【应用方案】特种透平机械正向设计研发流程及关键点

源自   安怀信股份--特种透平机械研究所RIT联合研发中心

透平产品设计一般分为需求分析定义、概念设计、初步设计、详细设计和额试制与验证五个阶段。在传统的标杆产品逆向设计流程中，由于借鉴了标杆产品的设计方案，因此大大弱化了前三个阶段工作，基本测绘完成后，直接进入详细设计和试验验证阶段。

优点：

这种流程的优点是研发周期短，能迅速形成产品和战斗力，在我国研发能力严重不足的建国初期，对形成我国工业体系有巨大作用；

缺点：

缺点是产品研发知其然不知其所以然，有产品没有性能know-how知识，因此不敢对产品进行改型，而且无法积累产品研发性能知识，无法进行自主创新设计。

1、需求定义分析阶段

总体单位或系统集成单位牵头，收集产品客户、使用单位对透平产品的需求，如飞发一体化需求等，形成透平机械设计的顶层设计指标要求，利用一些自主研发的数学模型和算法进行初步评估，然后将指标初步分解给各部件分系统设计部门，并利用Doors等工具来跟踪指标分解及变更。同时，总体部还需要在此阶段，对未来试验进行规划，如何验证整机和分系统指标达到设计需求，以应对未来的适航取证或客户验收工作。

关键点：

● 客户需求收集和指标分解往往通过协调开会实现，缺乏软件化的工具，也不具备知识保留和重用功能；

●  指标分解的准确性和合理性很难保证，缺乏准确的数学性能模型和经验数据来进行准确评估；

●  试验规划和性能参数的规划如何一体化实现，并进行管理。

需求：

●  客户需求收集和指标分解QFD工具，以及叶轮机械相关分解咨询和实施服务，逐步建立起自身产品及竞争产品的需求和指标库；

●  建立用于初步评估总体及部件分系统指标的高精度数学模型虚拟样机，能够集成各种渠道获得的经验数据；

●  性能虚拟样机管理需求，能够对性能和试验进行设计早期的层级规划，实现试验对性能的逐一验证。

2、概念设计阶段

总体部门牵头，各部件分系统部门参与，利用Gasturbo，CFturbo，axstream等数学计算工具，完成透平机械总体性能参数的计算，并完成结构总体方案CAD草图，热布局，转子动力学，传力路径，重量估算等初步计算，利用各部件的通用历史特性模型和数据，对总体指标进行新一轮确认及优化。

关键点：

●  总体性能计算的数学模型是否足够准确，各部件的通用历史特性模型和数据是否准确合理，将大大影响透平机械产品的概念设计优化效率；

●  整机和部件分系统概念设计过程中，存在大量的数学模型、气动、动力学计算和迭代，通过人工传递数据和模型，效率非常低，难以实现自动优化，而且极其容易产生错误；

需求：

●  建立能够积累知识和精度的各级别性能虚拟样机库，用于部件和整机的性能准确估算；

●  建立集成正向设计研发平台，将各种数学计算、CAD快速造型、气动计算、动力学计算、总体性能计算集成在一起，并实现自动迭代和优化计算功能，大大提升概念设计和初步设计的效率。

3、初步设计阶段

初步设计主要由各部门分系统单位完成各自产品的方案设计、原理样机加工、试验验证，根据验证后的结果指标，总体部再次完成指标的协调和优化。

在此阶段中，各部门分系统单位需要完成CAD设计、各单学科仿真、多学科仿真、样机加工、试验设计、仿真模型验证和修正等大量工作。

关键点：

●  转子动力学计算使用的Rotor/ARMD，旋转流体计算工具numeca，非线性计算Marc/Abaqus，疲劳计算Fesafe，燃烧或复杂流场计算CFX/Fluent等工具，对使用者提出要求较高，不容易计算得出准确的结果；

●  高性能产品对各部件的指标要求往往非常苛刻，设计者必须做到对单学科/多学科联合仿真非常精准，以及快速仿真，并且具备优化设计的工具和手段，才可能实现设计指标要求；

●  由于缺乏流程和手段，目前研究院所往往不太重视试验结果对仿真的修正，以至于昂贵的试验往往只是一个通过判据而已，没有用于修正企业最宝贵的知识-仿真性能虚拟样机，也就无法实现仿真知识的积累。

需求：

●  Rotor/ARMD/numeca/Marc/Abaqus/Fesafe/CFX/Fluent等复杂有限元工具实施咨询和服务；

●  透平机械典型的气/机/热/控制多学科耦合仿真工具+多学科优化工具及咨询服务；

●  数学模型/静力学/动力学/流体气动等学科的仿真验证工具和流程咨询服务；

●  快速仿真需要的参数化CAE模型库技术和仿真模板技术和工具。

4、详细设计阶段

各部门分系统单位进一步完善修改设计方案，产生便于工程制造的设计，并形成一系列制造和工艺文件，造出工程样机并进行地面试验初步验证。总体方案最终完善。

关键点：

●  设计与制造一体化，复杂的透平机械盘类、匣类、叶片类结构，如何在详细设计阶段检查设计的可制造性、可装配性、可检测性、可维护性、可靠性以及加工成本问题，避免后期大量设计返工现象；

●  三维工艺设计能力，以及与MBD集成，形成三维下厂。

需求：

●  面向透平机械加工可达性检查的DFX工具，以及PDM集成等相关实施服务；

●  可与MBD集成的三维CAPP工具及实施服务。

5、试制与验证

加工部门为主，完成多台工程样机的试制工作，然后由试验部门和设计部门一起，进行需求阶段规划的所有地面、实际工况、高空、飞行等相关试验，完成性能验证工作。

关键点：

●  快速、准确完成加工工艺准备，利用加工知识库、虚拟加工仿真等先进技术避免出现加工样机失效，快速形成工程样机，并固化加工过程知识；

●  复杂加工需要对加工过程进行仿真和优化，才能合理安排加工工艺和参数，获得合符需求的产品。

需求：

●  强大、高效，能完成复杂曲面加工的CAM系统，具备自学习工艺知识库，自动前处理，虚拟加工仿真等技术，能够满足复杂透平机械加工要求；

● 准确的加工仿真软件，经过实际加工试验的V&V验证，能够对加工过程进行指导。

相关文章，在仿真秀官网搜索：

1） 【V&V仿真验证管理系列】C-SDM产品虚拟性能样机管理

2） 【好工具】具备模型轻量化显示功能的eDrawings软件，实现设计数据的查看和发布