基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的風(fēng)洞迎角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

甘小明， 陳萬華， 王睿， 劉秉斌

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

0 引言

虛擬樣機(jī)技術(shù)（Virtual Prototyping Technology）是在產(chǎn)品的研發(fā)過程中，結(jié)合零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品模型，并對(duì)產(chǎn)品的各種使用工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能；從而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可簡(jiǎn)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的產(chǎn)品，同時(shí)也為物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供依據(jù)［1-5］。

迎角機(jī)構(gòu)是風(fēng)洞的關(guān)鍵部件之一，是試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹?，其運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)特性直接影響風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的精度［6］。迎角機(jī)構(gòu)采用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)可以模擬航空、航天飛行器在實(shí)際空間飛行時(shí)的各種姿態(tài)，仿真飛行器運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，從而提高迎角機(jī)構(gòu)的運(yùn)行精度，以此提高風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和置信度。

1 迎角機(jī)構(gòu)方案及原理分析

1.1 迎角機(jī)構(gòu)方案

迎角機(jī)構(gòu)采用雙支臂結(jié)構(gòu)形式，屬于尾部支撐。尾部支撐是目前風(fēng)洞試驗(yàn)應(yīng)用最為廣泛的支撐形式。尾部支撐具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）支撐機(jī)構(gòu)處于模型下游，對(duì)模型表面的流動(dòng)影響較小，測(cè)量數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確；2）尾撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且為通用支撐機(jī)構(gòu)，易于作對(duì)比試驗(yàn)。

迎角機(jī)構(gòu)主要由全彎刀支板、導(dǎo)軌座、導(dǎo)軌支架、滑塊座、伺服油缸、油缸座以及圓弧導(dǎo)軌副組成（見圖1）。滑塊座與彎刀支板通過螺栓和銷連接，導(dǎo)軌座和油缸座分別安裝在試驗(yàn)段上下框架上，圓弧導(dǎo)軌副分別安裝在滑塊座和軌道座上，2只伺服油缸平行布置在迎角機(jī)構(gòu)上方，同步驅(qū)動(dòng)全彎刀支板。

傳統(tǒng)的迎角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和方案論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，通常制造物理樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。虛擬樣機(jī)技術(shù)則是在不制造實(shí)物樣機(jī)的前提下進(jìn)行迎角機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)、方案論證及設(shè)計(jì)驗(yàn)證，并在設(shè)計(jì)過程中及時(shí)修改設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行各種校核和優(yōu)化。采用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)可以大大縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本，提高產(chǎn)品性能。

迎角機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)是在計(jì)算機(jī)上建立迎角機(jī)構(gòu)各零部件的數(shù)字模型，然后在計(jì)算機(jī)上將各零部件進(jìn)行數(shù)字化組裝，構(gòu)建起完備的數(shù)字迎角機(jī)構(gòu)（見圖1）。在建模和裝配過程中可以檢查零部件之間是否干涉，實(shí)時(shí)對(duì)迎角機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析、修改及優(yōu)化。

圖1 迎角機(jī)構(gòu)三維圖

1.2 迎角機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理

如圖2所示，迎角機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理為：伺服油缸驅(qū)動(dòng)彎刀支板沿圓弧導(dǎo)軌作圓周運(yùn)動(dòng)，伺服油缸采用耳軸安裝，耳軸處設(shè)球鉸，油缸前端與彎刀處通過球鉸相連，這樣在彎刀作圓弧運(yùn)動(dòng)（變攻角）的過程中，伺服油缸可沿耳軸擺動(dòng)，以補(bǔ)償長(zhǎng)度和高度方向的距離。迎角機(jī)構(gòu)主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)為：運(yùn)行范圍為-20°～+30°，運(yùn)動(dòng)精度為±0.05°，運(yùn)動(dòng)速度為 1°/s～5°/s可調(diào)。

油缸運(yùn)行長(zhǎng)度與角度關(guān)系見圖3，其中l(wèi)1為油缸初始長(zhǎng)度，l2為油缸運(yùn)行至某一角度的長(zhǎng)度，a為旋轉(zhuǎn)中心到油缸安裝座的距離，b為旋轉(zhuǎn)中心到前耳軸的距離，Δα為迎角機(jī)構(gòu)運(yùn)行角度，由此可得出油缸伸縮距離與迎角機(jī)構(gòu)運(yùn)行角度的關(guān)系式：

圖2 迎角機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理圖

圖3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2 虛擬樣機(jī)的靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析

2.1 迎角機(jī)構(gòu)的有限元分析

迎角機(jī)構(gòu)承受的載荷大，必須有足夠的強(qiáng)度以避免在大載荷下機(jī)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形或受損。迎角機(jī)構(gòu)也必須有足夠的剛度以避免：1）在試驗(yàn)過程中產(chǎn)生較大的變形，影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)行和精度；2）迎角機(jī)構(gòu)與風(fēng)洞高速氣流的低頻振蕩耦合，使模型產(chǎn)生抖動(dòng)，從而極大影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠度。

利用有限元對(duì)迎角機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析校核。在氣動(dòng)載荷作用下其有限元分析結(jié)果見表1，圖4、圖5為迎角機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖和變形云圖，圖6為迎角機(jī)構(gòu)前3階振型云圖。

表1 迎角機(jī)構(gòu)有限元分析結(jié)果

圖4 迎角機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖5 迎角機(jī)構(gòu)變形云圖

從表1和圖3～圖5可以看出，迎角機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度要求，具有合理的動(dòng)態(tài)特性。

2.2 迎角機(jī)構(gòu)的多體動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)迎角機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的情況，建立彎刀支板支板沿圓弧導(dǎo)軌繞模型中心的旋轉(zhuǎn)副（Revolute joint）、油缸活塞桿與缸筒間的移動(dòng)副（Translational joint）、油缸與油缸座間的球副（Spherical joint）及油缸座、導(dǎo)軌與試驗(yàn)段固定副（Fixed joint）；在油缸的移動(dòng)副添加移動(dòng)運(yùn)動(dòng)約束（Translational Motion）；在導(dǎo)軌與滑塊座之間施加接觸力。迎角機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真模型見圖7。

2.3 動(dòng)力學(xué)仿真分析

動(dòng)力學(xué)仿真是在給定的油缸速度下求油缸的載荷。為了仿真迎角機(jī)構(gòu)的正負(fù)攻角，設(shè)置運(yùn)動(dòng)-時(shí)間函數(shù)：IF（time-107.8：10.0*time，0，-10*time），圖 8 所示為油缸驅(qū)動(dòng)力隨時(shí)間變化的曲線圖，由曲線可分析得出：支板從0°向20°（正攻角）方向運(yùn)行過程中，由于支板的重心位置不斷變化，支板重力繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心的力臂不斷減小，因而油缸的驅(qū)動(dòng)力也隨之減??；負(fù)攻角的情形正好相反。由圖8可知單個(gè)油缸在理想狀況下驅(qū)動(dòng)力大約在70 kN，可根據(jù)此力及啟動(dòng)（或停止）加速度、沖擊載荷和油缸安裝方式來選取油缸。

3 迎角機(jī)構(gòu)控制設(shè)計(jì)

3.1 迎角系統(tǒng)控制原理

迎角機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)核心控制器通過控制2個(gè)并行工作的高頻響流量控制閥：油缸快速位移調(diào)節(jié)高頻響流量控制閥和油缸高精度位移調(diào)節(jié)高頻響流量控制閥實(shí)現(xiàn)迎角機(jī)構(gòu)的精確定位。迎角機(jī)構(gòu)快速回零時(shí)，2只閥同時(shí)工作，提供滿足回零的大流量要求。迎角機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制是通過油缸位移閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)的，核心控制器按照控制目標(biāo)值和油缸實(shí)際位移值誤差，依據(jù)一定的控制策略輸出電位移信號(hào)，控制高精度位移調(diào)節(jié)高頻響流量控制閥實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)油缸流量精確控制，以實(shí)現(xiàn)油缸位移也就是迎角機(jī)構(gòu)的精確定位。油缸內(nèi)部安裝有直線位移傳感器，實(shí)現(xiàn)位移的閉環(huán)控制，另外還有2個(gè)壓力傳感器，供控制計(jì)算決策使用，迎角機(jī)構(gòu)電液伺服控制原理圖如圖9。

圖7 迎角機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型

圖8 油缸驅(qū)動(dòng)力變化曲線

圖9 電液伺服控制原理圖

3.2 迎角控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

迎角機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制采用冗余設(shè)計(jì)，控制器有主控制器和副控制器2個(gè)控制器，兩油缸各安裝有1個(gè)位移傳感器，分別與主、副控制器構(gòu)成2個(gè)位置閉環(huán)控制。在正常情況下，由主控制器完成試驗(yàn)過程中的迎角定位和緊急回零等功能，若主控制器出現(xiàn)故障或迎角機(jī)構(gòu)控制出現(xiàn)異常，則將控制權(quán)切換到副控制器，由副控制器完成緊急回零，然后停止試驗(yàn)。

迎角控制器選用力士樂HNC100數(shù)字控制器，其適用于液壓軸閉環(huán)控制的特殊需求，在惡劣的工業(yè)環(huán)境中具有抗干擾、抗機(jī)械振動(dòng)與沖擊能力。位移傳感器在迎角控制精度方面起著關(guān)鍵的作用，迎角機(jī)構(gòu)位移傳感器選用美國(guó)MTS公司的磁致伸縮位移傳感器，其具有高精度、高可靠性的特點(diǎn)，可承受高溫、高壓和高振蕩環(huán)境等惡劣的工業(yè)環(huán)境。傳感器數(shù)據(jù)傳輸采用SSI即串聯(lián)同步界面數(shù)字輸出，抗干擾性極高。迎角主HNC100控制器和副HNC100控制器通過CAN總線與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)控制PXI RT嵌入式控制器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)和控制指令傳輸。

4結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立風(fēng)洞迎角機(jī)構(gòu)數(shù)字樣機(jī)模型，并對(duì)迎角機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真，得到了迎角機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件應(yīng)力應(yīng)變及運(yùn)動(dòng)載荷情況，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的虛擬設(shè)計(jì)。迎角機(jī)構(gòu)運(yùn)行情況和型號(hào)試驗(yàn)表明，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的迎角機(jī)構(gòu)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求。

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