聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)仿真

張曉寧，趙 雷，楊勇剛

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

0 引言

在航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)中，經(jīng)常通過角度可調(diào)節(jié)的靜子葉片來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的不斷提高，多型先進(jìn)的航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)都有多級(jí)可調(diào)靜子葉片。如果每級(jí)葉片都設(shè)計(jì)單獨(dú)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，則需要大量的零部件來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，如果設(shè)計(jì)1套聯(lián)合調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)多級(jí)靜子葉片的統(tǒng)一角度調(diào)節(jié)，可極大地減少發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)量，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性[1-3]。

在航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)可調(diào)靜葉聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)的傳統(tǒng)開發(fā)中，在無物理樣機(jī)的初始開發(fā)階段，完成這樣復(fù)雜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度很大，而如果反復(fù)進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，會(huì)延長(zhǎng)研發(fā)周期和增加研發(fā)成本。為此，本文采用集成了多體動(dòng)力學(xué)和虛擬樣機(jī)技術(shù)的ADAMS軟件對(duì)某臺(tái)已設(shè)計(jì)完成的聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真研究，得到能復(fù)核聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)各級(jí)靜葉調(diào)節(jié)規(guī)律[4]。

1 研究對(duì)象

用來校驗(yàn)?zāi)扯嗉?jí)壓氣機(jī)的聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)的角度調(diào)節(jié)效果。該壓氣機(jī)的前3排靜子葉片可調(diào)節(jié)角度，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是1套空間連桿機(jī)構(gòu)，主要由可調(diào)葉片、搖臂、聯(lián)動(dòng)環(huán)、操縱桿、液壓作動(dòng)筒等部分組成。該機(jī)構(gòu)系統(tǒng)原理如圖1所示，作動(dòng)筒往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過主動(dòng)桿帶動(dòng)操縱桿轉(zhuǎn)動(dòng)，操縱桿通過連桿協(xié)調(diào)3級(jí)聯(lián)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)各級(jí)葉片按不同規(guī)律聯(lián)調(diào)[5]。

圖1 3級(jí)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)

2 多體動(dòng)力學(xué)仿真分析模型的建立

把在UG中建立的燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)可調(diào)葉片聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)的3維裝配模型[6]，導(dǎo)入ADAMS軟件中，在所有零件的各安裝處設(shè)置各自的約束，得到最終的聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

從圖1中可見，由于搖臂與可調(diào)葉片通過扁口固定連接，搖臂的旋轉(zhuǎn)角度就等于可調(diào)葉片繞軸頸的旋轉(zhuǎn)角度，所以在建模中沒有建立可調(diào)葉片的模型，但這并不影響計(jì)算結(jié)果。

該聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)的作動(dòng)筒活塞沿作動(dòng)筒筒體的移動(dòng)約束為驅(qū)動(dòng)約束[7]，相關(guān)約束分析見表1。

需要指出的是，從表中可知，另增小球的關(guān)節(jié)軸承模擬約束，是指在ADAMS計(jì)算模型中，2個(gè)零件互相裝配處增加了1個(gè)小球，小球與被包容件之間用球鉸進(jìn)行約束，而小球與包容件之間用圓柱鉸進(jìn)行約束。解釋如下：拿操縱桿1級(jí)凸耳與1級(jí)拉桿之間的約束舉例，由于在相配處，凸耳的寬度大于拉桿的寬度，所以在這里將凸耳稱作包容件，而將拉桿稱為被包容件。建模時(shí)，在該相配處建立1個(gè)小球，實(shí)際上用它模擬關(guān)節(jié)軸承中的半關(guān)節(jié)球，將拉桿與小球定義為球鉸，將小球與凸耳定義為圓柱鉸[8-10]。

表1 約束的定義

3 仿真結(jié)果分析

3.1 ADAMS計(jì)算模型的仿真結(jié)果分析

該燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)，包括3級(jí)靜子可調(diào)葉片，第1級(jí)稱為進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)向葉片（VIGV），另外為第1、2級(jí)可調(diào)葉片，通過氣動(dòng)性能的計(jì)算，給出了要求的第1、2級(jí)可調(diào)葉片調(diào)節(jié)角度與VIGV的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表2中的“理論”一列。ADAMS仿真的結(jié)果分別如圖2~4所示，用ADAMS中的PostProcessor模塊讀出各角度，其中COMP_MEA_1為VIGV的角度，COMP_MEA_2為第1級(jí)可調(diào)葉片的角度，COMP_MEA_3為第2級(jí)可調(diào)葉片的角度。讀出圖中同一橫坐標(biāo)時(shí)的各角度對(duì)應(yīng)數(shù)值，可以得到VIGV和第1級(jí)、2級(jí)可調(diào)葉片間的聯(lián)調(diào)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系。見表2的仿真一列。

表2 仿真值與理論值的對(duì)比 （°）

圖2 VIGV的角度變化規(guī)律

圖3 第1級(jí)葉片的角度變化規(guī)律

圖4 第2級(jí)葉片的角度變化規(guī)律

3.2 用幾何法計(jì)算的3級(jí)角度對(duì)應(yīng)規(guī)律結(jié)果分析

用AUTOCAD繪圖軟件，分析3級(jí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)規(guī)律，分別用到以下參數(shù)：VIGV和第1、2級(jí)可調(diào)葉片旋轉(zhuǎn)角度，VIGV和第1、2級(jí)搖臂旋轉(zhuǎn)角度，VIGV和第1、2級(jí)拉桿的位移量，VIGV聯(lián)動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)角度，操縱桿旋轉(zhuǎn)角度，最終得到3級(jí)可調(diào)葉片聯(lián)調(diào)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。

3.3 2種計(jì)算方法的比較

第1、2級(jí)調(diào)葉角度與VIGV角度關(guān)系的ADAMS仿真結(jié)果與理論值比較分別如圖5、6所示。

表3 幾何法結(jié)果與理論值的比較 （°）

圖5 第1級(jí)調(diào)葉角度與VIGV角度關(guān)系的ADAMS仿真結(jié)果與理論值比較

圖6 第2級(jí)調(diào)葉角度與VIGV角度關(guān)系的ADAMS仿真結(jié)果與理論值比較

幾何法計(jì)算的結(jié)果與設(shè)計(jì)要求的對(duì)比關(guān)系，第1、2級(jí)調(diào)葉角度與VIGV角度關(guān)系的幾何法計(jì)算結(jié)果與理論值比較分別如圖7、8所示。

圖7 第1級(jí)調(diào)葉角度與VIGV角度關(guān)系的幾何法計(jì)算結(jié)果與理論值比較

圖8 第2級(jí)調(diào)葉角度與VIGV角度關(guān)系的幾何法計(jì)算結(jié)果與理論值比較

從圖5～8中可見，ADAMS建模仿真結(jié)果是準(zhǔn)確的，很好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。并且在VIGV從-18°～-7.5°范圍內(nèi)，ADAMS建模仿真結(jié)果優(yōu)于幾何計(jì)算的結(jié)果。這是由于幾何方法只能近似評(píng)估角度，無法考慮關(guān)節(jié)軸承處的活動(dòng)自由度，而ADAMS可以準(zhǔn)確地仿真關(guān)節(jié)軸承的活動(dòng)量，更接近真實(shí)機(jī)械系統(tǒng)[11~14]。

在ADAMS計(jì)算仿真結(jié)果中，為了提高仿真精度，可將若干零件的約束深度細(xì)化，比如第1級(jí)拉桿與凸耳處約束可以進(jìn)一步細(xì)化，通過增加面與碰撞的詳細(xì)約束等方法，可提高仿真精度。需要指出的是，深度細(xì)化關(guān)節(jié)處的約束，需要詳細(xì)開發(fā)ADAMS的相關(guān)約束模塊，并需要進(jìn)一步使用ADAMS中的相關(guān)高級(jí)功能[15]。

4 聯(lián)調(diào)仿真中各拉桿的受力分析

在本文所研究的聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)中，可調(diào)葉片會(huì)受到氣動(dòng)扭矩的作用，從而將力傳遞到拉桿中?？梢杂肁DAMS仿真來分析拉桿的受力情況。

在本文ADAMS模型中，計(jì)算每個(gè)可調(diào)葉片受到5 N·m的氣動(dòng)力矩（在此僅作為受力分析的示意，不代表真實(shí)力矩大?。?。在ADAMS模型中的搖臂上利用軟件提供模塊施加力矩，然后軟件開始仿真計(jì)算，結(jié)束后可用軟件虛擬測(cè)量出3處計(jì)算得到各關(guān)節(jié)的受力，而由于拉桿是2力桿結(jié)構(gòu)，故關(guān)節(jié)的受力就等同于拉桿的受力，拉桿上受力仿真結(jié)果如圖9～11所示。

圖9 VIGV拉桿上受力情況

圖10 第1級(jí)拉桿受力情況

圖11 第2級(jí)拉桿受力情況

從圖9～11中可見，VIGV和第1、2級(jí)拉桿的受力分別為600、2110和2210N左右，這3個(gè)拉桿所受拉力，都隨著VIGV的增大不斷變化，并有不同的變化趨勢(shì)。利用這些聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)內(nèi)部各連接關(guān)節(jié)處的受力情況[16]，可以改進(jìn)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，或利用相關(guān)理論或軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估。

5 結(jié)論

（1）通過該ADAMS仿真系統(tǒng)的建立，計(jì)算出聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)各級(jí)靜葉調(diào)節(jié)規(guī)律關(guān)系，了解到調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作的具體角度數(shù)值，定量地校驗(yàn)了機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)性能。

（2）較為精準(zhǔn)地衡量了機(jī)械系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，仿真了聯(lián)調(diào)系統(tǒng)的多級(jí)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過進(jìn)一步地細(xì)化完善設(shè)計(jì)，可使改進(jìn)后的聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)設(shè)計(jì)給出的聯(lián)調(diào)角度對(duì)應(yīng)表。

（3）由于幾何方法只能近似評(píng)估角度，無法考慮關(guān)節(jié)軸承處的活動(dòng)自由度，而ADAMS仿真可以考慮這些因素，所以ADAMS建模仿真結(jié)果優(yōu)于幾何計(jì)算的結(jié)果。

（4）通過對(duì)ADAMS仿真系統(tǒng)的仿真計(jì)算結(jié)果，可細(xì)致地了解聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)內(nèi)部各連接關(guān)節(jié)處的受力情況，為改進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高零件強(qiáng)度可靠性提供依據(jù)。

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