基于UG/Motion的軸對(duì)稱球面塞式矢量噴管運(yùn)動(dòng)仿真

趙春生，金文棟，徐 速，杜桂賢

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

基于UG/Motion的軸對(duì)稱球面塞式矢量噴管運(yùn)動(dòng)仿真

趙春生，金文棟，徐 速，杜桂賢

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

根據(jù)軸對(duì)稱球面塞式矢量噴管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用U G N X軟件自頂向下裝配建模技術(shù)建立了該噴管3維實(shí)體模型，并運(yùn)用U G/M otion技術(shù)建立該噴管的運(yùn)動(dòng)模型。通過對(duì)該運(yùn)動(dòng)模型的運(yùn)動(dòng)仿真模擬了該噴管的真實(shí)非矢量和矢量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的合理性和可行性。初步研究了矢量作動(dòng)筒不同布置方式對(duì)控制規(guī)律的影響，確定矢量作動(dòng)筒的控制規(guī)律及行程范圍和主要運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡，為噴管模型試驗(yàn)件工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

軸對(duì)稱球面塞式矢量噴管；U G N X；自頂向下建模；運(yùn)動(dòng)仿真

0 引言

作為未來先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的必備技術(shù)，推力矢量技術(shù)已經(jīng)得到航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)者越來越多地重視。矢量噴管技術(shù)是實(shí)現(xiàn)推力矢量技術(shù)的核心技術(shù)，而軸對(duì)稱球面塞式矢量噴管由于具有運(yùn)動(dòng)件少、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕和可靠性高，在獲得推力矢量控制能力的同時(shí)，又不影響整機(jī)的綜合性能，并降低實(shí)施推力矢量技術(shù)的成本，驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)段所要求的作動(dòng)系統(tǒng)拖動(dòng)力小，矢量偏轉(zhuǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)得到設(shè)計(jì)者的青睞。但是作為1種新型矢量噴管，從研制到應(yīng)用需要經(jīng)過漫長的過程，而在研究過程中首先需要分析其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和推力矢量作動(dòng)系統(tǒng)的控制規(guī)律。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)建模及運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)完成矢量噴管3維實(shí)體模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，將部分需要在模型試驗(yàn)件上完成的工作提前研究和分析，并不斷完善設(shè)計(jì)，可以減少模型試驗(yàn)件調(diào)試進(jìn)程和試驗(yàn)件反復(fù)生產(chǎn)加工，從而縮短噴管研制周期和加快研究進(jìn)度。

本文利用UG NX軟件建模和運(yùn)動(dòng)仿真功能模塊，建立軸對(duì)稱球面塞式矢量噴管3維實(shí)體運(yùn)動(dòng)模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 UG NX軟件功能模塊

在UG NX軟件若干功能模塊中，建模（Modeling）和運(yùn)動(dòng)仿真（Motion Simulation）功能模塊具有明顯優(yōu)勢，若在零組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究過程中合理利用，可以有效提高設(shè)計(jì)效率和縮短研究周期。

1.1 建模技術(shù)

裝配建模有3種方法：（1）自底向上裝配建模（Bottom-Up Assembly），如圖1所示。先逐一設(shè)計(jì)好裝配中所需部件，再將部件添加到裝配體中，由底向上逐級(jí)進(jìn)行裝配；（2）自頂向下裝配建模（Top-Down Assembly），如圖2所示。先創(chuàng)建組件部件，并使組件成為工作部件，然后在組件部件中創(chuàng)建幾何體，在裝配過程中參照其他部件對(duì)當(dāng)前工作部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以利用鏈接關(guān)系建立從其他部件到工作部件的幾何關(guān)聯(lián)；（3）混合建模。綜合利用自底向上裝配建模和自頂向下裝配建模技術(shù)完成裝配建模。

圖1 自底向上裝配建模方法

圖2 自頂向下裝配建模方法

1.2 運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)

運(yùn)動(dòng)仿真是UG NX/CAE（Computer Aided Engineering）模塊中的主要部分，用于建立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，及對(duì)任何2維或3維機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力分析和設(shè)計(jì)仿真。通過UG/Modeling的功能建立1個(gè)3維實(shí)體模型，利用UG/Motion的功能給所建3維實(shí)體模型各部件賦予一定的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，再在各部件間設(shè)立一定的連接關(guān)系即可建立1個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真模型。UG/Motion的功能可以對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行大量裝配和運(yùn)動(dòng)合理性分析，得到大量運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過對(duì)這個(gè)運(yùn)動(dòng)仿真模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)分析可以驗(yàn)證該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并且可以利用圖形輸出各部件的位移、坐標(biāo)、加速度、速度和力的變化情況，對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)分析方案包括創(chuàng)建連桿和運(yùn)動(dòng)副及定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)3步。

2 3維實(shí)體建模

2.1 結(jié)構(gòu)

軸對(duì)稱球面塞式矢量噴管主要組成部件有筒體（固定球面段）、運(yùn)動(dòng)球面段、喉道調(diào)節(jié)錐段、球面定心機(jī)構(gòu)、中心錐體、喉道調(diào)節(jié)同步作動(dòng)筒、矢量作動(dòng)筒和外罩等，如圖3所示。

圖3 軸對(duì)稱球面塞式矢量噴管結(jié)構(gòu)

2.2 建模

噴管3維實(shí)體建模采用自頂向下裝配建模方式，步驟如下：（1）創(chuàng)建空的組件文件，在空的組件中根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)坐標(biāo)系繪制噴管的2維草圖；（2）在組件環(huán)境下，創(chuàng)建空的零件文件；（3）在組件環(huán)境下，可根據(jù)已在組件中繪制的2維草圖或單獨(dú)在組件中，以空的零件為工作部件進(jìn)行零件結(jié)構(gòu)特征創(chuàng)建并保存；（4）以組件為工作部件，進(jìn)行零件位置的調(diào)整，完成裝配建模。

3 運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 運(yùn)動(dòng)模式

3.1.1 非矢量狀態(tài)

在非矢量狀態(tài)下，通過控制喉道調(diào)節(jié)同步作動(dòng)筒的行程，改變喉道調(diào)節(jié)錐段的軸向位移，從而改變其內(nèi)錐面和中心錐體外錐面的最小間距，即改變喉道面積，同時(shí)也改變喉道調(diào)節(jié)錐段的出口和中心錐體外錐面的最小間距，即噴管的出口面積。

3.1.2 矢量狀態(tài)

在矢量狀態(tài)下，喉道面積和出口面積的調(diào)節(jié)與非矢量狀態(tài)下的相同。噴管的矢量偏轉(zhuǎn)通過控制運(yùn)動(dòng)球面段的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，通過改變3個(gè)矢量作動(dòng)筒的行程，控制球面定心機(jī)構(gòu)的收擴(kuò)，從而使運(yùn)動(dòng)球面段在360°范圍內(nèi)全向運(yùn)動(dòng)，從而改變運(yùn)動(dòng)球面段軸向方向，使噴管尾部軸線與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線產(chǎn)生夾角和氣流方向偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)推力的矢量偏轉(zhuǎn)。最大矢量偏轉(zhuǎn)角度在噴管結(jié)構(gòu)模型方案設(shè)計(jì)時(shí)確定。

3.2 建立運(yùn)動(dòng)模型

將在UG/Modeling環(huán)境下創(chuàng)建的噴管3維實(shí)體模型切換到UG/Motion環(huán)境下，新建仿真文件，并設(shè)定22個(gè)Link和42個(gè)Joint，建立噴管的運(yùn)動(dòng)模型。

3.3 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)仿真

3.3.1 非矢量狀態(tài)仿真

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)部件設(shè)置為3個(gè)喉道調(diào)節(jié)同步作動(dòng)筒。作動(dòng)筒的行程由小到大，喉道調(diào)節(jié)錐段沿軸向向后伸出，喉道調(diào)節(jié)錐段內(nèi)錐面和中心錐體外錐面的最小間距逐漸增大，從而使喉道面積逐漸變大，噴管出口面積也逐漸增大。

3.3.2 矢量狀態(tài)仿真

噴管的矢量偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部件為3個(gè)矢量作動(dòng)筒，通過矢量作動(dòng)筒的異步伸縮，控制球面定心機(jī)構(gòu)的收擴(kuò)，使運(yùn)動(dòng)球面段在360°范圍內(nèi)進(jìn)行全向矢量偏轉(zhuǎn)，從而改變運(yùn)動(dòng)球面段軸向方向，使噴管尾部軸線與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線產(chǎn)生夾角，導(dǎo)致氣流方向偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)推力的矢量偏轉(zhuǎn)。矢量偏轉(zhuǎn)角度λ的大小通過控制3個(gè)矢量作動(dòng)筒異步伸縮的行程調(diào)節(jié)。另外，由于噴管上3個(gè)矢量作動(dòng)筒布置方式不同，導(dǎo)致3個(gè)矢量作動(dòng)筒的控制規(guī)律曲線也存在很大差別，本文主要對(duì)2種矢量作動(dòng)筒布置方式（3個(gè)矢量作動(dòng)筒初始位置與噴管軸線平行布置和傾斜布置）進(jìn)行仿真研究，噴管的最大偏轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)為20°。

3.3.2.1 矢量作動(dòng)筒與噴管軸線平行布置

噴管矢量運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)值偏轉(zhuǎn)方位角θ和矢量偏轉(zhuǎn)角δ由3個(gè)矢量作動(dòng)筒的行程L控制。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果，L與θ和δ呈非線性函數(shù)關(guān)系。當(dāng)δ確定時(shí)，L與θ的關(guān)系曲線為簡諧曲線，即

式中：A為簡諧運(yùn)動(dòng)幅值，即矢量作動(dòng)筒最大伸出長度，是矢量偏轉(zhuǎn)角δ的函數(shù)；β為相位角，常數(shù)；a為常數(shù)。

當(dāng)δ＝20°，噴管在360°范圍內(nèi)全向做矢量偏轉(zhuǎn)時(shí)，L與θ的關(guān)系曲線如圖4所示。

為研究式（1）中的幅值A(chǔ)與δ的關(guān)系，本文在θ=180°、δ=0～20°時(shí)，對(duì)處于θ=0°位置的A與δ的關(guān)系進(jìn)行了仿真，得出A與δ近似呈線性關(guān)系，如圖5所示，即

圖4 矢量作動(dòng)筒的行程與偏轉(zhuǎn)方位角的關(guān)系

圖5 矢量作動(dòng)筒的伸出長度A與矢量偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系

通過仿真曲線確定式（2）中的常量b和k。最終確定矢量作動(dòng)筒的行程L與偏轉(zhuǎn)方位角θ和矢量偏轉(zhuǎn)角δ的函數(shù)關(guān)系，即

3.3.2.2 矢量作動(dòng)筒傾斜布置

為研究矢量作動(dòng)筒布置方式對(duì)矢量作動(dòng)筒行程控制規(guī)律的影響，本文對(duì)矢量作動(dòng)筒初始中心軸線與噴管中心軸線成30°夾角（如圖6所示）且沿周向均布的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。

該布置方式使噴管在進(jìn)行360°全向運(yùn)動(dòng)時(shí)，矢量作動(dòng)筒的行程控制規(guī)律非簡單的簡諧運(yùn)動(dòng)，為研究3個(gè)矢量作動(dòng)筒的控制規(guī)律，增建了1個(gè)輔助調(diào)節(jié)環(huán)。建立運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，在調(diào)節(jié)環(huán)和筒體上設(shè)置了1個(gè)通過球心且與筒體軸線垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)副；在調(diào)節(jié)環(huán)和運(yùn)動(dòng)球面段上設(shè)置了1個(gè)通過球心且與噴管尾部軸線垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)副，與調(diào)節(jié)環(huán)和筒體上的轉(zhuǎn)動(dòng)副互相垂直，構(gòu)成萬向節(jié)運(yùn)動(dòng)副，以實(shí)現(xiàn)對(duì)球副的模擬。通過運(yùn)動(dòng)仿真得出，在δ＝10°和20°，噴管在360°范圍內(nèi)全向做矢量偏轉(zhuǎn)時(shí)，3個(gè)矢量作動(dòng)筒的行程L與θ的關(guān)系曲線如圖7、8所示。

圖6 矢量作動(dòng)筒布置方式

圖7 δ＝10°時(shí)矢量作動(dòng)筒的行程與偏轉(zhuǎn)方位角的關(guān)系

圖8 δ＝20°時(shí)矢量作動(dòng)筒的行程與偏轉(zhuǎn)方位角的關(guān)系

雖然矢量作動(dòng)筒傾斜布置能使球面定心機(jī)構(gòu)受力在一定程度得到優(yōu)化，但是通過仿真曲線可見，在矢量作動(dòng)筒傾斜布置時(shí)，矢量作動(dòng)筒的行程L與θ的關(guān)系曲線較為復(fù)雜，并非簡諧曲線，而且3個(gè)矢量作動(dòng)筒的行程曲線在δ＝10°時(shí)較為平滑，但在δ＝20°時(shí)只能保證基本的趨勢走向，已經(jīng)完全失真，致使對(duì)矢量作動(dòng)筒控制的實(shí)現(xiàn)存在一定困難。另外，矢量作動(dòng)筒傾斜布置使矢量作動(dòng)筒的行程增加，導(dǎo)致矢量作動(dòng)筒的質(zhì)量增加。

3.3.3 模擬分析

在運(yùn)動(dòng)仿真前，對(duì)需要研究和監(jiān)測的距離、角度和主要連接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡等主要零組件信息，添加“Markers”、“Measure”和“Trace”；在運(yùn)動(dòng)仿真過程中，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，確定運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移和角度變化情況；在運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)束后，通過對(duì)3個(gè)矢量作動(dòng)筒等圖形文件的讀取和處理，確定矢量作動(dòng)筒的控制規(guī)律曲線，從而為零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，確定了以下要素：（1）矢量作動(dòng)筒的控制規(guī)律曲線和行程范圍；（2）球面定心機(jī)構(gòu)的收擴(kuò)范圍；（3）喉道面積和出口面積的變化范圍；（4）主要運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)軌跡。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合軸對(duì)稱球面塞式矢量噴管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和UG NX軟件的有關(guān)功能，對(duì)該噴管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了自頂向下的裝配建模和對(duì)其真實(shí)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，初步驗(yàn)證了矢量作動(dòng)筒布置方式對(duì)矢量作動(dòng)筒行程控制的影響，確定了矢量作動(dòng)筒的控制規(guī)律和行程范圍、球面定心機(jī)構(gòu)的收擴(kuò)范圍、主要零組件及連接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和喉道面積及出口面積的變化范圍。其仿真結(jié)果為噴管模型試驗(yàn)件工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，既節(jié)時(shí)省力又大幅節(jié)約了研究經(jīng)費(fèi)。

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Motion Simulation of Axisymmetric Spherical Plug Thrust Vectoring Nozzle Based on UG/Motion

ZHAO Chun-sheng,JIN Wen-dong,XU Su,DU Gui-xian
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

Based on structure characteristics of axisymmetric spherical plug thrust vectoring nozzle,three dimensional model for axisymmetric spherical plug thrust vectoring nozzle was built using top-down modeling technology with UG NX software and the motion model of the nozzle was set using UG/motion technology.The motion state of real non-thrust vectoring and thrust vectoring nozzle was conducted by the model motion simulation to validate the rationality and feasibility of the motion.The effect of the different arrangement of thrust vectoring nozzle actuating cylinder on the control regulations was studied preliminarily.The control regulation, range and the trail of the movement components were decided for design of nozzle test rig.

axisymmetric spherical plug thrust vectoring nozzle;UG NX;top-down modeling;motion simulation

趙春生（1982），男，碩士，工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴管及排氣裝置設(shè)計(jì)工作。

2012-05-14