卡箍的参数化建模及参数对刚度的影响

朱昭君，陈志英

(北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191)

0 前言

航空发动机外部管路主要用于输送燃油、滑油和空气等介质，是发动机附件系统的重要组成部分。管路作为航空发动机的一个关键子系统，由于其布局空间限制严格，管道层叠交错、形状复杂，在发动机使用过程中常常发生断裂、漏油、渗油故障［1］。据有关资料介绍，在中国目前的成熟发动机(如WP6、WP7)中，外部导管断裂故障占全部空中飞行结构故障总数的52%，高居结构故障之首［2］;其中，振动常常成为管路断裂的主要原因和诱导因素，航空发动机外部有数以百计的导管和电缆以及各种形式的卡箍，而卡箍的布设及数量对管路固有频率的影响是其原因之一。发动机上管路卡箍是在航空发动机管路中起增强管路刚度、紧固管路位置的重要零件，卡箍刚度对管路系统的振动特性分析具有重要意义。随着航空发动机设计试验技术向数字化方向发展，对管路数字化设计提出了迫切需求，文献［3］从卡箍的数量和位置入手，分析了卡箍对该管路固有频率的影响。为了提高航空发动机管路的建模质量和效率，文献［4］提出了基于曲面特征和截面特征相结合的航空发动机管路反求建模系统框架，并围绕其中的多视数据配准、数据分割、特征提取和管路特征建模等关键技术进行了深入研究。文献［5］基于UG建立了管路三维元件库，为发动机管路参数化建模提供了借鉴。本文利用UG参数化模块对发动机上的单联卡箍和双联卡箍进行参数化建模，并通过有限元软件ANSYS分析了卡箍的刚度，及相关参数对卡箍不同方向的刚度影响，为复杂的管路系统的模态计算、管路系统振动特性分析及管路上的卡箍、支架及管路与管路之间的相互影响奠定基础。

在进行酒店管理专业的实践教学过程中，为了使得教学实践得到进一步的深化，对学生各个方面的能力实现进一步的提升，教师在实际的教学实践过程中不仅应该对学生的练习进行指导，还应该对各种的教学情境进行良好的创设，为学生营造出良好的教学氛围。这样就可以使得酒店管理专业的学生在游戏之中以及竞赛之中对自己的知识实现进一步的深化[5]。

1 卡箍的参数化建模

卡箍通过卡圈等组件固定在导管上，卡箍与管路的连接如图1所示。由于卡箍是在航空发动机管路中起增强管路刚度、紧固管路位置的重要零件，并且卡箍在整个管路中所占的质量、体积比重非常小，所以在分析时，忽略卡箍的质量和体积因素，而只考虑卡箍的刚度作用。

图1 管路示意图

参数化设计可以驱动原有几何模型达到新的目标几何图形。对于卡箍模型，选定的几何特征参数包括直径d，厚度h，长度L，弯角半径r，间隙n，如图2所示。通过建立卡箍三维系列零件库可实现以下功能:(1)实现实体模型设计、装配;提取卡箍的特征参数;(2)方便进行系列零件设计，二次变形设计，进一步调用时可以由设计人员根据卡箍的公称参数、卡箍的代号等选择调用;(3)可以利用三维实体建模技术和Excel电子表格链接［6］。

1.1 卡箍模板的生成

用系统参数驱动图形的关键在于如何将从实物中提取的参数转化到UG中，用来控制三维模型的特征参数。尺寸驱动是参数驱动的基础，尺寸约束是实现尺寸驱动的前提。单联卡箍模型使用了6个尺寸的标注，分别为:直径d，厚度h，宽度b，长度L，弯角半径r和孔直径d1。双联卡箍使用的6个尺寸标注分别为:直径d1，直径d2，宽度b，厚度h，长度L和孔直径d。

由表2可知，在1h时12T-103菌株对Cry1Ac蛋白降解降较为明显，由15. 95 μg·L-1降低至0. 68 μg·L-1，降低程度达极显著水平(p<0. 01)，其降解率达92. 26%，此后12T-103菌株对Cry1Ac蛋白降解较为缓慢且不显著。由此，12T-103菌株对Cry1Ac蛋白的降解能力较强。

图2 卡箍参数示意图

图3 单联卡箍模板

图4 双联卡箍模板

1.2 卡箍零件库的生成

当杆弹性模量取1015Pa时，结果合理，且杆本身的变形几乎为零。当弹模取工程常用材料1Cr18Ni9Ti的1.84×1011Pa时，算出的位移与上一结果仅差1‰，且杆本身之变形仅占卡箍变形的1.65‰，这样的结果工程上完全可用［16］。在卡箍组件模型中选取垫片的材料为金属橡胶，弹性模量E的值为7.84×106Pa。卡箍的弹性模量E取1.84×108Pa，柔性卡箍用弹性较好的板片制成，其厚度较小，选取的卡箍模型厚度为2 mm。

UG的电子表格提供了在Excel与UG间的一个智能接口。信息可以从部件抽取到电子表格里。当赋予不同的参数序列时，驱动原有几何模型生成新的目标几何图形，就可以实现高效建模和模型修改的目标，从而可以方便地通过修改参数来改变零件形状。利用电子表格创建和管理零件库，可将1个系列零件的可变参数管理起来，通过改变或添加记录来驱动已存在零件或生成新的零件，而无需重新建模［10］。卡箍零件建库生成的部分零件图如图5所示。

2 卡箍刚度计算

鲁棒水印算法有较多的研究成果，本文用基于小波变换的水印两次嵌入算法[11]进行实验。对如图1 所示的1200×933 的原始唐卡图像嵌入如图2 所示的154×447 的二值水印图像，含水印唐卡图像如图3 所示，从图3 中提取的水印如图4 所示。因为唐卡图像纹理复杂度高，嵌入水印信息后透明性很好，且鲁棒水印算法能抵抗常见的各种攻击，具有较好的抗攻击能力。

2.1 卡箍组件模型的建立

由上述卡箍刚度分析模型及计算结果可知:当长度L变化时，卡箍的刚度会发生变化;然而刚性卡箍的厚度一般在5 mm以上，所以卡箍的厚度也是影响卡箍刚度的一个重要参数。因此，选取长度和厚度这两个参数作为变量，其他参数为常数，如卡箍直径均选取12 mm，卡箍宽度b选取14 mm，弯角半径选取1 mm。讨论长度和厚度变化时对卡箍的刚度的影响。

图5 部分系列化零件

图6 划分网格后的模型

图7 生成的接触对

零件库由一个模板和用来驱动模板生成不同成员的族表组成［9］，模板含有生成零件族成员的全部特征，族表反映模板表达式值及零件属性等的更改。卡箍零件族成员是由一系列结构相似的卡箍零件组成，对模板的修改将自动更新卡箍零件族的所有成员。选择族保存目录的位置，生成的卡箍库保存在选定的位置处，就可以创建零件库。

2.2 施加载荷和求解

本文计算了卡箍零件库中的单联卡箍中的8种不同卡箍零件的线刚度和角刚度，如表1、表2所示。其中，卡箍型号第1个数字代表卡箍的直径，第2个数字代表卡箍参数中的长度。

采用ANSYS对卡箍与管路进行有限元分析，模型中垫片与刚性杆的接触属于非线性接触，接触部分设置接触面。载荷包括自由度约束和力载荷，卡箍组件的自由度约束通过卡箍底面的全约束实现，力载荷分别施加在刚性杆的两端对称的节点上［11－15］。

接触问题的收敛性随着问题的不同而不同。时间步长必须足够小，以描述适当的接触。对于刚性杆与垫片的面－面接触问题，不适用自适应下降因子。根据整个机构中的分析情况，在ANSYS中对整个卡箍组件等效和简化:(1)对卡箍底面处约束全部的自由度;(2)在刚性杆的两端面施加载荷。

表1 卡箍线刚度 N/m

表2 卡箍角刚度 Nm/rad

3 参数对卡箍刚度的影响

在UG下建立卡箍零件导入ANSYS中，分别建立垫片与刚性杆的模型。图6为划分网格后的模型。与接触分析不太相关的剩余卡箍几何实体部位采用自适应网格划分，粗化的目的是减少不必要的单元数量，缩短计算时间;而在接触处则严格按照接触面的真实形状建立模型并进行网格细化。图7为生成的接触对。

特征参数与表达式之间相互依赖，互相传递数据，提高了表达式设计的层次，使实际信息可以用工程特征来定义。不同部件中的表达式也可通过链接来协同工作，当被引用部件中的表达式被更新时，与它链接的部件中的相应表达式也被更新［7］。在草图设计时，通过尺寸约束实现几何形状的控制，其尺寸和位置关系能协同变化，系统将直接把尺寸转化为特征参数［8］。生成的单联卡箍模板如图3所示。双联卡箍模板的生成过程中，由于卡箍模板具有对称性，在生成模板一半模型的基础上，利用镜像命令，生成整个卡箍模型，图4为生成的双联卡箍模型。

3.1 卡箍长度对刚度的影响

为了研究卡箍长度对其刚度的影响，提取单联卡箍参数中的长度L，其取值范围从16 mm到20 mm，依次增加1 mm，分别计算不同长度下卡箍的X方向线刚度和Y方向线刚度。计算结果如表3所示，由表3中数据可得出:随着卡箍长度L的增长，卡箍的刚度呈现逐渐缩小的趋势。

员工流动率高会导致内部人心紊乱，就好比上战场，有一名士兵选择投降就会有一批士兵随之而去，扰乱军心。频繁的人员流动会让在职员工也产生跳槽的心理，如两名员工关系亲密，其中一位选择跳槽，很有可能也带走另外一位。长此以往会降低酒店的团结能力，让员工对酒店缺乏归属感和凝聚力。

3.2 卡箍厚度对刚度的影响

为分析卡箍厚度对其刚度的影响，选取卡箍厚度h从1 mm依次变化0.5 mm到3 mm，其余参数保持不变。计算出不同厚度下卡箍的X方向线刚度和Y方向线刚度，如表4所示。表4中计算结果表明:随着卡箍厚度h的增加，卡箍的刚度呈现逐渐缩小的趋势。

我国在太阳能光伏发电领域虽然已经成为佼佼者，但由于起步晚，发展过于迅速等，光伏发电管理方面存在一些不足。例如，很多单位通常是在光伏发电出现问题时，才开始对设备进行检修，这不仅会影响发电效率和质量，还会给日常用电带来问题。利用电自动化技术，能够及时预测和监测出设备的运行状态，对其进行全面监控，以便检修人员能及时制订检修计划，延长设备的使用周期和使用质量。

表3 长度变化对应的刚度表 N/m

表4 厚度变化对应的刚度表 N/m

4 结论

通过UG软件的参数化建模，完成了单联卡箍和双联卡箍的模型库的建立，建立了11种双联卡箍零件，10种单联卡箍零件，实现了卡箍的参数化。进一步分析计算了卡箍的线刚度和角刚度，共计算了8种单联卡箍零件的线刚度和角刚度。通过讨论卡箍参数的变化，分析了卡箍长度与厚度参数对卡箍不同方向的线刚度的影响，随着卡箍长度L的增长和厚度h的增加，卡箍的刚度呈现逐渐缩小的趋势。

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