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航空发动机中的数字模型及仿真技术研究随着航空业的不断发展，航空发动机的性能要求也越来越高。
数字模型及仿真技术，作为一种重要的研究技术，可以为航空发动机的设计、制造和维修提供有效的支持。
本文旨在探讨航空发动机中数字模型及仿真技术的研究现状、应用以及未来发展方向。
一、数字模型与仿真技术的研究现状数字模型是描述航空发动机结构、性能、运行等各方面特性的数学模型。
数字模型包括几何模型、材料性质、传热传动、流动分析等多个方面，这些方面相互协调，共同构成一个完整的数字模型。
数字模型的重要性在于它们可以帮助工程师快速进行复杂情况的仿真。
通过数字模型的建立，航空工程师可以进行实际测试之前的模拟仿真，这样就大大地提高了航空工程师在设计、制造中的效率，并同时降低了开发成本。
仿真技术是指使用计算机进行物理过程的实验仿真。
在航空领域中，仿真技术在飞行器、发动机等方面都有应用。
仿真技术需要依赖数字模型这一基础，可以为航空工程师提供清晰的结果和分析，以便正确地进行设计和对工程进行调整。
数字模型的建立是仿真技术的基础。
目前来看，数字模型的建立需要涉及到多个专业领域的知识，包括结构、材料、传热传动、流体力学等多个学科，借助计算机对其进行建模。
因此，数字模型及仿真技术的研究和应用需要不断地深化，为航空工程师提供更加完整和准确的预测。
二、数字模型与仿真技术的应用数字模型及仿真技术在航空发动机领域中有着广泛的应用。
在设计阶段，数字模型可以在计算机上快速构建各种形状、大小和材料的零部件。
通过对机身、发动机进行分析，可以优化得出最优方案并指导实际制造过程。
在制造阶段，数字模型及仿真技术可以帮助工程师进行工具与夹具的设计及制造，以确保最高的精度和质量。
而在检修及保养阶段，数字模型可以帮助工程师识别问题部位并逐步提高维修效率。
在发动机运行过程中，数字模型和仿真技术可以及时分析发动机的性能，并提供工程师必要的调整建议，从而保证发动机总体状态处于最佳状态。
可视化航空发动机性能仿真模型
可视化航空发动机性能仿真模型
介绍了一种图形化的发动机总体性能仿真模型.该模型可以通过模块化的图形方式,由用户选择发动机部件,自由灵活地组装任意合理结构形式的航空发动机,方便地进行航空发动机稳态与过渡态性能的计算.对该仿真模型的编程思想和编程方法做了具体介绍,并通过对具体发动机进行试计算证明通用模型计算逻辑的正确性以及可视化图形界面的实用性.
作者：王波唐海龙仲如浩陈敏WANG Bo TANG Hai-long ZHONG Ru-hao CHEN Min 作者单位：北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京,100191 刊名：航空动力学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF AEROSPACE POWER 年，卷(期)：2009 24(3) 分类号：V231 TP39 关键词：航空发动机仿真模型可视化模型。
UG模型在航空发动机仿真应用中的几点探讨摘要：航空发动机仿真是提高航空发动机设计水平的一个手段（方法），ug模型在航空发动机仿真中有较为广泛的应用。
通过对ug模型在航空发动机仿真应用中几个方面的阐述，旨在使广大同行在今后航空发动机的设计中得以借鉴，并共同探讨研究。
关键词：航空发动机仿真；ug模型；分析1 ug模型简介ug（unigraphics）是当前世界上最先进的、面向制造行业的高端设计软件。
它为制造行业产品开发的全过程提供解决方案，功能包括工程设计、性能分析、仿真模拟等。
在航空领域的应用中，由于它实现了设计优化技术与基于产品和过程的知识工程的组合，使得航空行业的生产率得到了显著地提高。
ug模型是设计人员根据设计意图在ug软件中建立的三维模型，其形状便是实际零部件在电脑中的再现。
模型建立以后，设计人员便可以对零件进行分析及计算，更重要的是可以进行零部件的模拟装配，以及对组件的动画仿真。
2 ug模型在航空发动机及其零部件各参数计算中的应用航空发动机及其零部件的性能参数计算非常重要，通过计算才能了解发动机的性能，部分参数如体积、质心等等，在ug中可以非常方便地得到，再如流量计算需要用到精确的零部件模型，这一点恰恰是ug最强大的功能之一。
设计人员根据从ug中得到的参数及ug模型进行计算，便可检验零部件的部分性能参数指标。
例如在航空发动机的流量计算中，ug模型的应用就显得尤为方便。
我国航空发动机设计一般分为自行设计和测绘仿制，在设计中凡涉及到流量的零部件如压气机和涡轮等，都要进行流量计算，并在零部件加工后再次进行试验验证。
如果是自行设计，若在设计阶段根据计算来优化设计这些重要零部件，使其达到最佳状态，便可减少在加工时造成的误差，使得试验参数更加接近设计参数，而这个优化过程便是在ug中改进零部件模型的过程。
如果是测绘仿制，设计人员直接采用测绘值进行ug三维建模，得到的模型大多包含测量误差，如何减少这些误差？只有通过计算，对比原型机的性能指标，进而改进ug模型的设计，然后再计算，直到非常接近原型机的性能指标为止。
摩托车用发动机的动力学仿真模型与建立摩托车是一种广泛应用于交通工具与运输领域的机动车辆，而发动机则是驱动摩托车行驶的核心装置。
为了提高摩托车发动机的性能和效率，研究人员经常采用动力学仿真模型来模拟和分析发动机的工作原理。
本文将探讨摩托车用发动机的动力学仿真模型的建立及其应用。
首先，摩托车用发动机的动力学仿真模型需要考虑多个因素，包括气缸压力、进气系统、燃烧过程、排气系统以及传动系统等。
这些因素在模型中相互作用，决定了发动机的输出功率和扭矩。
在建立摩托车发动机的动力学仿真模型时，一种常用的方法是利用热力学原理和动力学方程。
通过建立气缸压力与曲轴转速之间的关系，可以推导出发动机的性能参数，如功率、扭矩和燃烧效率等。
同时，还需考虑发动机进气系统和排气系统的特性，包括进气道、气门、燃烧室和排气管等，以确保模型的真实性和准确性。
其次，在建立摩托车发动机的动力学仿真模型时，还需考虑燃烧过程的影响。
燃烧过程是指燃料在燃烧室中的燃烧过程，它直接影响到发动机的输出功率和效率。
为了准确模拟燃烧过程，可以采用一维燃烧模型或三维计算流体力学模型。
一维燃烧模型基于平均流动条件下的质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本原理，可以计算出燃烧室内的平均温度、压力和浓度等参数。
而三维计算流体力学模型则考虑了更复杂的流动和燃烧特性，可以提供更准确的结果。
此外，摩托车用发动机的动力学仿真模型还需要考虑传动系统的影响。
传动系统包括离合器、变速器和驱动装置等，它们对发动机的输出功率和扭矩有着重要影响。
在模型中，需要考虑传动系统的传动效率、齿轮比和负载等因素，以准确模拟发动机的输出功率和扭矩。
动力学仿真模型的建立不仅可以提供有关摩托车用发动机性能的定量数据，还可以用于优化发动机设计和改进发动机控制策略。
通过对模型进行参数调整和优化，可以提高发动机的功率密度、燃油经济性和排放性能等。
此外，模型还可以用于评估发动机在不同工况下的性能表现，为摩托车制造商提供重要的参考信息。
01引言Chapter研究背景和意义游艇行业快速发展发动机仿真分析的重要性GT-power模型的优势国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状发展趋势研究内容和方法研究内容研究方法02 GTpowerChapterGTpower模型概述GT-POWER是美国Gamma Technologies公司开发的一款发动机性能仿真分析软件。
该软件基于一维气体动力学理论，可对发动机的进气、压缩、燃烧和排气等过程进行模拟。
GT-POWER具有广泛的适用性和高度的灵活性，可用于汽油机、柴油机、燃气轮机等多种类型发动机的仿真分析。
GTpower模型功能及特点功能丰富高度集成易于使用精确度高01020304发动机性能预测燃烧过程优化排放性能分析噪声控制研究GTpower 模型在发动机仿真中的应用03某游艇发动机仿真模型建立Chapter排放指标发动机的排放需要满足国际海事组织（IMO ）的排放法规要求，包括氮氧化物（NOx ）、硫氧化物（SOx ）和颗粒物（PM ）等排放物的限制。
额定功率该游艇发动机的额定功率为XX 千瓦（kW ），在特定转速下达到。
最大扭矩发动机在特定转速下能够输出的最大扭矩为XX 牛·米（N·m）。
燃油消耗率在额定功率下，发动机的燃油消耗率为XX 克/千瓦时（g/kWh ），体现了其经济性能。
发动机参数及性能指标发动机结构简化在建立仿真模型时，需要对发动机的实际结构进行适当简化，保留关键部件和参数，以便减少计算量并提高仿真效率。
物理模型选择根据发动机的工作原理和性能要求，选择合适的物理模型进行建模，如热力学模型、流体动力学模型等。
参数设置与调整在仿真模型中设置发动机的结构参数、运行参数和边界条件等，并根据实际情况进行调整和优化，以保证仿真结果的准确性和可靠性。
仿真模型建立过程仿真模型验证与校核试验数据对比将仿真结果与发动机的实际试验数据进行对比，验证仿真模型的准确性和可靠性。
对比内容包括功率、扭矩、燃油消耗率以及排放指标等。
基于T-MATS模块的航空发动机仿真建模航空发动机被誉为•现代工业皇冠上的皇冠”，是一个国家工业基础和科技水平的集中体现，其研制需要投入大量的时间和资金，而航空发动机模型则能有效缩短其研制周期、降低成木和风险，对于发动机性能分析和控制系统研发等起着重要作用。
目前，国内工程应用较多的航空发动机性能仿真模型主要是GasTurb商用软件，其缺点在于代码封闭，用户无法根据需求修改程序，也不易兼容控制系统设计等多学科任务。
而NASA公开源代码的T-MATS模块，可视化用户可以对其进行任意修改，使用灵活方便，且基于MATLAB/Simulink平台使得模块的应用方式和范围更广，有利于开展多学科耦合设计。
本文以涡轴发动机为对象，利用T-MATS模块建立其动态仿真模型，并开展仿真验证。
1基于T-MATS模块的涡轴发动机建模1.1T-MATS模块简介T-MATS (Toolbox for Modeling and Analysis of Thermodynamic Systems,热力系统建模和分析工具箱)模块是由NASA Glen研究中心2021年公开的一款内嵌于MATLAB/Simulink的热力学系统仿真库, 包含涡轮机械模型、传感器模型、数值求解器和控制器模型等实用的仿真模块，能够方便地建立復杂的热力学系统模型以用于仿真和控制等研究。
对于发动机复杂的热力学过程，「MATS依据发动机的工作原理以及常用的经验公式，利用C语言编写部件的热力学计算流程，并使用Simulink 的系统函数(S-Function)将其封装为Simulink模块，在利用Simulink而向对象的特性来提高模块通用性的基础上，也充分保证了模块的计算效率和计算精度。
1.2输入数据处理T-MATS工具箱提供了封装好的发动机基本部件模型，使用时只需要按照发动机的实际工作情况将模型依次连接就可以建立其基本的仿真模型，因此此处对模型的输入数据进行说明，特别是发动机的部件特性。
5.2自上而下设计曲轴连杆机构5.2.1曲轴本节建立的曲轴如图7.1所示。
图5.1曲轴本节设计的曲轴具有4缸曲拐结构，以及前输出法兰、后输出轴颈等结构。
其中曲拐机构相同，但方向不同，可以首先设计一个曲拐，在通过平移、旋转等操作进行复杂形成其它三个曲拐。
1．进入装配模块，产品命名为product1，点击插入新零件按钮，点击product1，即归属为产品product1目录之下，零件命名为quzhou。
2．双击树结构中quzhou目录下的，进入quzhou的零件设计模块。
3．用草图设计功能，在平面上建立如图 5.2所示的草图。
4．用拉伸实体功能，将上面建立的草图拉伸34mm，如图5.2所示。
图5.2前输出法兰草图与拉伸凸台5．用钻孔功能，在上面建立的拉伸实体的端面上建立沉头孔，在对话框中单击“定位草图”按钮，定位孔的中心如图 5.3所示。
定义孔对话框中的延伸选项页如图5.4所示，类型选项页如图 5.5所示。
图5.3定位圆柱销孔图5.4孔定义对话框图5.5孔类型对话框6．用钻孔功能，在上一步建立的端面上，建立一个螺纹口。
螺纹口中心定位如图5.6所示，约束孔中心时，用直线功能，再标注尺寸如图 5.7所示。
在定义孔对话框中，类型选项页设置如图 5.8所示，螺纹定义选项页设置如图 5.9所示。
图5.6定位螺纹孔图5.7孔类型对话框图5.8螺纹孔定义对话框7．用圆形阵列功能，以上一步的到的螺纹孔特征为旋转对象，绕X轴旋转，旋转步长为50°，生产7个实例，对话框设置如图 5.9所示，生成的整列如图 5.10所示。
注意旋转的方向，如果方向不对，可以单击按钮改变阵列方向。
图5.9定义圆形整列图5.10阵列孔8．用草图设计功能，在上面建立的实体的没有开孔的一侧建立如图 5.11所示的草图。
9．用拉伸实体功能，将上一步建立的草图拉伸36mm，如图5.11所示。
图5.11与法兰连接处草图与拉伸凸台10．用草图设计功能，在上建立如图 5.12所示的草图。
草图的空间定位以纵轴V和横轴H作为参考位置。
图5.12旋转草图11．用旋转槽功能，将上一步建立的草图轮廓绕自身的轴线旋转360°，从已有实体中移除旋转体部分，如图 5.13所示。
12．用草图设计功能，在拉伸实体的端面上建立如图 5.14所示的圆轮廓。
图5.13旋转槽13．用拉伸实体功能，将上一步建立的草图拉伸 1.8mm，如图5.14所示。
图5.14过渡凸台草图和拉伸实体14．用草图设计功能，在拉伸实体的端面上建立如图 5.15所示的轮廓。
15．用拉伸实体功能，将上一步建立的草图拉伸24.4mm，如图5.15所示。
16．用草图设计功能，在拉伸实体的端面上建立草图。
绘制一个直径88mm 的圆，圆心与拉伸实体的圆弧同心重合，需要用对话框约束功能进行设置。
首先选择如图5.16所示的圆以及实体的边界圆弧，选择约束功能，在弹出的如图 5.16所示的对话框中选择，结果如图 5.16所示。
17．用拉伸实体功能，将上一步建立的草图拉伸 1.8mm，结果如图 5.16所示。
图5.15曲拐支撑草图和拉伸凸台图5.16草图，草图约束和拉伸凸台18．用草图设计功能，在上一步建立的拉伸实体的端面上建立如图 5.17所示的草图。
约束建立的圆与上一步的拉伸实体的边线同心。
19．用拉伸实体功能，将上一步建立的草图拉伸40mm，结果如图 5.1所示。
图5.17与连杆配合处草图与拉伸实体20．用草图设计功能，在上一步建立的拉伸实体的端面上建立直径88的圆，用拉伸实体功能拉伸 1.8mm，如图5.18所示。
图5.18过渡凸台草图与拉伸实体21．用草图设计功能，在上一步建立的拉伸实体的端面上建立轮廓，用拉伸实体功能拉伸24.4mm，如图5.19所示。
22．用草图设计功能，在上建立一条圆锥曲线。
首先建立两个点，第二个点在实体边线上。
用圆锥曲线功能，以已经建立的第一个点为起点，以横轴H为切线方向，以第二个点为终点。
再选择一点作为圆锥曲线上的点，建立圆锥曲线。
双击已建立的圆锥曲线，弹出如图 5.19所示的对话框，选择横轴输入开始，选择纵轴输入结束，选中复选框，在输入栏输入0.3。
23．用折线功能，将上面建立的圆锥曲线围成一个封闭轮廓，如图5.19所示。
图5.19曲拐支撑草图与拉伸实体图5.19二次曲线草图二次曲线定义图5.20减重槽除料24．用减重槽功能，对上面的轮廓进行拉伸，结果如图 5.20所示。
25．用平面功能，建立的偏置平面，如图 5.21所示。
图5.21建立偏置平面26．用镜像功能，将第13步建立的拉伸实体特征和第24步建立的减重槽特征关于上一步建立的平面对称。
27．切换到“线框曲面设计”模块中，用提取功能，将已建立的实体，除了钻孔和凸台的表面不提取外，都提取处理。
提取出来的曲面如图 5.22所示。
再用合并功能，将提取出来的曲面合并起来。
图5.21提取平面28．用平移功能，将上面建立的合并曲面沿着X轴平移132mm，对话框和所得的结果如图 5.22所示。
图5.23平移曲面29．用旋转功能，将上面建立的平移曲面沿X轴旋转180°，如图5.24所示。
图5.24旋转曲面30．切换到“零件设计”模块，用封闭曲面功能，将上一步得到的旋转曲面封闭成实体，如图 5.24所示。
图5.24封闭曲面31．用草图设计功能，在上一步得到的封闭实体的端面上，建立一个以原点为圆心，直径85mm的草图。
再用拉伸实体功能，将其拉伸44mm，如图5.25所示。
图5.25拉伸凸台32．用平面功能，建立的偏置平面，偏置距离为320mm，如图5.26所示。
图5.26偏置平面33．再次切换到“线框曲面设计”模块中，用对称功能，将第27步生成的合并曲面和第29步生成的旋转曲面，关于上一步建立的平面对称，生成对称曲面如图5.27所示。
34．切回到“零件设计”模块，用封闭曲面功能，将上一步得到的两个对称曲面封闭成实体，如图 5.27所示。
图5.27对称曲面图5.27封闭曲面35．用草图设计功能，在上一步得到的封闭实体的端面上，建立一个以原点为圆心，直径65mm的草图。
再用拉伸实体功能，将其拉伸5mm，如图5.28所示。
图5.29拉伸凸台36．用草图设计功能，在端面上，建立一个以原点为圆心，直径45mm的草图。
再用拉伸实体功能，将其拉伸80mm，如图5.30所示。
图5.30后端输出拉伸凸台37．用草图设计功能，在上建立草图。
用折线功能在靠近上一步建立的拉伸实体一侧建立如图 5.31所示的轴线以及轮廓，上一步建立的拉伸实体的边界作为水平方向定位基准，定位横轴H上的轴线作为竖直方向上的定位基准。
图5.31草图设计38．用旋转槽功能，将上一步建立的草图轮廓绕自身的轴线旋转360°，从已有实体中移除旋转体部分，如图 5.32所示。
图5.31旋转槽图5.32钥匙孔草图39．用草图设计功能，在上建立如图 5.32所示的钥匙孔。
孔的轴线在横轴H上，圆孔的一个端点在拉伸实体的边线上，孔的长度为67mm，孔的直径为12mm。
40．用减重槽功能，对上面的轮廓向上拉伸，第一限制选“直到下一个”类型，第二限制选“尺寸”类型，长度为-19mm，结果如图 5.33所示。
图5.33键槽41．用倒圆角功能，在圆柱体的连接边线上倒半径为4mm的圆角。
至此，曲轴的零件设计完成。
5.2.2曲轴轴瓦1．进入“装配模块”，使用插入新产品功能，点击product1，命名产品为lianganzu。
2．使用插入新零件功能，点击lianganzu，零件命名为zhouwa，双击树结构中的zhouwa零件，进入“零件设计”模块。
3．使用草图设计功能，在连接连杆的端面初建立草图，并将其拉伸，第一限制输入39mm，第二限制输入-1mm，如图5.34所示。
图5.34轴瓦草图与拉伸实体4．再次进入“装配模块”，使用插入现有部件功能，点击lianganzu，即将零件插入装配窗口，使用相合约束功能，使轴瓦的轴线和与轴瓦配合处曲轴的轴线相合；两个轴瓦相接触处得平面相合，方向相反；两个轴瓦的端面相合，方向相同，所得装配结果如图 5.35所示。
图5.35轴瓦与曲轴的装配结构5.2.3连杆和连杆盖由于连个零件在装配时是连在一起的，因此将两个零件一起建模，完成公共特征的建模后，再分割成两个零件，最后完成各自零件的局部特征的建模。
1．使用插入新零件功能，点击lianganzu，零件命名为liangan，双击树结构中的liangan零件，进入“零件设计”模块。
2．用草图设计功能，在与连杆配合的中间平面上建立如图 5.36所示的草图。
图5.36连杆拉伸草图3．用拉伸实体功能，将上一步建立的草图拉伸8.75mm，结果如图 5.37所示。
图5.37连杆拉伸实体4．用拔模功能，以上一步建立的凸台的侧边为拔模对象，中性面选择上一步草图所在平面，拔模角为5°，结果如图 5.38所示。
图5.37拔模侧面5．用隐藏功能，将曲轴和轴瓦隐藏。
6．用草图设计功能，在第第3步建立的拉伸实体的端面上，建立一个圆，使之与第三步建立的实体边界圆弧相合，用拉伸实体功能，向上拉伸2mm，如图5.38所示。
图5.38相合草图圆7．用拔模功能，选择上一步拉伸实体的圆柱侧面作为拔模面，中性面选择拉伸实体草图所在平面，拔模角为5°。
8．用倒圆角功能，选择两次拉伸的实体的交线进行倒圆角操作，选择拔模圆头的上边线输入要保留的边线中，设置半径为100mm，如图5.39所示。
图5.39倒圆角9．用平面功能，在第7步建立的拔模柱体的顶面上建立一个平面，如图 5.40所示。
图5.40创建平面10．用草图设计功能，在第7步建立的拔模体得顶面上，安装第6步的方法，建立一个与顶面重合的圆，并用用拉伸实体功能，向上拉伸 5.25mm，如图5.41所示。
图5.41拉伸实体11．用拔模功能，选择上一步建立的圆柱侧面作为拔模面，中性面选择拉伸实体草图所在平面，拔模角为5°。
12．用倒圆角功能，对图5.42中所示的边线进行倒圆角操作，以拔模面的上边线为保持的边，倒半径为15mm的圆角。
图5.42倒圆角13．用草图设计功能，在最初建立的拉伸实体的底面上创建的圆，圆心的定位是与草图所在平面的边线进行的，向上拉伸20mm，然后以选择圆柱侧面作为拔模面，中性面选择拉伸实体草图所在平面，拔模角为5°，草图、拉伸实体及拔模如图5.43所示。
图5.43草图、拉伸实体及拔模14．切换到“线框曲面设计”模块中，用提取功能，提取如图 5.44所示的三组曲线。
图5.44提取曲线15．用平移功能，将上如图 5.45所示的曲线沿Z轴平移8.75mm，对话框和所得的结果如图 5.22所示。
图5.55平移曲线16．由于本发动机的建模过程主要体现在自上而下的设计上，因此连该与连杆盖作为一体的曲面设计从略，直接到分割一步，将lianggan保存一个副本，命名为liangangai。
