 推力室模态分析向导
Fig.6 Thrust chamber modal analysis wizard