基于ADAMS的靜葉聯調機構參數化設計

梁　爽，印雪梅，王　華

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

基于ADAMS的靜葉聯調機構參數化設計

梁爽，印雪梅，王華

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

針對壓氣機靜子葉片調節機構空間運動關系復雜、設計難度大的問題，提出了1種以3維參數化仿真為核心，進行壓氣機靜葉聯調機構方案設計的方法。基于ADAMS平臺建立調節機構的簡易模型，利用軟件參數化分析模塊研究了模型中決定機構性能的關鍵設計變量的確定方法；在此基礎上，以某型壓氣機調節機構為例，利用參數化方法進行了該機構的方案設計。結果表明：在方案設計階段，參數化分析方法可快速、有效地進行調節機構結構參數選取與優化，使模型的運動/動力學仿真結果滿足設計要求。

可調靜子；聯調機構；ADAMS；參數化仿真；方案設計；航空發動機

0　引言

航空發動機壓氣機靜子葉片角度調節機構的作用是根據工作狀態調節靜葉角度。為了減輕壓氣機質量和減少控制變量，多級葉片調節機構通常設計成由1個主動件同時驅動多排葉片按不同角度規律調節的聯調機構。目前國內對調節機構的設計研究，文獻［1］給出了調節機構的運動方程，主要針對以平面運動為主的葉片調節機構，推導時將部分空間運動近似成平面運動處理；文獻［2］以齊次坐標分析法為基礎，結合Matlab推導典型結構形式的渦軸發動機調節機構運動方程，通過優化計算得出關鍵構件的結構尺寸。國外對調節機構的研究，在公開發表的文獻［2-3］中主要是對機構的運動學和動力學的仿真分析。

本文介紹了1種通過參數化仿真進行聯調機構設計的方法，并利用ADAMS軟件對某壓氣機4級聯調機構進行方案設計，研究了該機構中關鍵設計變量的確定方法。

1　典型聯調結構形式

在相同工作轉速下，壓氣機各級靜子葉片的角度是不同的，而聯調機構由同一套作動系統驅動，所以需要設計不同的傳動機構來保證各級靜子葉片能夠按照設計角度要求進行調節。

多級聯調機構主要包括以連桿的拉壓力、扭轉力進行傳遞級間驅動力形式，分別如圖1、2所示。

從圖1中可見，拉壓桿式多級聯調機構的級間連桿連接各級曲柄，構成

圖2　扭力桿式多級聯調機構

1組平行四邊形連桿機構。作動筒驅動其中1個曲柄，通過級間連桿的拉壓力帶動其余曲柄轉動，實現葉片的角度調節。拉壓桿式多級聯調機構占有空間相對較小，各級靜子葉片調節角度之間的關系由曲柄和搖臂的幾何特征來保持。

從圖2中可見，扭力桿多級聯調機構主要是以作動筒驅動級間連桿轉動，安裝在級間連桿不同位置的凸耳帶動拉桿，拉桿帶動聯動環，來調節靜子葉片角度。各級靜子葉片調節角度之間的關系由安裝在級間連桿上的凸耳的幾何特征和安裝角度來保持［4］。

本文研究的某型壓氣機可調靜子葉片調節機構是1種靠級間連桿拉壓力傳遞級間驅動的多級聯調機構。

2　設計目標分析

某型壓氣機試驗件共有4排靜子葉片角度可調，為方便級間匹配調節和性能優化，先期設計為可調進口導葉（IGV）單獨調節，后3級聯調，結構形式如圖3所示。

經過試驗確定了優化后的IGV角度調節規律。在該壓氣機工程應用階段，需要將單獨調節的IGV并入3級聯調機構，實現整體4級聯調，各級聯調規律如圖4所示。

圖3　4級可調葉片機構

圖4　4級聯調規律

在新4級聯調機構中，沿用原3級聯調的驅動范圍0°～40°，第1～3級機構不需改變，只需重新設計要并入的IGV調節機構。本方案設計旨在3級曲柄處驅動轉角0°～40°范圍內實現IGV角度-14.2°～17.5°的調節規律，其結構方案如圖5所示。定義搖臂與發動機軸線平行位置為0°，正、負值分別為閉角、開角。

圖5　設計目標方案

3　參數化設計過程

參數化包括仿真模型和仿真過程的參數化。前者對決定機構形狀的基本尺寸以及決定構件相互位置關系的約束進行參數化，使整個仿真模型完全由若干個參數值來控制，從而易于模型的重建；后者在仿真過程中動態地改變參變量的數值，從而可以在滿足相關約束的條件下，獲得最優的參數取值。可見仿真模型參數化是仿真過程參數化的前提［5］。

采用ADAMS軟件進行壓氣機靜葉聯調機構參數化方案設計，基本流程如圖6所示。

圖6　參數化設計流程

表1　設計變量物理含義

3.1設計方案建模

在ADAMS軟件環境下建立機構的分析模型，建模過程如下。

（1）分析機構模型設計變量，目標是找出能夠完整描述整個機構模型的結構參數，建立設計變量和模型對象的對應關系。本算例設計變量及其物理含義對照見表1。

（2）創建關鍵位置點。在模型中創建機構的關鍵位置點，以便確定機構中各構件的裝配位置關系，有利于模型在參數化求解過程中快速重建。

（3）創建模型構件。ADAMS軟件提供了連桿、圓柱、矩形體等豐富的基本幾何體，對照機構模型可以用基本幾何體快速創建整個機構的簡易模型，如圖7所示。

（4）添加運動副約束。對機構進行參數化仿真的前提是要對該機構進行詳細梳理分析，明確構件間的約束關系，模型中的運動副約束包括旋轉副、球絞副、圓柱副和固定副。機構中各構件的約束類型見表2。

圖7　聯調機構參數化設計模型

表2　模型構件約束類型

（5）添加驅動。將仿真驅動設置在模型3級曲柄的旋轉運動副上。按照設計目標，給定其驅動角度范圍為0°～40°。

3.2模型的參數化

結合機構模型對表1列出的設計變量進行分析，搖臂長度和聯動環半徑等結構參數很大程度上受到壓氣機自身結構（外徑、級間距等尺寸）的約束；與其相比，拉桿的長度以及曲柄從動臂的長度和角度受到的約束較弱，可以優先作為本次設計的參數化變量。

上述3個參數可以反映在拉桿和IGV曲柄連接點的位置坐標上，于是將曲柄與拉桿的連接點（圖4）位置坐標參數化，創建3個設計變量（DV_X，DV_Y，DV_Z）來表示該參數化點的坐標，并以原IGV單獨調節時的結構位置坐標為初值，給定3個設計變量±3 mm取值范圍。下一步將通過靜葉聯調機構模型的運動仿真試驗，得出能夠滿足目標調節規律的靜葉聯調機構設計變量取值。

3.3仿真試驗設計

進入ADAMS軟件的試驗設計（Design of Experiments）環境下設置參數如圖8所示。本次設計2個目標函數，分別是可調葉片的最大開、閉角，變量的取值精度表示設計變量在給定的取值范圍內取值的數量，若設定為20，則每個變量在取值范圍內均勻取20個值。本算例有3個設計變量，則共有203種數據組合進行試驗，可根據需要選取更高的數據密度以獲得更高的計算精確度［6］。參數設置完畢，點擊Start按鈕，程序自動開始仿真試驗。

圖8　參數化試驗設計

4　設計結果

程序完成203次試驗后，進入軟件后處理模塊PostProcessor提取試驗結果，并從中篩選接近設計目標的試驗結果，見表3。

表3　試驗結果節選

以調節角度設計要求與試驗結果差值的最小平方和為目標，從結果中選取最優的試驗次，即第3200次試驗（開角14.1859°，閉角17.5028°）可以滿足設計要求。讀取第3200次試驗對應的設計變量值DV_X，DV_Y，DV_Z作為本次方案設計的結構參數，并進行運動仿真加以驗證，得到設計結果數據與設計要求對比，如圖9所示。從圖中可見，設計數據與設計要求的最大偏差在0.6°之內，作為初步的方案設計，認為結果可以滿足設計要求，對于未能完全吻合的點可以在詳細設計時進一步微調優化。

該算例確定了參數化設計點的位置坐標，并且滿足了設計要求，通過參數化點的位置坐標可以得到拉桿長度、曲柄從動臂長度、曲柄從動臂與主動臂夾角3個關鍵結構參數取值，從而確定IGV并入后3級聯調機構后的結構尺寸方案，達到4級聯調的方案設計目標。

圖9　設計結果對比

5　結論

（1）應用3維參數化方法開展機構方案設計，與解析計算法相比，可以快速確定機構的關鍵尺寸參數，能夠很好地滿足設計要求；保證了結構尺寸的精確設計，縮短研制周期。

（2）進行結構方案設計的同時完成聯調機構運動軌跡仿真及干涉分析，保證設計方案的可行性，提高了設計效率。

（3）仿真樣機通過簡單的設計參數修改，可滿足不同的氣動規律變化，其設計思想可應用于其他型號可調靜子機構的設計。

（4）本文采用理想的剛體模型，沒有考慮搖臂、聯動環等構件的變形，相對于實際情況有一定誤差。考慮計算資源和時間的限制，剛性模型可以在初始設計時采用，設計基本定型時再用柔性模型進行更精確地仿真驗證。

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（編輯：肖磊）

Parametric Design of Stator Blade Jointly Adjusting Mechanism Based on ADAMS

LIANG Shuang，YIN Xue-mei，WANG Hua
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

Aiming at the problem of the complicated motion relationship and difficult design of the compressor stator vane adjusting mechanism，a new method to design Variable Stator Vane（VSV）mechanism was proposed by a simulation with the 3D parameterization. Based on the VSV simple model in ADAMS，the method for determining key design variables of mechanism performance was investigated using parametric analysis module.On this basis，taking the VSV mechanism of a compressor as example，the process proposed for parametric simulation was studied for VSV design.The results show that parametric methods are available and effective in the scheme design and optimization.The kinematics/dynamics simulation results meet the design requirements.

Variable Stator Vane；jointly adjusting mechanism；ADAMS；parameterization simulation；scheme design；aeroengine

V 231.9

A doi：10.13477/j.cnki.aeroengine.2016.01.013

2015-01-15基金項目：航空動力基礎研究項目資助

梁爽（1990），男，在讀碩士研究生，從事航空發動機結構設計工作；E-mail：liangsh1990@foxmail.com。

引用格式：梁爽，印雪梅，王華.基于ADAMS的靜葉聯調機構參數化設計［J］.航空發動機，2016，42（1）：65-69.LIANG Shuang，YIN Xuemei，WANG Hua. Parametric design of stator blade jointly adjusting mechanism based on ADAMS［J］.Aeroengine，2016，42（1）：65-69.