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(gòu)在工作過程中的運動規(guī)律，并且對機構(gòu)的薄弱件進行了柔性分析，保證了機構(gòu)運行的安全性，從而為研發(fā)速壓制動裝置提供了理論依據(jù)和設(shè)計基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：速壓制動裝置；運動學分析；柔性分析

目前飛機多數(shù)采用薄型機翼帶有外掛物的結(jié)構(gòu)形式，這樣的設(shè)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(jié)構(gòu)變形問題更加嚴重，由于飛機的結(jié)構(gòu)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(yù)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(tài)等重要參數(shù)，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(yù)見到危險時，該機構(gòu)可以在極短時間內(nèi)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(jié)構(gòu)簡介

按照某風洞尺寸及模型試驗參數(shù)要求，速壓制動裝置由4塊翼型阻流板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，采用液壓系統(tǒng)提供動力，驅(qū)動機構(gòu)原動件即滑塊按照預(yù)定的位移-時間曲線在導(dǎo)軌上運動，通過偏置曲柄滑塊機構(gòu)帶動曲柄即翼型阻流板旋轉(zhuǎn)，從而逐漸增大風洞截流面積，達到短時間內(nèi)降低風速的目的。

圖1 速壓制動裝置結(jié)構(gòu)簡圖

2.運動學分析

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

圖2 偏置曲柄滑塊機構(gòu)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(guī)律，曲柄勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動90°的時間定為0.3秒，則曲柄轉(zhuǎn)動速度：

(1)位移分析

該機構(gòu)的封閉矢量方程式為：

（2）速度分析

將位移方程對時間求導(dǎo)數(shù)得：

（3）加速度分析

將速度方程對時間求導(dǎo)數(shù)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(shù)：

3.解析解與仿真結(jié)果對比驗證

由于阻流板翻轉(zhuǎn)90°時間設(shè)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(shù)的解析解與仿真結(jié)果的吻合度。

在偏置曲柄滑塊機構(gòu)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(gòu)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(shù)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(gòu)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(guān)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(shè)定為0.3s，在仿真中圓錐滾子軸承摩擦因數(shù)u取0.005，推力球軸承圓錐滾子軸承摩擦因數(shù)u取0.0012，由此計算出的從動件即阻流板旋轉(zhuǎn)速度-時間曲線如圖7所示，可見角速度的數(shù)值一直穩(wěn)定于 。

圖7 阻流板旋轉(zhuǎn)速度-時間曲線

液壓系統(tǒng)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(gòu)部件在傳動過程中的應(yīng)力狀態(tài)及分布規(guī)律，需要對部件進行有限元分析，可以從靜態(tài)及動態(tài)兩方面考慮，從該機構(gòu)的運行狀況可知連桿在0.3s內(nèi)受力狀態(tài)發(fā)生較大變化，是機構(gòu)中的薄弱件，因此為全面考察機構(gòu)的安全性，選擇采用動強度分析方法對機構(gòu)進行仿真模擬，其中薄弱件即連桿設(shè)置為柔性體。

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

圖9 剛-柔混合模型

圖10產(chǎn)生較大應(yīng)力的10個節(jié)點信息列表

圖11 產(chǎn)生較大應(yīng)力節(jié)點的應(yīng)力-時間曲線

5.結(jié)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(guī)律，為機構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計提供了理論依據(jù)和設(shè)計基礎(chǔ)。

（2）將解析解與仿真結(jié)果進行對比，驗證了解析解的正確性。

（3）對機構(gòu)在運動過程中受力狀態(tài)發(fā)生較大變化的薄弱件進行了柔性體分析，保證了機構(gòu)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(yè)出版社.2008.8：140-145