水下航行器折疊翼展開機構設計與動力學仿真

雷 歌, 鄧 飛, 劉 權, 馮瀟濤

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水下航行器折疊翼展開機構設計與動力學仿真

雷 歌, 鄧 飛, 劉 權, 馮瀟濤

(西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

為了適應水下航行器發(fā)射裝置的尺寸限制, 滿足水下航行器發(fā)射后的穩(wěn)定性要求, 設計了一種水下航行器折疊翼展開機構。在對該機構進行力學分析的基礎上, 建立了折疊翼展開過程動力學模型, 并通過數(shù)值仿真, 討論了扭轉展開機構設計參數(shù)和發(fā)射動力學參數(shù)等對折疊翼展開動力學特性的影響, 驗證了機構設計的可行性與可靠性。該研究結果可對進一步優(yōu)化和改進水下航行器折疊翼的設計方案提供參考。

水下航行器; 折疊翼; 機構設計; 動力學仿真

0 引言

由于受限于發(fā)射裝置尺寸, 有些水下航行器的鰭、翼必須采用可折疊、展開的結構形式。如某些自行出管水雷、水下運載器等。此類水下航行器由于其流體動力及水下彈道特性, 往往具有相對尺寸(相對于其主體圓柱)較大的鰭、翼結構。在利用常規(guī)或通用水下發(fā)射裝置(如魚雷發(fā)射管)等進行裝載與發(fā)射時, 要求其在管內(nèi)處于折疊狀態(tài), 而在發(fā)射出管時能夠自動展開與定位。一般要求展開機構在不同的發(fā)射出管速度、發(fā)射姿態(tài)(攻角、側滑角、橫滾角)、發(fā)射環(huán)境(發(fā)射平臺運動狀態(tài)、海流、海浪)等條件下, 能夠保證快速展開并定位鎖緊, 并對翼面展開過程、展開到位時的瞬時角速度、角加速度等有一定要求, 以保證不因沖擊過載太大對航行器母體產(chǎn)生大的干擾。

目前常采用的鰭、翼折疊方式有縮進彈出式與折疊展開式2種[1-2]。其中第1種方式適用于彈體直徑相對較大, 內(nèi)部空間足夠布置連桿機構等彈出裝置的航行器。相對而言, 這種方式設計簡單、可靠, 對航行器運動干擾最小。而第2種方式則恰好相反, 適用于水下航行器的彈體直徑相對較小或彈體內(nèi)部空間不易布置彈出機構, 而采用翼面折疊、展開機構。水下運載器常采用第2種方式。對于此類機構的設計, 航行器及發(fā)射平臺的運動速度、姿態(tài)等流體動力參數(shù)對折疊翼面展開過程的影響是必須首先考慮的設計因素與設計指標。本文基于航行器折疊穩(wěn)定翼結構設計與力學特性分析, 建立了其展開過程的動力學模型, 進行了數(shù)值仿真, 討論了扭轉展開機構設計參數(shù)、發(fā)射動力學參數(shù)等對折疊翼展開特性的影響。

1 折疊翼機構設計

折疊翼機動翼面由收起狀態(tài)向工作狀態(tài)轉化是通過緊固—打開—固定這一套運動機構來實現(xiàn)的。儲存及裝管狀態(tài)下, 折疊翼活動端由緊固機構固定在折疊狀態(tài), 扭簧被預緊。當水下航行器需要折疊翼展開工作時, 緊固機構打開, 折疊翼活動端在扭簧作用下繞固定軸旋轉打開。同時, 由于折疊翼活動端是在水下運動, 水會對其產(chǎn)生推動或阻礙作用, 在扭簧力與水動力共同作用下, 折疊翼展開, 當展開運動到位后由固定機構固定, 最終完成折疊翼緊固—打開—固定這一過程。

折疊方式選擇: 此水下航行器折疊翼采用橫向折疊式結構, 如圖1所示, 此結構折疊翼繞著平行于航行器縱軸的一個軸進行折疊, 這種折疊方式機構簡單, 且不占據(jù)航行器內(nèi)部空間, 工作安全可靠, 比較適合于小展弦比翼型。

圖1 折疊翼展開模型

驅(qū)動機構選擇: 鑒于機動翼面的釋放過程是從運動機構轉換為鎖定機構[3]這一不可逆的單次作用特征, 設計方案確定機構展開能量不采用主動動力源(如電機, 液壓等), 而采用壓簧裝置, 拉簧裝置, 扭簧裝置, 扭桿裝置等儲能裝置。本設計采用扭簧系統(tǒng)提供展開原動力, 在翼面折疊時, 扭簧扭緊儲存一定的能量, 釋放后, 機構在彈性勢能的作用下展開。

固定機構選擇: 采用彈簧銷固定裝置鎖緊,為了便于彈簧銷能有效地滑入銷孔, 在折疊翼上增加一彈簧銷滑道, 如圖1所示, 當折疊翼展開到一定角度后, 彈簧銷滑入滑道并持續(xù)展開到位后彈入銷孔, 實現(xiàn)可靠固定, 使折疊翼能承載一定的水動力載荷, 保證航行器整體的流體外形。

2 折疊翼展開過程動力學建模

2.1 活動端法向受力分析

折疊翼活動端的運動可以簡化為折疊翼繞固定轉軸的轉動, 如圖1所示, 折疊翼活動端法向受力決定其運動狀態(tài)?；顒佣苏归_過程中受重力、浮力, 扭簧扭轉力以及水動力的共同作用[4]。

重力與浮力之差稱為負浮力, 它在活動端法向的分量相對較小, 可忽略不計。

扭簧提供的扭轉力時刻與轉軸垂直, 且沿著折疊翼的展開方向, 是折疊翼展開的原動力。

2.2 活動端法向受力及力矩計算

2.2.1 扭簧力矩

本文采用雙扭簧機構提供折疊翼驅(qū)動展開能量, 這里設計2種不同截面直徑的扭簧來討論不同扭轉展開機構設計參數(shù)對折疊翼展開特性的影響。

1) 估取彈簧絲直徑=6 mm

==36 mm (1)

根據(jù)強度條件試算最大工作扭矩

取=16.5, 則扭簧的扭轉剛度

雙扭簧扭矩

2) 估取彈簧絲直徑=4 mm

根據(jù)強度條件試算最大工作扭矩

取=15.5, 則根據(jù)式(4)得雙扭簧扭矩

2.2.2 水作用在活動端表面法向上的力

1) 位置力: 折疊翼所受位置力主要與航行器速度、航行器的方位角、發(fā)射平臺運動參數(shù)、海流等環(huán)境參數(shù)所引起的當?shù)毓ソ怯嘘P。本文根據(jù)工程實際工況估算, 為了保證折疊翼在較惡劣的發(fā)射工況下能夠順利打開, 選取-5°當?shù)毓ソ沁M行仿真分析。

活動端位置力和位置力矩采用計算流體力學方法進行數(shù)值計算。本文計算航行器在15 m/s的速度下以-5°攻角運動時折疊翼活動端法向的受力, 將折疊翼展開過程分為若干個定常狀態(tài)進行仿真, 在仿真計算折疊翼的非定常展開運動時, 位置力和位置力矩可通過對此計算結果進行插分得到, 計算結果和擬合方程見表1。模型網(wǎng)格劃分如圖2, 計算模型對稱面速度云圖如圖3所示。

表1 折疊翼活動端所受位置力

圖2 折疊翼展開30°的網(wǎng)格圖

圖3 -5°攻角翼展開30°對稱面速度云圖

2) 阻尼力: 折疊翼在展開的過程中活動端隨航行器不僅做直線平移運動, 而且還伴隨著旋轉運動, 這時水動力將對折疊翼產(chǎn)生阻尼力作用, 且方向始終與折疊翼展開方向相反, 是阻礙活動端展開的力。

由于活動端距離旋轉軸不同位置處具有不同速度, 采用積分方法[6]求解活動端所受水的阻力。如圖4水平翼阻尼力分析所示, 距離旋轉軸, 寬度為d的單位活動端受粘性阻力和力矩為

式中:為水以垂直于平板表面方向流經(jīng)平板時的阻力系數(shù);為水的密度;為活動端轉動角速度。

對整個翼長進行積分, 得

式中:為轉軸中心到翼頂端的高度;為轉軸半徑;為翼所受流體動力作用點到軸中心的距離。

圖4 阻尼力分析

圖5 附加質(zhì)量力分析

2.3 建立折疊翼展開動力學方程

定義活動端展開旋轉方向為正, 則有

式中:為作用在扭簧轉軸中心的動量矩;為作用在扭簧轉軸中心的全部外力矩。

3 仿真結果與分析

3.1 仿真參數(shù)

3.2 動力學計算結果與分析

根據(jù)以上仿真條件編寫Matlab程序?qū)顒佣苏归_過程進行計算, 仿真結果如圖6~圖9所示。

圖6為M扭簧在零攻角時的展開曲線, 從圖中可以看出, 折疊翼在0.086 s時完全展開, 由展開角速度曲線可以看出, 展開角加速度逐漸減小, 在展開過程末段, 角速度趨于穩(wěn)定, 達到近似平衡過程。圖7為M扭簧在-5°攻角時的展開曲線, 同無攻角時的展開曲線圖6相比, 由于粘性位置力f的存在, 其完全展開需要更長的時間, 完全展開時的角速度也較無攻角時的角速度小。

圖6 Ma扭簧零攻角展開過程

圖7 Ma扭簧-5°攻角展開過程

圖8 Mb扭簧零攻角展開過程

圖9 Mb扭簧-5°攻角展開過程

圖8為M扭簧在零攻角時的展開曲線, 其完全展開所需的時間為0.152 s, 這與使用M扭簧在零攻角發(fā)展規(guī)律是相似的。圖9為M扭簧在-5°攻角時展開過程, 可以看到, 由于扭簧的扭矩偏小, 在存在位置阻力的情況下, 折疊翼不能完全展開, 在43°附近處于震蕩平衡狀態(tài)。

通過以上分析可以得出如下結論。

1) 在航行器發(fā)射姿態(tài)處于零攻角狀態(tài)時, 不考慮粘性位置阻力的影響(如同在靜水中), 折疊翼展開過程主要決定于主動扭轉力矩, 并且均能實現(xiàn)完全展開, 只是展開時間不同。因此盡量保證小于當?shù)毓ソ堑陌l(fā)射條件, 會大大降低折疊翼的設計難度, 且折疊翼可實現(xiàn)順利展開。

2) 在航行器發(fā)射姿態(tài)處于非零攻角狀態(tài)時,粘性位置阻力是影響折疊翼展開過程的主要影響因素, 當展開機構的主動扭轉力矩設計值小于某一極限值時, 將會出現(xiàn)折疊翼不能完全展開, 在某一角度位置保持持續(xù)震蕩的近似平衡過程。

4 結束語

本文對水下航行器折疊翼固定機構、驅(qū)動機構以及折疊方式進行方案選擇, 完成了折疊翼機構設計。通過分析計算折疊翼活動端展開過程所受各力, 建立了折疊翼展開過程動力學方程。運用MATLAB對折疊翼展開過程進行動力學仿真計算, 獲得了扭轉展開機構設計參數(shù)、發(fā)射動力學參數(shù)對折疊翼展開動力學特性的影響規(guī)律。本文的研究結果對進一步優(yōu)化[7]和改進水下航行器折疊翼的設計方案具有重要的參考價值。

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[7] 李莉, 任茶仙, 張鐸. 折疊翼機構展開動力學仿真及優(yōu)化[J]. 強度與環(huán)境, 2007, 34(1): 17-21.Li Li, Ren Cha-xian, Zhang Duo. Dynamic Simulation and Optimization Design of Deployment of Folding-wing [J]. Structure & Environment Engineering, 2007, 34(1): 17-21.

Design and Dynamic Simulation of Folding Wing Expansion Mechanism for Underwater Vehicle

LEI Ge, DENG Fei, LIU Quan, FENG Xiao-tao

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an, 710072, China)

To adapt the size limit of an underwater vehicle launcher and meet the stability requirement of underwater vehicle after launching, an expansion mechanism of underwater vehicle folding wing is designed. Based on mechanical analysis, a dynamic model of the mechanism is established. The influences of the factors, such as the design parameters of the expansionmechanism and the parameters of launching dynamics, on the dynamic characteristics of this folding wing are obtained in different hydrodynamic conditions through numerical simulations. Simulation results confirm the feasibility and reliability of the mechanism design. This study may provide a reference for improving and optimizing design scheme of underwater vehicle folding wing.

underwater vehicle; folding wing; mechanism design; dynamic simulation

TJ630.2

A

1673-1948(2013)02-0081-05

2012-05-04;

2012-09-03.

雷 歌(1987-), 女, 在讀碩士, 主要研究方向為船舶與海洋工程.

(責任編輯: 陳 曦)