風洞顫振試驗速壓制動裝置計算分析

曲明 張國友 董國慶 于金革

摘要：速壓制動裝置是風洞顫振試驗的保護裝置，文中通過對其進行運動學分析，計算歸納出了機構在工作過程中的運動規律，并且對機構的薄弱件進行了柔性分析，保證了機構運行的安全性，從而為研發速壓制動裝置提供了理論依據和設計基礎。

關鍵詞：速壓制動裝置；運動學分析；柔性分析

目前飛機多數采用薄型機翼帶有外掛物的結構形式，這樣的設計在解決某些氣動問題的同時，使得飛機機翼等部分原本就存在的結構變形問題更加嚴重，由于飛機的結構變形能改變其顫振特性，因此要在風洞中進行顫振試驗以確定彈性影響。

飛機模型在風洞進行顫振試驗過程中，當氣流速度逐漸接近預計的臨界顫振速度時，通過彈性支撐方式使得模型激振以測量模型的顫振模態等重要參數，劇烈的顫振可能造成模型局部毀壞，脫落部分將會對風洞造成破壞，因此在風洞的試驗段安裝速壓制動裝置，在預見到危險時，該機構可以在極短時間內將風速降下來，從而減小模型的振幅，保護風洞不受損壞。

1.速壓制動裝置結構簡介

按照某風洞尺寸及模型試驗參數要求，速壓制動裝置由4塊翼型阻流板構成，結構簡圖如圖1所示，采用液壓系統提供動力，驅動機構原動件即滑塊按照預定的位移-時間曲線在導軌上運動，通過偏置曲柄滑塊機構帶動曲柄即翼型阻流板旋轉，從而逐漸增大風洞截流面積，達到短時間內降低風速的目的。

圖1 速壓制動裝置結構簡圖

2.運動學分析

該裝置傳動機構采用偏置曲柄滑塊形式，為簡化計算，將一個曲柄滑塊機構分離出來進行計算分析，機構運動簡圖如圖2所示。

圖2 偏置曲柄滑塊機構運動簡圖

滑塊為原動件，曲柄為從動件，運動學分析過程中，按逆運動求解原動件的運動規律，曲柄勻速旋轉，轉動90°的時間定為0.3秒，則曲柄轉動速度：

(1)位移分析

該機構的封閉矢量方程式為：

（2）速度分析

將位移方程對時間求導數得：

（3）加速度分析

將速度方程對時間求導數得：

上式展開取實部得：

原加速度方程展開取虛部得：

由以上公式得出原動件的位移函數：

3.解析解與仿真結果對比驗證

由于阻流板翻轉90°時間設定為0.3秒，所以ADAMS仿真時間為0.3秒，在時間終點t=0.3秒時，驗證位移、速度兩個參數的解析解與仿真結果的吻合度。

在偏置曲柄滑塊機構當中，曲柄長度為300mm，偏心距為450mm，圖解法可知連桿長度為750mm，t=0.3s時，由運動方程得出如下解析解：

則滑塊行程：

傳動機構仿真模型各點坐標如圖3所示，s-t曲線、 v-t曲線及 曲線分別如圖4、圖5及圖6所示，幾組曲線在0.3s數值與解析解相同，由此可以驗證運動方程解析解的正確性。

圖3 傳動機構各點坐標

圖4 s-t曲線

圖5 v-t曲線

圖6曲線

4.柔性分析

動力學分析過程中，將滑塊的位移-時間關系以spline曲線形式輸入ADAMS，作為原動件的控制曲線，仿真時間設定為0.3s，在仿真中圓錐滾子軸承摩擦因數u取0.005，推力球軸承圓錐滾子軸承摩擦因數u取0.0012，由此計算出的從動件即阻流板旋轉速度-時間曲線如圖7所示，可見角速度的數值一直穩定于 。

圖7 阻流板旋轉速度-時間曲線

液壓系統需提供的外力-時間曲線如圖8所示，由圖可知液壓缸需提供的最大外力約為1150N。

圖8 液壓缸提供動力-時間曲線

為考察機構部件在傳動過程中的應力狀態及分布規律，需要對部件進行有限元分析，可以從靜態及動態兩方面考慮，從該機構的運行狀況可知連桿在0.3s內受力狀態發生較大變化，是機構中的薄弱件，因此為全面考察機構的安全性，選擇采用動強度分析方法對機構進行仿真模擬，其中薄弱件即連桿設置為柔性體。

剛-柔混合模型計算結果如圖9所示，調入ADAMS/DURABILITY模塊，將連桿在0.3s運動過程中產生較大應力的10個節點的計算結果信息列表顯示，如圖10所示，可知連桿運動過程中出現的最大應力約為0.358MPa，節點編號為id43380，柔性體出現較大應力的四個節點在傳動過程中的應力-時間曲線如圖11所示，可見最大應力均產生于運動初始及結束時刻。

圖9 剛-柔混合模型

圖10產生較大應力的10個節點信息列表

圖11 產生較大應力節點的應力-時間曲線

5.結論

（1）采用解析法計算歸納出了速壓制動裝置在工作過程中的運動規律，為機構的控制系統設計提供了理論依據和設計基礎。

（2）將解析解與仿真結果進行對比，驗證了解析解的正確性。

（3）對機構在運動過程中受力狀態發生較大變化的薄弱件進行了柔性體分析，保證了機構運行的安全性。

6.參考文獻

[1] 李增剛.ADAMS入門詳解與實例[M].國防工業出版社.2008.8：140-145