轴对称矢量喷管动力学仿真与分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

106机 械 设 计 与制造Machinery Design & Manufacture第 10期2013年 10月轴对称矢量喷管动力学仿真与分析王 鑫，武建新(内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051)摘 要：在对飞机发动机轴对称矢量喷管结构和工作原理进行研究和分析之后，利用UG软件实体模块建立了固体火箭喷管的机构模型。将装配好的固体火箭喷管各构件导入 MSC．ADAMS软件中，施加相应约束，构建了该固体火箭喷管的动力学仿真模型，在 MSC．ADAMS软件中对固体火箭发动机轴对称矢量喷管的收扩、偏转运动进行了仿真。最终通过仿真获得了固体火箭喷管机构各环节的受载和动态特性数据，为简化新产品的建模、热态特性仿真、获取机构动态特性及加速新产品研发提供 了重要的理论依据。

关键词：轴对称矢量喷管；动力学仿真；动力学分析；MSC。ADAMS中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0106—04Dynamic Simulation and Analysis of Axisymmetric Vectoring Exhaust NozzleWANG Xin．WU Jian—xin(College ofMechanical Engineering，Inner Mongolia University ofTechnology，Inner Mongolia Hohhot 010051，China)Abstract：Based on researching and analyzing the structure and the working principle of the aircrqft engine axial-symmetryvectoring exhaust nozzle，the solid modef of the solid rocket nozzle has been built by the software UG．Then the resembledsolid rocket nozzles components have been imported in the MSC．ADAMS with the correct restrains imposed On，cor~equently，the dynamic simulation model has been established．Using MSC．ADAMS，the simulation ’expansion and deflectionmovement ofsolid rocket motor axial-symmetry vectored nozzle have been accomplished，andfinaly the loading and namiccharacter data ofeach section ofthe solid rocket nozzles mechanisms have beenfigured out through the simulation．h providethe theory evidence for new products tO simplify its modeling，thermal characteristics simulation and to attain its dynandccharacteristics，and thus to accelerate its development.

Key W ords：Axial-Symmetry Vectoring Exhaust Nozzle；Dynamics Simulation；Dynamics Analysis；MSCA DAM S1引言我们在了解飞机发动机轴对称矢量喷管(AVEN)结构和丁作原理的基础上设计的固体火箭发动机轴对称推力矢量喷管构成部件多达 800多个，结构很复杂，且其部件大部分约束依靠接触实现，是一种高度欠约束的复杂机构，受计算条件的限制，以前对其性能的了解在很大程度上主要依赖台架试车试验，这样很难全面获取机构中各部分的受载和动态特性，同时周期长，费用高，人力物力消耗巨大。鉴于此，对 AVEN的关键部件采用了实体板件予以模拟处理，并借助 MSC．ADAMS软件构造了该固体火箭喷管机构的动力学仿真模型，同时对冷态试车的直动，及偏转动作进行了仿真，获得了固体火箭喷管机构各环节的受载和动态特性数据，这对于新产品的简化建模，热态特性仿真，及机构动态特性的获取与新产品研发的加速都具有要的理论指导意义。

2轴对称推力矢量喷管计算模型的建立本分析采用 MCS．ADAMS2005进行。轴对称矢量喷管机构是空间三 自由度的复杂机构，通过调节 3个作动筒的运动规律，实现对矢量喷管出口面积的调节和对俯仰及偏航运动姿态的控制。在 UG的实体模块中，分别建立 AVEN机构的各个构件的几何模型 ，在装配模块中，实现 AVEN各个构件的配对和定位，最后，通过 UG与 ADAMS软件之间的数据接口，将在 UG中建立的AVEN导入ADAMS中，并在其中施加约束，完成计算模型的建立。导入到 ADAMS中的模型，如图 1所示。

图 1导人到 ADAMS中的喷管模型Fig．1 Nozzle Model Imported in ADMS2．1 ADAMS环境设置由于UG／Modeling建模中使用坐标系方向的不同，导入后要来稿日期：2012—12—14基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究重点项 目(NJZZ12049)作者简介：王 鑫，(1991一)，男，内蒙古人，本科 ，主要研究方向：机械电子工程；武建新，(1971一)，男，内蒙占人，博士，硕士生导师，主要研究方向：机械动力学第 l0期 王 鑫等：轴对称矢量喷管动力学仿真与分析 107没 系统重力方向．在 UG／Modeling【fJ对符零件定义的材料及各属性 继承， 此不需要 ADAMS／View中重新定义。模型导入之后主要进-／7~N下初始设置：标系的没氍，【seting】—+【Coordinate System】lI 作栅格的没 ，【setting]- 【Wtirking]。

重力加速度的没置，【setiI1g】一【gravity o构件颜色的编辑，选择构件存键 solid-~appearance进行修改。

2．2创建约束关系使川 ADAMS~iew提供的约束库，住构件之间添加约束，由于 AVEN装黄是严格对称的，以其【f】一组为例说明 AVEN装置各构件的运动关系．、约求情况，如表 】所示.

表 1构件之间的约束关系Tab．1 Restrains Relation Between Components约束组件 约束方式 运动剐喷管扩散段 大地 Joint Fixed 固定，4 1作动简 喷管扩散段 Joint Revolute 旋转副■．作功筒lI_j喷管扩散段 Joint Revolute 旋转副4 作动简推朴 A 节环 JointRevolute 旋转副4． 助筒推朴与A．调节环 JointRevolute 旋转副A 作动筒与作动筒推杆 Joint Translational 移动副A 作动筒 怍动筒推朴 Joint Translational 移动副A：调节环与拉朴 Joint Revolute 旋转副托 ：与扩张环助动 置 Joint Revolute 旋转副I4．调节环滚子与收敛调节片上的圆弧面 Curve—Curve 线一线凸轮副收敛调节片 十字转接头 Joint Revolute 旋转副偏转时 ：作动筒推杆与A：调节环 JointSpherical 球铰副偏转时} L杆与扩张环助动装簧 Joint Spherical 球铰副十字转接头 Lj扩张调节片 Joint Revolute 旋转副收敛调节片与喷管扩散段 Joint Revolute 旋转副收敛密封片与喷管扩散段 Joint Revolute 旋转副收敛密封片与收敛片 Contact 接触扩张片与扩张密封片 Contact 接触扩张压紧装置与扩张密封片 Joint Fixed 固定滚子与A 环 JointRevolute 旋转剐扩张环助动装置与扩张片 Joint Revolute 旋转剐收敛片 收敛片j聂紧装胃 Joint Fixed 同定凸轮与收敛片 Joint Fixed 固定螺钉与扩j长片 Joint Fixed 固定扩张密封片悬挂装置与扩张调节片螺钉 Contact 线一线高副2．3施加载荷喷灌内部 强为 6MPa，根据收敛片、收敛密封片、扩张片 、扩张密封片的丽积计算应加载荷． 计算如下：扩张片力按集中力算，作用于螺钥。安装处，l 98x54mm2x6MPa=64 1 54N根据力学知识进行一次换算，作用点m的力为 F=35640N收敛密封片处受的力为：按集中力计算，作川于中部圆孑L，l 23x36mm2x6MI a=26568N换 后得到：F-=22382N按照哉衙计算的结 ， ADAMS中添加各个载荷。

3添加驱动与仿真分析体火箭发动机轴对称矢量喷管运动仿真巾，总体上驱动分为两种：一种是恒定驱动，另外一种是非恒定驱动。

3．1恒定驱动给每个 一：作动筒一个恒定的驱动，tl：每个作动简按相同的速度往返运动，并分别使扩张调节片扩张至最大的位置和收缩至最小的位黄。收于，运动，将3个A：作动筒和其对应的作动简推杆之问的移动副添加移动驱动 ，设置运动为一10．0 time；将 3个 .

作动简和其对应的作动筒推杆之间的移动副添加移动驱动，设置运动为 1 0．0 time．在 Simulation对话框中设置 End Time的值为1，Steps的值为500。执行仿真，可以看到喷管的收扩运动。运动结果，如罔 2～图 6所爪。

图 2 A 喷【l面积最小时Fig．2 Status of Minimal A 2 Nozzle Area图3 A 喷口面积最大时Fig．3 Status of Maximal A 2 Nozzle Area1= ． 叠． ^
计jl1f图4 A 环的质心计喷管轴线力‘向位移、速度、加速度Fig．4 Axial Displacement，Velocity，Acceleratiol1 of A 2 Ring’s Barycentre可以看ffI当A 环的．Clq沿喷管轴线方向位移为 1 1．3mm时，沿 y及 ，即径向位移为 0mni，说明J4：环在轴向位移时径向位移为零，达到 r动作轨迹的要求。

图5／l 环质心沿喷管径向方向位移 、速度、加速度Fig 5 Radial Displacement．Velocity，Acceleration of A 2 Ring’S Baryeentre.

拦键 ．． ㈨ 棚 州一 *弋 {￡E}uIl『1§÷0 0 0 0 0 0 0 O 0肼 m m m 川 m m108 机械设计与制造No．100ct．2013l ： ?imtlon alI)is plac e~ ．.

1一一．6-” 、图6 A 环质心沿喷管轴向方向位移、速度、加速度Fig．6 Axial Displacement，Velocity，Acceleration of A2 Ring’S Barycentre可以看出 环轴向位移为 10．38mm时径向位移为 0，达到了喷管轴向运动以使喷灌口径扩张或收缩的要求，可见约束的准确精度是很高的。可以进行动力学分析：喷管在仿真收扩运动时，A 喷口直径的变化曲线，如图7所示。

I--c? —
一 一 .

一 — — ’— —
， ， — 一 — 一 图7 A 喷口直径变化Fig．7 Radial Change of A2 Dazzle从图7中可以看出，A：喷口最大直径为512．5mm，最小直径为 426．8ram，变化了85．7mm。此时4：环的位移为 11．3mm。

接下来分析收扩运动时AVEN关键结构的受力情况。

A 环相连的直线电机在与收扩段(即基座)相连处的螺钉在X方向(轴向的)上的力 F=350000N。在 y方向(径向)上的力40000N。在 径向)方向上的力 F=200000N。十字接头处螺钉受的力 ，Fx=75000N，Fv=25000N，Fz=17500N。拉杆与扩助动装置处螺钉受的力 ， =5000N， =5000N。凸轮处的接触力 ， =75000N，Fr-0N，Fz=230000N， 4c=235000N。收敛片和收敛密封片的接触力，Fx=3500N，‰ =19144N， =19940N， =8858N，F 9634N，Fmc~=21395N，F c~=222037N。

3-2非恒定驱动当给各个作动筒添加不同的驱动，将使作动筒的输出位移不同，从而使运动机构产生一定角度的偏移，进而完成喷管的偏转运动。将A 作动筒和其对应的作动筒推杆之间的移动副添加移动驱动，将其中一个移动副设置运动为一15mm／s，另外两个运动函数设置一10mm／s。设置 EndTime的值为 ls，Steps的值为 30。

进行仿真，可以看到喷管的俯仰运动。偏转结果，如图8所示。

一 一 图 8 A 环的偏转结果Fig．8 The Result of A 2 Ring’S Deflection从图 8可以看出，喷管发生偏转时各调节片之间没有发生干涉，扩张调节片与扩张密封片之间没有脱离，且出口形状基本为圆形。A：环的偏转角度变化，如图9所示。由图9可知， ：环的偏转角度为 0．25，调整电机的速度可以调整A 环的偏转量的大小。

I? A2h " 伸 duc? tl— 一 ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ I me(sec】图9 A 环角度变化Fig．9 Angle Change of A 2 Ring在偏转运动中，偏离喷管轴线最远和最近的扩张调节片与十字转接头之间的切向转角为 0，称这两个扩张调节片为非对称位置的扩张调节片，称与非对称位置的扩张调节片呈 90。的两个扩张调节片为对称位置的扩张调节片。非对称和对称位置A 口的直径变化情况 ，如图 10、图 1 1所示。

l一 |r帅 -tI ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ 图 1O非对称位置扩张调节片A 口的直径变化Fig．10 Radial Change of A 2 Ringin Asymmetry PositionMEA— m l_】3-3l— duichen~ehuw?"tic? I／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ nme(sec】图 11对称位置A VI直径的变化Fig．1 l Radial Change of A 2 Ring in Symmetry Position从图 1O及图11可以看出，非对称位置扩张调节片A 口的最大直径为 503．1，最小直径为435．64，对称位置 A 口直径的最大值500．63，最小值为434．65，所以偏转后的喷口可以近似为圆形，口径大小有所改变。

4结论借助 ADAMS建立计算模型，并且进行动力学分析，以获得关于该模型的动力学及运动学性能，以及关键部件的受力，从而验证模型的可行性。要研究内容如下：(1)掌握飞机上的轴对称矢量喷管结构和工作原理，熟悉固体火箭发动机喷管结构和性能参数。在 UG模型的基础上进行ADAMS计算模型的建立，简化了No．10Oct．2013 机械设计与制造 109建模过程，提高了分析效率。(2)在ADAMS中绘制出AVEN的关键部件的受力曲线，并对曲线含义进行分析。(3)模型在分析过程中，收扩运动与偏转均未出现干涉，建模可行。

参考文献[1]陈立平，张云清，任卫群．机械系统动力学分析及 ADAMS应用教程[M]．北京：清华大学出版社，2005.

(Chen Li-ping，Zhang Yun-qing，Ren Wei-qun．Dynamic Analysis ofMechanical Systems and ADAMS Application Tutorial lM J．Beijing：Tsinghna University Press，2005．)[2]冯景华，吴南星，余冬玲．机械系统动态仿真技术及 ADAMS的理论基础研究[J]_机械设计与制造，2006(2)：17—19.

(Feng Jing-hua，Wu Nan-xing，Yu Dong-ling．The research on dynamicsimulation technology of mechanical system and theoretic basis ofADAMS[J]．Machinery Design＆Manufacture．2006(2)：17—19．)[3]郭秩维，白广忱 ，高阳．矢量喷管机构强度可靠性分析[J]．航空动力学报，2006(6).

(Guo Yi—wei，Bai Guang—chen，Gao Yang．An analysis of strengthreliability of the vectoring exhaust nozzle machine lJ J．Journal ofAerospace Power，2006(6)．)[4]高阳，白广忱，于霖冲．矢量喷管柔性机构运动及可靠性仿真[J]_系统仿真学报，2006(2).

(Gao Yang，Bai Guang-chen，Yu lin-chong．Simulation and reliabilityanalysis of axisymmetrie vectoring exhaust nozzle flexible mechanism[J].

JournalofSystemSimulation，2006(2)．)[5]王玉新．喷气发动机轴对称推力矢量喷管[M]．北京：国防工业出版社，2006.

(Wang Yu—xin．Axisymmetric Jet Engine Thrust Vectoring Nozzle【M J.

Beijing：National Defense Industry Press，2006．)[6]于芳芳 ，邓小宝，马争胜．轴对称矢量喷管内外流场的数值模拟[n机械设计与制造，2008(9)：150—152.

(Yu Fang-fang，Deng Xiao-bao，Ma Zheng-sheng，etc．Numericalsimulation on internal and external flow fields of axisymmetrie vectoringnozzle[J]．Machinery Design＆Manufacture．2008(9)：150—152．)[7]李增刚．ADAMS入门与实例[M]．北京：国防科工出版社，2006(4).

(Li Zeng—gang．Geting Started with the Instance ADAMS lM J．Beijing：National Defense Science and Industry Publishing House，2006(4)．)[8]郑建荣．ADAMS一虚拟样机技术入门与提高[M]．北京：机械工业出版社，2002.

(Zhen Jian-rong．ADAMS— Entry and Improve Virtual PrototypingTechnology[M]．Beijing：Machinery Industry Press，2002．)(上接第 105页)(1)曲面片数量少。 有点云直接蒙皮所成曲面为一个整体，在后期的检验和实验中大大减少了计算机的运算时间。而且有利于后期的研究和开发。

(2)适合重建曲面的局部编辑与修改。重建曲面的人工编辑与修改在反求工程中具有特别重要的意义。人们往往需要基于测量数据的基础上在CAD系统中按要求进行编辑和修改而传统的造型方法很难满足此要求。

(3)特别适合于缺陷的点云。当现有曲面相当复杂或是测试数据不完整或是严重变形或是表面部分损坏的时候，常规方法有时很难完成曲面的重建工作，而基于神经网络处理基础上的蒙皮重建方法却能很好的解决此问题。

(4)在汽车覆盖件的重建过程中更是得心应手。由于汽车覆盖件要求较高，而且采集的数据点云数量庞大往往很难在常规的三维软件中进行逆向造型。提出的蒙皮理论能快速地建立了光顺、精确、完整的车身覆盖件 CAD模型，从而大大缩短汽车的开发进程，对产品快速相应市场提高企业的竞争力具有重要的意义 。

参考文献[1]简正伟．逆向工程在车身覆盖件造型方法与检测中的应用研究[J]．燕山大学学报，2005(4).

(Jian Zheng-wei．The method and test was researched in the automobilebody covering parts modeling by reverse engineering application lJ J.

JournalofYanshanUniversity，2005(4)．)[2]孙如月，赵中华．基于汽车车模覆盖件点云数据处理和优化[J]．模具制造，2009(2)：22—24.

(Sun Ru—yue，Zhao Zhong-hua．Based on car models covering a pointcloud data processing and optimization[J]．molds Manufacture，2009(2)：22-24．)[3]王沁峰，胡志超．汽车覆盖件逆向工程设计研究与应用[J]．机械设计与制造，201 1(4)83—85.

(Wang Qin-feng，Hu Zhi-chao．Research and application of automobilecoveting parts of reverse engineering design [J]．Machinery Design&Manufacture，201 1(4)：83—85．)[4]Bradley c．Computer vision techniques in reverse engineering design&automation[J]．New york：199.

[5]金涛，童水光．逆向工程技术 [M]．北京：中国机械工业出版社．2003.

(JinTao，Tong Shui-guang．Reverse Engineering Technology[M]．Beijing：China Machine PRESS．2003．)[6]苏小红．侯秋香．RBF神经网络的混合学习算法[J]．哈尔滨工业大学学报，2006(9)：1447—1449.

(Shu Xiao-hang，Hou Qiu-xiang．Hybrid learning algorithm of RBFneural network[J]．journal ofHarbin Institute ofTechnology 2006，2(9)：1447—1449．)[7]PiegL．rilerw．Algorithm for approximate NURBSskinning [J]．c ad，1996，28(9)：700—706.

[8]PiegL，Tilerw．TheNURBSBook [M]．N ewYo rk：Springer— Verlag，1995.

[9]解可新，韩健最优化方法(修订版)[M]．天津：天津大学出版社，2004.

(Xie Ke—xin，Hart Jian．Optimization Methods lMj．TianJin：_rianjinUniversity Press，2004．)[1O]陈焕明，傅立敏．轿车外流场数值模拟的研究[J]．吉林大学学报，2012(6).

(Chen Huan—ming，Fu Li—min．Car flow field numerical simulationresearch[J]．Journal ofJilin University，2012(6)．)[1 1]汽车 A级曲面评估标准Is]．奇瑞汽车有限公司企业标准 Q／SQR．04.

059-2006.

(The Class A Evaluation Criteria for Car Surface lS J．Chery AutomobileCo．，Ltd．，Enterprise Standards Q／SQR．04．059--2006．)