使用Ansys仿真解决方案设计和维护叶轮机械

Ansys仿真软件在多个行业和应用中得到广泛验证。这些仿真工具提供了准确可靠的数据，极大地降低了制造成本和测试时间。此外，Ansys仿真软件强调流线型、直观的工作流程，使工程师有更多时间专注于关键的设计决策。Ansys旗舰产品不受计算机辅助设计(CAD)和叶片设计工具的影响，这为设计人员使用Ansys合作伙伴的任何叶片设计工具提供了最大的灵活性。

综合多物理解决方案在一个投资组合

当我们着眼于整个机器解决方案时，模拟功能包括流体、热机械、结构，当然，还有利用Ansys旗舰产品的多物理解决方案，如Ansys流利，Ansys排名，Ansys机械，Ansys FENSAP-ICE而且Ansys LS-DYNA．当您开始模拟和分析这些多物理场应用程序时，您需要确保求解器之间准确和有效的数据传输。我们的平台允许所有Ansys求解器准确高效地传输和映射数据，从而为空气力学、流体结构相互作用、耦合传热建模、异物损伤评估和叶片爆裂分析提供最可靠、最准确的多物理场模拟。

在设计中燃气轮机而且透平机， Ansys提供有机气动力学解决方案来预测叶片颤振，强迫响应，振动声学和失谐杠杆CFX, Fluent和Mechanical。流体和结构之间的耦合使用循环对称模型和模式叠加允许极大的加速。计算流体动力学(CFD)和有限元分析(FEA)之间的流线型空气力学工作流程，通过冷热映射，减少了设计周期时间，提高了分析人员的工作效率，使他们能够专注于防止机器共振和避免非同步高周疲劳的最佳方法。

对更高发动机效率的渴望使得涡轮入口温度高于材料的熔点。在空气动力学，传热，应力和材料之间的权衡是优化设计和避免由热机械疲劳，应力破裂或氧化引起的故障所必需的。为了验证材料和热障涂层的完整性，并评估热截面组件的耐久性，设计人员利用Ansys工具进行稳态和瞬态共轭传热(CHT)模拟。Ansys Fluent和Ansys CFX建立在一个并行和用户友好的网格划分平台上，提供快速求解方法，使CHT分析在任何生产环境中都实用。因此，对具有内通道的叶片和叶片的耦合传热进行模拟已成为常规方法。设计师也可以采用叶片膜冷却造型技术在概念和详细设计阶段与无缝映射的一维网络冷却流

在Ansys的多物理组合中，一个强大的解决方案是能够预测和防止由于异物损坏或叶片脱落引起的发动机故障场景。LS-DYNA使设计人员能够根据法规要求预测鸟击和叶片脱落损伤及其对发动机性能的影响。采用Ansys对风机叶片脱落和鸟食事件进行建模显式动力学解决方案。它们包括利用多种分析方法(拉格朗日有限元、任意拉格朗日欧拉、光滑粒子流体动力学)的多物理场模拟。LS-DYNA还支持涡轮叶片出膛和盘壳模拟。这些解决方案支持公认的叶片脱落和鸟击认证要求。

设计下一代涡轮机械的高级物理学

为了实现在各种操作条件下满足性能和法规要求的设计，Ansys提供了解决最先进物理问题的独特功能。Ansys为设计人员配备了精确预测复杂物理的工具，例如泵空化、风扇/压缩机结冰、燃烧器-涡轮相互作用以及风扇噪声背后的声学。

使用Ansys FENSAP-ICE的结冰解决方案可以预测静态和旋转部件长时间内的冰积聚和脱落。FENSAP-ICE允许您在叶轮机械应用的简化工作流程中评估由于冰脱落造成的不平衡和可能的损坏。该解决方案支持航空发动机公认的结冰认证信封(标准液滴、过冷大液滴和高空冰晶)。

了解泵的工作范围在哪里空化开头很重要。CFX和Fluent中的高保真空化模型(如Rayleigh-Plesset)与先进的多相和湍流模型相结合，使叶轮机械制造商能够准确预测泵的运行极限，超过这个极限，空化就会发生并变得严重。

在设计长寿命燃气轮机叶片和优化冷却模式的背景下，Ansys可以准确预测高压涡轮(HPT)阶段的热斑迁移。设计人员可以对燃烧室和HPT进行联合和/或联合模拟。采用高保真尺度分解湍流模型，在一次模拟中进行了带有共轭传热的燃烧室-涡轮叶片建模，以实现精确的热条纹跟踪。这导致了叶片和叶片的精确热管理，并显著提高涡轮机的耐久性。

Ansys CFX和Fluent求解器具有从快速和简单的宽带噪声源建模到最全面的计算空气声学(CAA)的能力，使用先进的尺度分辨湍流模型。

产品生命周期中的一种流线型自动化仿真过程

此外，通过构建降阶模型(rom)来创建数字双胞胎，可以实现预测性维护，并有助于提高叶轮机械的性能和可靠性。同样的信息可以用来构建机器学习算法，并使用人工智能将知识和专业知识注入到设计过程中。Ansys在这个连续循环中提供尖端工具，为设计工程师提供有价值的数据和专业知识，从而及时做出明智的决策，以提高机器寿命、效率和整体系统性能和可靠性。

叶轮机械设计师不断面临挑战，要确定最具影响力的设计变量，并建立适合所有物理要求的健壮设计，同时最大限度地减少缺陷和制造限制。Ansys optiSLang通过灵敏度分析、优化和鲁棒性评估，通过高性能算法实现鲁棒设计。它自动识别最佳元模型，用设计变量表示性能变化。这是在流程集成、链式数据流自动化、设计空间探索和不确定性量化无处不在的环境中实现的。下面的原理图展示了离心压缩机的工艺集成和设计优化工作流程，大大提高了工程生产率和机器性能，同时将设计周期从一年多缩短到几周。

叶轮机械设计人员需要根据材料及其特性做出许多决定。Ansys格兰塔提供在整个组织范围内选择、共享和管理材料数据的有效方法。它可以描述复杂的材料特性，索引所有测试数据，并提供一个单一安全的认证材料信息来源，供所有工程师和分析师在整个产品生命周期中使用。Ansys Granta还可以管理物料清单(bom)中的法定物质。

Ansys Additive的全面解决方案横跨整个工作流程——从增材制造(DfAM)设计到验证、打印设计、工艺模拟和材料探索。DfAM包括拓扑优化，可以实现超大部件的轻量化。这些轻质部件可以根据它们将经历的真实条件进行虚拟测试，以评估其结构完整性。Ansys Additive Print帮助构建基于物理或几何的支持。加性工艺模拟可以预测零件的形状、变形和应力，从而在第一时间得到正确的打印零件。

MRO在叶轮机械上的支出是显著的，在许多情况下，远远高于原始机器的购买价格。因此，预测何时需要维护的能力为oem及其客户提供了显著的优势。Ansys有一系列ROM功能，可以有效地用于预测性维护。下图突出显示汉莎航空技术公司如何使用飞行数据和模拟建立能够预测关键燃气涡轮发动机部件故障的现场rom。在这种情况下，模拟工作流程包括使用CFX和Mechanical进行空气热分析。利用Ansys opti俚语中的结构统计(SoS)技术对选择性飞行数据进行敏感性研究，以建立现场元模型。这些现场rom能够实时准确地预测温度、应力和应变，从而能够评估关键发动机部件的剩余寿命。