開合式球形四軸遙控飛機軸部精加工流場仿真*

何　睿　蔡凱武　吳俊杰

(廣東工業大學華立學院　廣州　511325)

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開合式球形四軸遙控飛機軸部精加工流場仿真*

何睿蔡凱武吳俊杰

(廣東工業大學華立學院廣州511325)

摘要開合式球形四軸遙控飛機的軸部設計是整個著落架設計的核心,其承重和柔韌度要求較高,飛機的軸部加工是整個機械加工的難點。通過對飛機軸部的應力流場分析,提高加工精度。傳統的CAD三軸加工工藝無法滿足飛機軸部精加工的強度和韌帶需求,在應力流場分析的基礎上,提出一種基于四軸遙控飛機軸部內部流場網格分解和曲率修正的精加工方法。進行了開合式球形四軸遙控飛機軸部系統結構設計和應力分析,采用多塊化有限元網格分解方法實現對飛機軸部精加工的流場模擬和拓撲分析,優化加工工藝流程,實驗結果表明,采用該方法進行開合式球形四軸遙控飛機軸部精加工流場分析,能有效模擬開合式球形四軸遙控飛機軸部流場結構,實現加工過程的曲率修正,為軸部精加工提供指導,提高了飛機四軸的硬度和韌度,改善了加工工藝,在工程實踐中具有應用價值。

關鍵詞飛機; 加工; 機械; 流場分析

Class NumberTH161

1引言

隨著機械自動化制造技術和人工智能技術的發展,飛行器制造工業得到長足的進步,而今的飛行器制造向著無人化和小型化方向發展,并通過設計工藝的改進,降低了飛機著落對環境的要求,提高了環境的適應能力。開合式球形四軸遙控飛機作為一種新型的無人飛機,采用球形設計方法,降低空氣阻力,采用四軸著落架,實現了在野外惡劣環境下的降落和作業,開合式球形四軸遙控飛機將在未來的野外探測、軍事偵察、遙感監測和探險考察等領域都具有較好的應用價值。開合式球形四軸遙控飛機的軸部設計是整個著落架設計的核心,其承重和柔韌度要求較高,飛機的軸部加工是整個機械加工的難點。通過對飛機軸部的應力流場分析,提高加工精度,研究飛機軸部的流場模型并進行計算機仿真,對提高開合式球形四軸遙控飛機軸部的加工工藝具有重要意義[1～3]。

通過對開合式球形四軸遙控飛機軸部的流場分析,改善軸部精加工工藝流程,開合式球形四軸遙控飛機軸部的內部應力流場模型構建分析是刻畫四軸遙控飛機軸部剛度和柔韌性的重要指標。由于傳統的CAD三軸加工工藝無法滿足飛機軸部精加工的強度和韌帶需求,本文在應力流場分析的基礎上[4],提出一種基于四軸遙控飛機軸部內部流場網格分解和曲率修正的精加工方法。首先進行了開合式球形四軸遙控飛機軸部系統結構設計和應力分析,采用多塊化有限元網格分解方法實現對飛機軸部精加工的流場模擬和拓撲分析,優化加工工藝流程,最后通過仿真實驗進行了性能測試,展示了本文方法進行飛機軸部加工在提高軸部的應力強度方面的優越性能。

2開合式球形四軸遙控飛機軸部結構和應力分析

2.1結構分析與問題描述

為了提高合式球形四軸遙控飛機軸部剛度和柔韌性,提高精加工工藝,進行流場分析,在進行開合式球形四軸遙控飛機軸部的內部應力流場模型構建和分析之前,要首先對開合式球形四軸遙控飛機軸部的應力模型進行構建設計,使用應力分析軟件CAESAR Ⅱ對四軸遙控飛機軸部進行應力仿真模擬,使用Stroner Software公司的Stoner pipeline simulator 9.9.0(以下簡稱SPS)進行加工工藝模擬仿真,模型的建立包括力學數據輸入、軸部的抗拉強度模型的建立及組合工況的設定。本文根據雷諾數(Re)將四軸遙控飛機軸部流態分為四類:次層流、層流、紊流區、紊流的過渡區,采用網格分解方法[5],得到四軸遙控飛機軸部的流道模型網格分解結果如圖1所示。

圖1　四軸遙控飛機軸部結構模型

根據圖1給出的系統結構,分別對開合式球形四軸遙控飛機軸部的流態結構分析如下:

當3000

1/f= 1.74+2{log10(Re)

(1)

使用SPS中科爾布魯克公式,考慮組分守恒方程和化學守恒方程,進行開合式四軸遙控飛機軸部轉子機械內流數值分析,對改寫的普朗特-史里希廷公式表示為

(2)

遍歷每條網格線,通過對剖面層位和斷層的拾取,可以得到:

G(C[Δ+κ(Δ)])+CT∈Dom(G)=0

(3)

(4)

當p>2時,有:

(5)

將軸部轉子的單元體馮卡門公式改寫為

(6)

然后將上兩式合并,修正飛機軸部精加工過程中曲率半徑誤差,得到:

(7)

上式即為開合式球形四軸遙控飛機軸部加工的科爾布魯克公式,當ε=0時科爾布魯克公式轉化為普朗特-史里希廷公式,當Re足夠大時,此時剪應力是作用在與材料晶體結構平面,流場分析的普朗特-史里希廷公式則轉化為馮卡門公式。

2.2飛機軸部精加工應力分析

在上述進行了開合式球形四軸遙控飛機軸部結構分析的基礎上,通過對軸部應力進行分析,提高飛機四軸加工的韌度。在進行四軸遙控飛機軸部模型構建和加工設計前,對毛坯進行選材,管材選擇為L245NCS,規格φ60.3×6.3,能滿足飛機軸部的承重需求,開合式球形四軸遙控飛機軸部環向應力由內壓引起[7～10],方向垂直于軸向,內壓引起的軸向應力,在飛機落降地面時,曲率半徑對向心力產生隨機場分離影響,對剛度和柔韌性要求較高的開合式球形四軸遙控飛機軸部內部流場的流體約束控制方程為

(8)

式中,s1(t)為四軸遙控飛機軸部慣性旋轉量,amn為湍流作用下的應力分量,使用有限元分析方法對四軸遙控飛機軸部的內流數值離散處理,結合SPS中的Nikuradse公式,選用“Back-calculate”方法輸入軸部的承重壓力,SPS軟件反算得到四軸遙控飛機軸部加工的粗糙度和摩阻系數,從而得到通過載荷變化引起四軸遙控飛機軸部的內部流場規定的最小屈服強度為

(9)

其中,制造飛機軸部的管材在低溫環境時的允許的應力為一常數,球形四軸遙控飛機軸部曲率半徑誤差與旋轉坐標點(1,0)的弧線距離相差不大,由此,得到構建得到四軸遙控飛機軸部系統模型,建立了輸入四軸遙控飛機軸部參數、空間走向、外界條件以及精加工選材,為提高加工工藝奠定基礎。

3多塊結構化網格分解與四軸遙控飛機軸部內部應力場模型實現

圖2　飛機軸部剛體結構拓撲結構

采用多塊化有限元網格分解方法實現對飛機軸部精加工的流場模擬和拓撲分析,優化加工工藝流程,基于雷諾數湍流方法對飛機的剛度和柔韌性進行初始狀態刻畫,得到開合式球形四軸遙控飛機軸部剛體結構拓撲結構如圖2所示。

圖中,分別構建了三維空間下的四軸遙控飛機軸部旋轉坐標系下多塊結構化網格分解,根據低雷諾數湍流模型得到單介質湍流下的流體力學動量守恒定律,得:

(10)

采用網格結構中第i行第j的特征結構,分析得到飛機軸部的三維瞬態擾動方程為

(11)

式中:

(12)

設計四軸遙控飛機軸部內部流場應力的單元體結構特征,在流體空氣介質下得到開合式球形四軸遙控飛機曲率修正低雷諾數湍流微分偏導為

(13)

進行湍流動能生成的曲率修正,改進四軸遙控飛機軸部的流場分析模型性能,故剛度和柔韌性的改善后的精加工誤差,Sm=0,假設飛機軸部加工不具有外界壓力,則Fi=0。忽略流體流經開合式球形四軸遙控飛機的重力作用,有:

ρgi=0

(14)

對飛機軸部的凸壁面和凹壁面進行熱誤差補償,得到精加工下的湍流方程為k-ε方程,表示為

??t(ρk)+??xi(ρkui)= ??xj(μ+μtσk)?k?xjé?êêù?úú

+Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(15)

+C1ε(Gk+C3εGb)

(16)

其中:

(17)

設計得到四軸遙控飛機軸部的應變張量和旋率張量,湍流參數取值分別為:C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。通過上述分析,實現了飛機軸部的多塊結構化網格分解與四軸遙控飛機軸部內部應力場模擬,以此為基礎,結合CAD加工,提高開合式遙控飛機軸部精加工工藝。

4仿真實驗與性能分析

為了驗證本文設計的方法在實現開合式球形四軸遙控飛機軸部流場分析和改善精加工應力程度方面的性能,進行仿真實驗。實驗建立在應力分析軟件CAESAR Ⅱ上,求中四軸遙控飛機軸部為直管管段設計,長度約為1.2m,材料為X4540鋼,參數為Φ849×13.3mm,管徑238mm,壁厚4.9mm,以CAD為精加工的有限元分析軟件,對四軸遙控飛機軸部模型進行有限元空間曲線生成,形成離散數據點擬合曲面,根據低雷諾數湍流模型進行內部流場模擬,得到采用本文方法進行開合式球形四軸遙控飛機軸部精加工流場分析結果如圖3所示。

圖3　開合式球形四軸遙控飛機軸部精加工流場分析結果

圖3可見,采用本文方法,能有效模擬開合式球形四軸遙控飛機軸部流場結構,在流體空氣介質下得到開合式球形四軸遙控飛機曲率修正結果,為軸部精加工提供指導,以此為基礎,進行機械加工,為了對比方法的性能,采用本文方法和傳統方法,得到加工的軸部應力變化情況分析結果如圖4所示。從圖可見,采用本文方法進行飛機軸部加工,四軸遙控飛機軸部平均應力比率均有不同程度的提高,而空氣的湍流和壓力對四軸遙控飛機軸部應力的影響逐漸減小,提高了軸部的硬度和韌度,改善了加工工藝。

圖4　采用不同加工方法的軸部應力分析

5結語

通過對開合式球形四軸遙控飛機軸部的流場分析,改善軸部精加工工藝流程,開合式球形四軸遙控飛機軸部的內部應力流場模型構建分析是刻畫四軸遙控飛機軸部剛度和柔韌性的重要指標。由于傳統的CAD三軸加工工藝無法滿足飛機軸部精加工的強度和韌帶需求,本文在應力流場分析的基礎上,提出一種基于四軸遙控飛機軸部內部流場網格分解和曲率修正的精加工方法。實驗分析得出,采用本文方法進行開合式球形四軸遙控飛機軸部精加工流場分析,能有效模擬開合式球形四軸遙控飛機軸部流場結構,實現加工過程的曲率修正,為軸部精加工提供指導,提高了軸部的硬度和韌度,改善了加工工藝,在工程項目中具有較好的應用價值。

參 考 文 獻

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Flow Field Simulation in Axis Part of Open Type Spherical Four Axis Machining Remote Control Plane

HE RuiCAI KaiwuWU Junjie

(Huali College Guangdong University of Technology, Guangzhou511325)

AbstractOpening and closing type spherical four axis controlled aircraft shaft design is the core of the landing gear design, Whose loading and flexibility requirements are higher, the aircraft axis machining is the difficulty of the machining. Through the analysis of the stress field of the plane axis, the machining precision is improved. The traditional CAD three axis machining process cannot meet the needs of the plane’s precision machining. In the stress flow field analysis, a precision machining method based on the internal flow field of the four axis remote control plane is presented. The opening and closing type spherical four axis remote control airplane axis system structure design and stress analysis, using multi block finite element mesh decomposition method of plane axis machining flow field simulation and topology analysis, process optimization. Experimental results show that using the method for opening and closing type spherical four axis remote control airplane axis precision machining flow field analysis can effectively simulate the opening and closing type spherical four axis remote control airplane axis flow structure, realize process of curvature correction, provide guidance for axis finishing, improve the plane four axis of hardness and toughness, improve processing techniques, and have application value in the engineering practice.

Key Wordsaircraft, processing, mechanical, flow field analysis

* 收稿日期:2015年11月12日,修回日期:2015年12月27日

基金項目:2015年廣東省大學生科技創新培育項目(編號:pdjh2015b0937);2012廣東省質量工程項目“機電綜合技能實訓中心”(編號:粵教高函[2012]204號)資助。

作者簡介:何睿,男,研究方向:機械設計制造、自動化控制。蔡凱武,男,碩士,講師,高級技師,研究方向:機械工程。吳俊杰,男,研究方向:模具設計,材料工程。

中圖分類號TH161

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.05.039