防波板連桿機(jī)構(gòu)啟閉過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王聞航, 儲(chǔ)景瑞, 盧 超, 陳 偉, 楊 鋼

(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院FESTO 氣動(dòng)中心, 湖北武漢 430074;2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心, 湖北武漢 430064)

引言

防波板位于潛航器表面,航行時(shí)可保持航行器流線外形,以減小阻力[1];而工作時(shí),需開啟防波板,以保證工作空間。由于潛航器內(nèi)部空間十分緊張,需對(duì)某現(xiàn)有防波板啟閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[2],減小其開啟過程中的最大驅(qū)動(dòng)力矩[3],從而降低防波板機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器尺寸,同時(shí)降低開啟功率,減少啟閉過程的能源消耗。

防波板啟閉機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過連桿機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)防波板開啟和關(guān)閉。對(duì)于連桿機(jī)構(gòu)中力矩優(yōu)化的研究[4-7]較多,劉杰等[8]對(duì)載具連桿機(jī)構(gòu)展開狀態(tài)下的力矩進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化后力矩下降60%,取得較好優(yōu)化效果。但目前對(duì)于連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)全過程的優(yōu)化研究較少,全過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化[9]即綜合考慮整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的受力、力矩變化,能夠在一定程度上提高優(yōu)化效果。

本研究對(duì)防波板的啟閉連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行全過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì),以啟閉過程中所需的最大驅(qū)動(dòng)力矩為優(yōu)化目標(biāo),結(jié)合Fluent流體仿真[10]獲得啟閉過程防波板所受負(fù)載力的開度-水動(dòng)力函數(shù),通過ADAMS建立動(dòng)力學(xué)仿真模型以獲取驅(qū)動(dòng)力矩變化特性[11],最后通過控制變量法實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)力矩優(yōu)化。

1 防波板啟閉裝置結(jié)構(gòu)與約束

防波板啟閉裝置三維結(jié)構(gòu)如圖1所示,通過四桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)防波板完成啟閉動(dòng)作。

圖1 防波板啟閉裝置三維模型Fig.1 3D model of shutter opening and closing device

機(jī)構(gòu)的平面示意圖如圖2所示。啟閉連桿機(jī)構(gòu)曲柄OA桿初末位置固定,連桿BC與防波板固連,防波板繞C點(diǎn)旋轉(zhuǎn)40°,即∠BCB1。優(yōu)化參數(shù)為鉸接點(diǎn)B與鉸接點(diǎn)C橫縱坐標(biāo)。機(jī)構(gòu)的約束條件為:

圖2 平面連桿機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of planar linkage mechanism

(1) 防波板開啟后需滿足工作空間;

(2) 防波板啟閉過程中無(wú)死點(diǎn)。

由上述約束條件分別得B,C兩點(diǎn)坐標(biāo)的約束方程如式(1)、式(2)所示,式中單位為mm。

(1)

(2)

由該方程組,可得出C點(diǎn)和B點(diǎn)的約束范圍,分別如圖2三角形陰影和四邊形陰影所示。由于運(yùn)動(dòng)過程中,桿長(zhǎng)應(yīng)保持不變,以C點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)推導(dǎo)得到B點(diǎn)橫縱坐標(biāo)限制關(guān)系,如式(3)所示:

(3)

由式(3)可知,當(dāng)A,A1,C點(diǎn)位置確定時(shí),B點(diǎn)橫縱坐標(biāo)滿足線性關(guān)系,如圖2所示。

2 防波板負(fù)載力數(shù)值計(jì)算

為確定驅(qū)動(dòng)力大小,需首先計(jì)算防波板所受負(fù)載力,而在航行過程中,防波板所受的負(fù)載力近似認(rèn)為等于航行過程中的水動(dòng)力。

2.1 計(jì)算模型

本研究以防波板為研究對(duì)象,基于Fluent開展水動(dòng)力仿真分析。為真實(shí)模擬海水流過防波板的狀況,對(duì)防波板及附近的部分潛航器結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,計(jì)算模型如圖3所示。劃分網(wǎng)格約為160萬(wàn)個(gè)并驗(yàn)證了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性[12],計(jì)算模型設(shè)定為k-ε中的RNG湍流模型[13]。

圖3 流體計(jì)算模型Fig.3 Fluid computational model

為綜合考慮防波板啟閉全過程的負(fù)載力,將防波板繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)C開啟角度從0°～50°均分為11種工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

2.2 計(jì)算結(jié)果

針對(duì)0°～50°間的11種工況,分別開展了仿真計(jì)算,得出了防波板所受水動(dòng)力及表面應(yīng)力。其中,防波板全閉(∠BCB1=0°)、半開(∠BCB1=25°)、全開(∠BCB1=50°)工況壓力云圖,如圖4所示。

圖4 防波板壓力云圖Fig.4 Pressure contour map of shutter

防波板所受水動(dòng)力可分解為x,y,z方向,而z方向受力被連桿結(jié)構(gòu)平衡,防波板負(fù)載力主要為x,y方向所受水動(dòng)力。防波板所受x和y方向水動(dòng)力,如表1所示。

表1 防波板水動(dòng)力Tab.1 Hydrodynamics of shutter

基于上述仿真結(jié)果擬合得出防波板開度-水動(dòng)力函數(shù),如式(4)所示:

(4)

式中,Fx—— 防波板x方向受力

Fy—— 防波板y方向受力,N

x—— 防波板繞下旋轉(zhuǎn)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度,(°)

防波板x方向受力隨開啟角度變大先變小和增大,在開啟角度為40°,即防波板與航行方向平行時(shí)防波板水動(dòng)力約為0。y方向受力隨開啟角度變大而變大,符合實(shí)際情況。

2.3 開度-水動(dòng)力函數(shù)通用性驗(yàn)證

因防波板開啟特定角度后,其位置與旋轉(zhuǎn)點(diǎn)C位置相關(guān),故需驗(yàn)證防波板開度-水動(dòng)力函數(shù)在C點(diǎn)位置不同時(shí)的通用性。考慮到旋轉(zhuǎn)點(diǎn)C可變范圍較小,在C點(diǎn)約束范圍內(nèi),對(duì)3個(gè)邊界頂點(diǎn)位置分別進(jìn)行半開、全開兩種工況仿真,仿真結(jié)果如表2所示。

表2 三極限位置仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results of three extreme positions

由表可見,旋轉(zhuǎn)點(diǎn)C位置對(duì)防波板水動(dòng)力無(wú)明顯影響,可認(rèn)為不同的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)位置下的開度-水動(dòng)力函數(shù)相同。

3 動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

防波板啟閉連桿機(jī)構(gòu)為平面連桿機(jī)構(gòu),基于ADAMS[14-15]搭建動(dòng)力學(xué)模型并開展仿真分析,得出啟閉連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)防波板啟閉過程所需驅(qū)動(dòng)力矩的變化特性。

3.1 動(dòng)力學(xué)模型

動(dòng)力學(xué)模型如圖5所示,從左至右分別為點(diǎn)O,A,B,C。OA桿為驅(qū)動(dòng)桿,在O鉸接點(diǎn)處施加位移驅(qū)動(dòng),使得防波板經(jīng)歷開啟(0～5 s)、暫位(5～7 s)、關(guān)閉(7～12 s)過程,開啟階段驅(qū)動(dòng)桿OA勻速運(yùn)動(dòng)至∠ACA1=80°,暫位階段驅(qū)動(dòng)桿OA保持靜止,關(guān)閉階段驅(qū)動(dòng)桿OA勻速運(yùn)動(dòng)回原位;在BC桿對(duì)應(yīng)防波板受力中心位置施加水動(dòng)力,該力作用點(diǎn)分別添加x,y方向集中力,力函數(shù)為開度-水動(dòng)力函數(shù)。由于防波板開啟和關(guān)閉過程為勻速、慢速啟閉過程,可認(rèn)為驅(qū)動(dòng)桿OA所受力矩等于克服水動(dòng)力負(fù)載所需力矩。

圖5 ADAMS動(dòng)力學(xué)模型圖Fig.5 ADAMS dynamic model diagram

3.2 仿真結(jié)果

得到驅(qū)動(dòng)力矩T以及功率P變化圖,如圖6所示。由圖6可知,啟閉連桿機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動(dòng)力矩在開啟過程中逐漸增大,在接近防波板呈開啟狀態(tài)時(shí),所需力矩急劇增大后達(dá)到最大值,關(guān)閉過程與開啟過程變化規(guī)律對(duì)稱,啟閉連桿機(jī)構(gòu)在開啟狀態(tài)時(shí)的傳力性能對(duì)最大驅(qū)動(dòng)力矩有重要影響。

圖6 ADAMS仿真力矩圖Fig.6 ADAMS dynamic model diagram

4 仿真優(yōu)化

4.1 仿真優(yōu)化計(jì)算

優(yōu)化參數(shù)為B點(diǎn)坐標(biāo)與C點(diǎn)坐標(biāo),為得出B,C點(diǎn)坐標(biāo)的優(yōu)化解,基于控制變量法探究?jī)摄q接點(diǎn)位置對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響。

控制C點(diǎn)坐標(biāo)不變,O,A,C點(diǎn)坐標(biāo)分別設(shè)置為O(0,0),A(464.363,24.336),C(2473.803,-399.479),坐標(biāo)單位為mm。在B點(diǎn)限制范圍內(nèi)更改B點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,不同位置連桿機(jī)構(gòu)示意圖如圖7所示,從左至右依次為位置1～5,重復(fù)仿真過程,得到仿真結(jié)果曲線圖如圖8所示,其中,由于開啟后,連桿機(jī)構(gòu)存在死點(diǎn),B點(diǎn)位于位置1時(shí),仿真發(fā)散。

圖7 5組不同B點(diǎn)位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of five sets of different B point positions

圖8 不同B點(diǎn)位置仿真結(jié)果圖Fig.8 Simulation result plot for different B point positions

圖9 3組不同C點(diǎn)位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of three sets of different C point positions

由圖8可知,驅(qū)動(dòng)力矩整體變化趨勢(shì)相同,驅(qū)動(dòng)力矩隨防波板開啟角度增加而增大,不同B點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的最大力矩及功率值見表3。

表3 B點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)最大力矩影響結(jié)果Tab.3 Results of influence of B point coordinates on maximum torque

由表3可知,B點(diǎn)位置越靠近防波板,即橫縱坐標(biāo)越大,啟閉全過程中最大力矩越小,最大力矩的最小值為11040 N·m。此時(shí),B點(diǎn)位置在防波板開啟狀態(tài)下∠A1B1C最小,即在現(xiàn)有約束下傳動(dòng)角最小,傳力性能較好,仿真結(jié)果符合機(jī)械傳動(dòng)相關(guān)理論。

因B點(diǎn)坐標(biāo)與C點(diǎn)坐標(biāo)相關(guān),無(wú)法控制B點(diǎn)坐標(biāo)不變,由上述計(jì)算過程可知,B點(diǎn)在其可行域右邊界時(shí),最大驅(qū)動(dòng)力矩最小。保持O點(diǎn)與A點(diǎn)坐標(biāo)不變,C點(diǎn)坐標(biāo)不同時(shí),對(duì)應(yīng)的B點(diǎn)均選取其可行域右邊界上的點(diǎn),不同位置連桿機(jī)構(gòu)示意圖如9所示,仿真結(jié)果曲線圖,如圖10所示。

圖10 不同C點(diǎn)位置仿真結(jié)果圖Fig.10 Simulation result plot for different C point positions

由仿真結(jié)果圖可知,驅(qū)動(dòng)力矩隨防波板開啟角度增加而增大,不同C點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的最大力矩值見表4。

表4 C點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)最大力矩影響結(jié)果Tab.4 Results of influence of C point coordinates on maximum torque

由表4可知,C點(diǎn)位于可行域三角形左下角時(shí),最大驅(qū)動(dòng)力矩最小,最大力矩的最小值為8811.6 N·m。此時(shí),在防波板開啟狀態(tài)下,∠A1B1C最小,即在現(xiàn)有約束條件下,傳動(dòng)角最小,傳力性能較好,仿真結(jié)果符合機(jī)械傳動(dòng)相關(guān)理論。

綜上可知,在C點(diǎn)坐標(biāo)不變情況下,B點(diǎn)位置越靠近防波板,即約束范圍內(nèi)橫坐標(biāo)越大,最大驅(qū)動(dòng)力矩越小;在保持B點(diǎn)位置處于右邊界條件下,C點(diǎn)橫、縱坐標(biāo)越小,對(duì)應(yīng)的最大驅(qū)動(dòng)力矩越小,且對(duì)最大力矩的影響弱于B點(diǎn)位置對(duì)最大驅(qū)動(dòng)力矩影響。

因此在現(xiàn)有約束下,可認(rèn)為C點(diǎn)處于約束范圍左下位,B點(diǎn)處于約束范圍右邊界上時(shí),啟閉全過程最大驅(qū)動(dòng)力矩最小。優(yōu)化前后啟閉全過程驅(qū)動(dòng)力矩及功率變化特性如圖11所示,最大驅(qū)動(dòng)力矩及功率值如表5所示。優(yōu)化后的最大驅(qū)動(dòng)力矩由17934 N·m降為8811.6 N·m,最大驅(qū)動(dòng)力矩從3.9468 kW下降為2.4366 kW;驅(qū)動(dòng)力矩和驅(qū)動(dòng)功率分別減少了50.86%和38.26%。

表5 防波板參數(shù)優(yōu)化對(duì)比表Tab.5 Comparison table of shutter parameter optimization

圖11 優(yōu)化前后對(duì)比圖Fig.11 Comparison graph before and after optimization

5 結(jié)論

本研究以減小防波板啟閉機(jī)構(gòu)最大驅(qū)動(dòng)力矩為目標(biāo),開展了防波板啟閉連桿機(jī)構(gòu)全過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化,得出如下結(jié)論:

(1) 通過Fluent仿真計(jì)算求得防波板在潛航器運(yùn)動(dòng)時(shí)開啟過程中所受負(fù)載力的變化,得到開度-水動(dòng)力函數(shù);同時(shí)通過流體仿真驗(yàn)證了開度-水動(dòng)力函數(shù)的通用性;

(2) 基于ADAMS搭建了防波板啟閉機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型,仿真結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)力矩隨著防波板開度增加而增大;

(3) 基于控制變量法探究了優(yōu)化參數(shù)B,C點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)最大驅(qū)動(dòng)力矩影響,其中B點(diǎn)越靠近右邊界,C點(diǎn)越靠近左下邊界,對(duì)應(yīng)的最大驅(qū)動(dòng)力矩越小;

(4) 優(yōu)化后最大驅(qū)動(dòng)力矩從17934 N·m減少到8811.6 N·m,同比下降50.86%,與此同時(shí),最大驅(qū)動(dòng)功率從3.9468 kW下降為2.4366 kW,同比下降38.26%。

本研究?jī)?yōu)化工作考慮了啟閉連桿機(jī)構(gòu)開啟關(guān)閉全過程的受力與驅(qū)動(dòng)力矩變化,大幅減小了防波板啟閉機(jī)構(gòu)最大驅(qū)動(dòng)力矩和驅(qū)動(dòng)功率。這對(duì)減小驅(qū)動(dòng)設(shè)備尺寸、節(jié)約設(shè)備能源有著重要意義。