結(jié)冰風(fēng)洞腹撐系統(tǒng)研制及動(dòng)態(tài)特性分析*

申 江，張艷輝，祝長江

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

結(jié)冰風(fēng)洞腹撐系統(tǒng)研制及動(dòng)態(tài)特性分析*

申 江，張艷輝，祝長江

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

飛行器在高空飛行時(shí)由于外表面結(jié)冰而導(dǎo)致的墜毀慘劇多次發(fā)生，研制高精度的、用于飛行器大載荷模型結(jié)冰試驗(yàn)的結(jié)冰風(fēng)洞腹撐系統(tǒng)對飛行器的防除冰技術(shù)的研究具有重要意義。完成了結(jié)冰風(fēng)洞腹撐系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案；針對腹撐系統(tǒng)所處的惡劣環(huán)境，通過自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研制了全新的迎角、側(cè)滑角機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。使用大型通用有限元軟件MSC.Nastran，對腹撐系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究，同時(shí)總結(jié)了設(shè)計(jì)制造過程中的不足。調(diào)試、精度檢測、負(fù)載性能試驗(yàn)表明該系統(tǒng)達(dá)到了初步設(shè)計(jì)目的。

結(jié)冰風(fēng)洞；腹撐系統(tǒng)；三維建模；動(dòng)態(tài)特性；防除冰技術(shù)

Abstract: Aircraft crash tragedy occurred frequently owing to the outer surface icing as flying at high altitude, It′s very important significance that we develop high precision, large load icing wind tunnel ventral strutting system for study aircraft anti-icing and de-icing technology. The overall structure scheme of the icing wind tunnel ventral strutting system was completed. The structure of the the angle of attack and the sideslip angle mechanism was developed through independent innovation design. studied the strength,stiffness and the dynamics characteristics using the finite element software MSC.NASTRAN,and summarized the deficiency of design and manufacturing process. Through debugging, accuracy test, load test, it shows that the system design achieves preliminary objective.

Key words: icing wind tunnel; ventral strutting mechanism; three-dimensional model ; dynamic characteristic; anti-icing and de-icing technology

0 引 言

結(jié)冰嚴(yán)重影響飛機(jī)的性能和安全[1-2],研制結(jié)冰風(fēng)洞腹撐系統(tǒng)對飛行器的防除冰技術(shù)的研究具有重要意義[3]。美國、意大利及俄羅斯在其結(jié)冰風(fēng)洞中均配置有高性能的腹撐系統(tǒng)[4]，意大利的結(jié)冰風(fēng)洞腹撐系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)傳動(dòng)精度高達(dá)0.02°，據(jù)該風(fēng)洞技術(shù)專家介紹，該腹撐系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，溫度變化對系統(tǒng)的傳動(dòng)精度影響不大。但具體結(jié)構(gòu)形式則對外保密，也未見有公開刊物報(bào)道。國內(nèi)還沒有設(shè)計(jì)建造生產(chǎn)型結(jié)冰風(fēng)洞及其腹撐系統(tǒng)。在結(jié)冰風(fēng)洞中，腹撐系統(tǒng)處于低溫、真空、潮濕環(huán)境下運(yùn)行，各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行精度、整體動(dòng)態(tài)特性、低溫性能、防腐、散熱等問題均對設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)[5]，這些因素決定了結(jié)冰風(fēng)洞腹撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式將放棄在傳統(tǒng)腹撐系統(tǒng)中使用了30年的結(jié)構(gòu)形式，只能采用自主創(chuàng)新研制的、適合其獨(dú)特運(yùn)行環(huán)境的新結(jié)構(gòu)形式。在結(jié)冰風(fēng)洞腹撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了有限元法對強(qiáng)度、剛度和整體動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了計(jì)算分析，并在調(diào)試過程中測量了各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行精度，做了機(jī)構(gòu)負(fù)載試驗(yàn)。結(jié)果表明，結(jié)冰風(fēng)洞腹撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了初步設(shè)計(jì)目標(biāo)，該系統(tǒng)的建成將結(jié)束我國依靠國外進(jìn)行結(jié)冰試驗(yàn)的歷史。

1 總體方案及結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

腹撐系統(tǒng)用于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹魏湍Ｐ妥藨B(tài)角的改變[6]，主要由迎角機(jī)構(gòu)、側(cè)滑角機(jī)構(gòu)、上下轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)等組成?？傮w方案如圖1所示。

圖1 結(jié)冰風(fēng)洞腹撐系統(tǒng)三維總圖

上下轉(zhuǎn)盤之間的部分位于試驗(yàn)段內(nèi)，其余部分位于試驗(yàn)段駐室里。腹撐系統(tǒng)的底座安裝在試驗(yàn)段駐室地坑里的升降機(jī)構(gòu)上，更換模型時(shí)，將迎角機(jī)構(gòu)、側(cè)滑角機(jī)構(gòu)及支桿隨升降機(jī)構(gòu)一起下降，即可實(shí)現(xiàn)模型的更換。模型與迎角機(jī)構(gòu)之間采用鉸鏈聯(lián)接，模型的支撐方式有三支桿和雙支桿支撐。模型迎角的變化由迎角機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)尾支桿的升降來實(shí)現(xiàn)，側(cè)滑角的變化由側(cè)滑角機(jī)構(gòu)帶動(dòng)固定在其上部的迎角機(jī)構(gòu)、模型支桿(轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)同步隨動(dòng))來實(shí)現(xiàn)。

1.1 迎角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

迎角機(jī)構(gòu)由龍門架、傳動(dòng)系統(tǒng)、支桿驅(qū)動(dòng)組件、編碼器、行程開關(guān)、測控系統(tǒng)等組成，如圖2所示。此機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈為：瑞士INFRANOR特種低溫伺服電機(jī)、德國高精度ALPHA減速器、美國Duffnorton螺旋升降機(jī)、尾連桿、尾支桿的模型。傳動(dòng)系統(tǒng)、支桿驅(qū)動(dòng)組件均固定在龍門架上，模型支桿安裝在龍門架上端，龍門架下端安裝在側(cè)滑角機(jī)構(gòu)上，前支桿、尾支桿在龍門架上均可以通過絲杠螺母組件移動(dòng)，以適應(yīng)不同大小模型的支撐。

該方案具有傳動(dòng)精度高、傳動(dòng)精度受溫度影響較小、具備自鎖功能、費(fèi)用較低的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 側(cè)滑角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

側(cè)滑角機(jī)構(gòu)由INFRANOR低溫特種電機(jī)、ALPHA減速機(jī)、小齒輪、轉(zhuǎn)盤軸承、基座、支撐架等零部件組成，其上下端面分別與迎角機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)采用螺栓聯(lián)接，見圖3所示。轉(zhuǎn)盤軸承為LYC帶外齒的四點(diǎn)接觸球轉(zhuǎn)盤軸承，模數(shù)6，齒數(shù)274，此方案的優(yōu)點(diǎn)是采用直齒輪副驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)盤軸承已有標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，制造精更能保證費(fèi)用相對較低。

圖2 迎角機(jī)構(gòu) 圖3 側(cè)滑角機(jī)構(gòu)

1.3 低溫及真空和潮濕環(huán)境對腹撐系統(tǒng)的影響

本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)處于低溫、真空、潮濕環(huán)境，對系統(tǒng)的密封、傳動(dòng)精度、防腐有較大影響。筆者采用以下措施解決此問題，采用低溫性能較好、線膨脹系數(shù)相近的材料(主要材料為16MnDR)及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以減小溫度變化對傳動(dòng)精度的影響；采用特殊結(jié)構(gòu)及特制潤滑脂，保證抽真空時(shí)潤滑脂不被吸出；對電器設(shè)備進(jìn)行防水處理；對處于試驗(yàn)段中的風(fēng)擋和模型支桿采用薄膜電加熱片加熱進(jìn)行防除冰；運(yùn)動(dòng)表面采用不銹鋼材質(zhì)或油封防腐，非運(yùn)動(dòng)表面采用噴鋅防腐。

2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在風(fēng)洞試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)段氣流噪聲、內(nèi)流場氣流脈動(dòng)以及氣流分離的作用，模型將產(chǎn)生振動(dòng)。較大的振動(dòng)將導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)度和精度出現(xiàn)較大偏差，甚至導(dǎo)致腹撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)破壞。為避免模型的振動(dòng)，在腹撐支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)進(jìn)行有限元分析，以預(yù)估系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[7]。因此，設(shè)計(jì)具有良好動(dòng)態(tài)特性的支撐系統(tǒng)，是力求避免模型在試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生較大振動(dòng)的首要關(guān)鍵技術(shù)之一。

試驗(yàn)時(shí)要求模型作勻速運(yùn)動(dòng)，但迎角機(jī)構(gòu)電機(jī)作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，模型實(shí)際在作變速運(yùn)動(dòng)，需要對迎角機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，找出其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來確保模型作勻速運(yùn)動(dòng)的目的。

2.1 動(dòng)態(tài)特性分析理論基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問題，很重要的一部分是計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型[8]，同時(shí)它也是分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)和其它動(dòng)力特性問題的基礎(chǔ)。根據(jù)動(dòng)力學(xué)知識可知，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡方程為：

(1)

固有頻率與外載無關(guān)，結(jié)構(gòu)阻尼對固有頻率影響很小。所以在研究固有頻率與振型時(shí)，可暫時(shí)不考慮外載與阻尼。此時(shí)，式(1)變?yōu)椋?/p>

(2)

其特征方程為：

([K]-ω2[M]){Φ}=0

(3)

求解該特征方程，就可以得到系統(tǒng)的固有頻率和主振型。

2.2 有限元模型的建立

有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確度依賴于計(jì)算模型的正確建立，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)單元的采取、載荷及邊界條件的處理，尤其是處理組合部件結(jié)構(gòu)的邊界聯(lián)接特性最為重要。為此，分析了腹撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，從靜動(dòng)態(tài)分析的觀點(diǎn)出發(fā)，對結(jié)構(gòu)采取了以下簡化：

(1) 采用四面體實(shí)體單元離散整個(gè)結(jié)構(gòu)，忽略腹撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中不致影響計(jì)算準(zhǔn)度的細(xì)小特征，對螺栓聯(lián)接、錐度配合等結(jié)構(gòu)簡化為實(shí)體相連；

(2) 對于各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸處的滾動(dòng)軸承簡化為實(shí)體共面協(xié)調(diào)網(wǎng)格，并以等效剛度在結(jié)合面建立邊界約束方程，采用MSC/NASTRAN結(jié)構(gòu)有限元分析軟件中同時(shí)具有三個(gè)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的CBUSH單元模擬；

(3) 由于無模型和天平的存在，為模擬真實(shí)氣動(dòng)力的作用效果，仍將氣動(dòng)力載荷作用于模型力矩中心，簡化方法是在模型力矩中心節(jié)點(diǎn)與主支桿與模型聯(lián)接銷孔節(jié)點(diǎn)建立僅為傳遞力和力矩的多點(diǎn)約束MPC單元；計(jì)算中采用一根梁聯(lián)接主支桿與尾支桿，以模擬模型對尾支桿的傳力；

(4) 邊界約束為腹撐系統(tǒng)基座底面的位移完全約束；

(5) 材料參數(shù)如下：彈性模量E=2.09E5 MPa ,泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85E-9 t/mm2；

(6) 有限元模型如圖4所示，劃分的單元總數(shù)103 319個(gè)，節(jié)點(diǎn)185 765個(gè)。

2.3 動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)果與評價(jià)

在上述簡化的基礎(chǔ)上，采用國際上通用的大型有限元軟件MSC/Nastran對腹撐系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算分析。分析中采用 Lanczos方法來求解腹撐系統(tǒng)的實(shí)特征值。Lanczos方法不會丟根，計(jì)算特征值及特征向量很精確，還支持稀疏矩陣方法，可以提高速度，減少對磁盤空間的要求。是大部分中、大型問題的首先方法[9]。對于工程而言 ,只關(guān)心結(jié)構(gòu)的前幾階振型，因此，在計(jì)算時(shí)只提取了腹撐系統(tǒng)的前6階振型。具體分析結(jié)果見表1和圖4。

圖4 腹撐系統(tǒng)的前6階結(jié)構(gòu)振型

階次固有頻率/Hz振型方位112．02尾支桿橫向彎曲振動(dòng)217．78尾支桿縱向彎曲振動(dòng)321．02尾支桿橫向扭曲振動(dòng)423．59尾支桿前后彎曲振動(dòng)527．81主支桿縱向彎曲振動(dòng)632．74尾連桿縱向彎曲振動(dòng)

如圖4所示為腹撐系統(tǒng)的前6階結(jié)構(gòu)振型,從圖4可知：腹撐系統(tǒng)的第1階頻率為12.02 Hz，振形表現(xiàn)為尾支桿橫向彎曲振動(dòng)，模態(tài)位移值為0.677～10.2 mm；第2階頻率為17.78 Hz ，振形表現(xiàn)為尾支桿縱向彎曲振動(dòng)，模態(tài)位移值為0.827～12.4 mm；第3階頻率為21.02 Hz ，振形表現(xiàn)為尾支桿橫向扭曲振動(dòng)，模態(tài)位移值為0.557～8.35 mm；第4階頻率為23.59 Hz ，振形表現(xiàn)為尾支桿前后彎曲振動(dòng)，模態(tài)位移值為0.461～6.91 mm；第5階頻率為27.81 Hz，振形表現(xiàn)為主支桿縱向彎曲振動(dòng)，模態(tài)位移值為0.277～4.16 mm。第6階頻率為32.74 Hz，振形表現(xiàn)為尾連桿縱向彎曲振動(dòng)，模態(tài)位移值為0.238～3.57 mm。

綜上述數(shù)據(jù)，腹撐系統(tǒng)振型分布合理，未產(chǎn)生密集現(xiàn)象；目前機(jī)構(gòu)的使用情況良好，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2.4 迎角機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

采用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS仿真迎角機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 迎角機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

試驗(yàn)時(shí)要求模型作勻速運(yùn)動(dòng)，但迎角機(jī)構(gòu)電機(jī)作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，模型實(shí)際在作變速運(yùn)動(dòng)，需要對迎角機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，找出其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)通過改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速來確保模型作勻速運(yùn)動(dòng)的目的。3 腹撐系統(tǒng)調(diào)試和精度測量及負(fù)載性能試驗(yàn)

系統(tǒng)加工安裝完畢后，進(jìn)行了出廠前的動(dòng)態(tài)性能調(diào)試，調(diào)試內(nèi)容包括各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活性、運(yùn)動(dòng)范圍、精度及負(fù)載性能試驗(yàn)。

各迎角、側(cè)滑角機(jī)構(gòu)重復(fù)定位精度指標(biāo)為關(guān)鍵指標(biāo)，必須有可靠的測量數(shù)據(jù)。為保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，采用了非接觸測量方法，在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，每間隔10°測量一個(gè)點(diǎn)，重復(fù)測量3次，測量儀器為美國生產(chǎn)的高精度激光跟蹤儀。最終的精度測量結(jié)果如圖6～7所示，測量結(jié)果表明，機(jī)構(gòu)達(dá)到了精度指標(biāo)要求，其精度比國內(nèi)現(xiàn)有腹撐系統(tǒng)的精度高了約3倍，是一套高精度的腹撐系統(tǒng)。

圖6 側(cè)滑角機(jī)構(gòu)重復(fù)定位精度測量值

圖7 迎角機(jī)構(gòu)重復(fù)定位精度測量值

為檢驗(yàn)迎角機(jī)構(gòu)承受氣動(dòng)載荷的能力，進(jìn)行了負(fù)載性能試驗(yàn)，試驗(yàn)方法為在尾連桿上加載重物，重物對迎角機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力矩等于最大氣動(dòng)力對迎角機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力矩，試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)構(gòu)具備預(yù)期負(fù)載能力。

調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)了較多的設(shè)計(jì)及加工安裝質(zhì)量問題，比如風(fēng)擋連桿干涉、主支桿與側(cè)滑角機(jī)構(gòu)不同軸、迎角機(jī)構(gòu)精度測試不合格、部分加工安裝工藝設(shè)計(jì)不夠合理等問題。經(jīng)整改，上述問題都得到了圓滿解決。各機(jī)構(gòu)運(yùn)行靈活順暢，幾乎聽不到任何噪聲，運(yùn)行非常平穩(wěn)，是一套較理想的腹撐系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

(1) 通過對腹撐系統(tǒng)的三維建模與分析研究表明，機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度與剛度的設(shè)計(jì)要求，總體應(yīng)力水平較低，變形符合設(shè)計(jì)要求；

(2) 腹撐系統(tǒng)總體剛度分布合理,總體模態(tài)頻率分布良好,未出現(xiàn)模態(tài)密集現(xiàn)象；

(3) 機(jī)構(gòu)精度測量、負(fù)載性能試驗(yàn)及運(yùn)行情況表明，機(jī)構(gòu)運(yùn)行靈活、順暢、平穩(wěn)，精度很高，是一套較理想的腹撐系統(tǒng)。

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The Ventral Strutting System of Icing Wind Tunnel Research and Dynamic Characteristic Analysis

SHEN Jiang， ZHANG Yan-hui， ZHU Chang-jiang

(ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,MianyangSichuan621000,China)

2014-05-04

申 江(1977-)，男，貴州遵義人，工程師，碩士，主要從事風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其動(dòng)態(tài)特性方向的研究工作。

V

A

1007-4414(2014)04-0011-04