雷 歌, 鄧 飛, 劉 權(quán), 馮瀟濤

?

水下航行器折疊翼展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動力學(xué)仿真

雷 歌, 鄧 飛, 劉 權(quán), 馮瀟濤

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院, 陜西 西安, 710072)

為了適應(yīng)水下航行器發(fā)射裝置的尺寸限制, 滿足水下航行器發(fā)射后的穩(wěn)定性要求, 設(shè)計(jì)了一種水下航行器折疊翼展開機(jī)構(gòu)。在對該機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析的基礎(chǔ)上, 建立了折疊翼展開過程動力學(xué)模型, 并通過數(shù)值仿真, 討論了扭轉(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和發(fā)射動力學(xué)參數(shù)等對折疊翼展開動力學(xué)特性的影響, 驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性與可靠性。該研究結(jié)果可對進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)水下航行器折疊翼的設(shè)計(jì)方案提供參考。

水下航行器; 折疊翼; 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì); 動力學(xué)仿真

0 引言

由于受限于發(fā)射裝置尺寸, 有些水下航行器的鰭、翼必須采用可折疊、展開的結(jié)構(gòu)形式。如某些自行出管水雷、水下運(yùn)載器等。此類水下航行器由于其流體動力及水下彈道特性, 往往具有相對尺寸(相對于其主體圓柱)較大的鰭、翼結(jié)構(gòu)。在利用常規(guī)或通用水下發(fā)射裝置(如魚雷發(fā)射管)等進(jìn)行裝載與發(fā)射時(shí), 要求其在管內(nèi)處于折疊狀態(tài), 而在發(fā)射出管時(shí)能夠自動展開與定位。一般要求展開機(jī)構(gòu)在不同的發(fā)射出管速度、發(fā)射姿態(tài)(攻角、側(cè)滑角、橫滾角)、發(fā)射環(huán)境(發(fā)射平臺運(yùn)動狀態(tài)、海流、海浪)等條件下, 能夠保證快速展開并定位鎖緊, 并對翼面展開過程、展開到位時(shí)的瞬時(shí)角速度、角加速度等有一定要求, 以保證不因沖擊過載太大對航行器母體產(chǎn)生大的干擾。

目前常采用的鰭、翼折疊方式有縮進(jìn)彈出式與折疊展開式2種[1-2]。其中第1種方式適用于彈體直徑相對較大, 內(nèi)部空間足夠布置連桿機(jī)構(gòu)等彈出裝置的航行器。相對而言, 這種方式設(shè)計(jì)簡單、可靠, 對航行器運(yùn)動干擾最小。而第2種方式則恰好相反, 適用于水下航行器的彈體直徑相對較小或彈體內(nèi)部空間不易布置彈出機(jī)構(gòu), 而采用翼面折疊、展開機(jī)構(gòu)。水下運(yùn)載器常采用第2種方式。對于此類機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì), 航行器及發(fā)射平臺的運(yùn)動速度、姿態(tài)等流體動力參數(shù)對折疊翼面展開過程的影響是必須首先考慮的設(shè)計(jì)因素與設(shè)計(jì)指標(biāo)。本文基于航行器折疊穩(wěn)定翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)特性分析, 建立了其展開過程的動力學(xué)模型, 進(jìn)行了數(shù)值仿真, 討論了扭轉(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、發(fā)射動力學(xué)參數(shù)等對折疊翼展開特性的影響。

1 折疊翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

折疊翼機(jī)動翼面由收起狀態(tài)向工作狀態(tài)轉(zhuǎn)化是通過緊固—打開—固定這一套運(yùn)動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。儲存及裝管狀態(tài)下, 折疊翼活動端由緊固機(jī)構(gòu)固定在折疊狀態(tài), 扭簧被預(yù)緊。當(dāng)水下航行器需要折疊翼展開工作時(shí), 緊固機(jī)構(gòu)打開, 折疊翼活動端在扭簧作用下繞固定軸旋轉(zhuǎn)打開。同時(shí), 由于折疊翼活動端是在水下運(yùn)動, 水會對其產(chǎn)生推動或阻礙作用, 在扭簧力與水動力共同作用下, 折疊翼展開, 當(dāng)展開運(yùn)動到位后由固定機(jī)構(gòu)固定, 最終完成折疊翼緊固—打開—固定這一過程。

折疊方式選擇: 此水下航行器折疊翼采用橫向折疊式結(jié)構(gòu), 如圖1所示, 此結(jié)構(gòu)折疊翼繞著平行于航行器縱軸的一個軸進(jìn)行折疊, 這種折疊方式機(jī)構(gòu)簡單, 且不占據(jù)航行器內(nèi)部空間, 工作安全可靠, 比較適合于小展弦比翼型。

圖1 折疊翼展開模型

驅(qū)動機(jī)構(gòu)選擇: 鑒于機(jī)動翼面的釋放過程是從運(yùn)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為鎖定機(jī)構(gòu)[3]這一不可逆的單次作用特征, 設(shè)計(jì)方案確定機(jī)構(gòu)展開能量不采用主動動力源(如電機(jī), 液壓等), 而采用壓簧裝置, 拉簧裝置, 扭簧裝置, 扭桿裝置等儲能裝置。本設(shè)計(jì)采用扭簧系統(tǒng)提供展開原動力, 在翼面折疊時(shí), 扭簧扭緊儲存一定的能量, 釋放后, 機(jī)構(gòu)在彈性勢能的作用下展開。

固定機(jī)構(gòu)選擇: 采用彈簧銷固定裝置鎖緊,為了便于彈簧銷能有效地滑入銷孔, 在折疊翼上增加一彈簧銷滑道, 如圖1所示, 當(dāng)折疊翼展開到一定角度后, 彈簧銷滑入滑道并持續(xù)展開到位后彈入銷孔, 實(shí)現(xiàn)可靠固定, 使折疊翼能承載一定的水動力載荷, 保證航行器整體的流體外形。

2 折疊翼展開過程動力學(xué)建模

2.1 活動端法向受力分析

折疊翼活動端的運(yùn)動可以簡化為折疊翼繞固定轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動, 如圖1所示, 折疊翼活動端法向受力決定其運(yùn)動狀態(tài)。活動端展開過程中受重力、浮力, 扭簧扭轉(zhuǎn)力以及水動力的共同作用[4]。

重力與浮力之差稱為負(fù)浮力, 它在活動端法向的分量相對較小, 可忽略不計(jì)。

扭簧提供的扭轉(zhuǎn)力時(shí)刻與轉(zhuǎn)軸垂直, 且沿著折疊翼的展開方向, 是折疊翼展開的原動力。

2.2 活動端法向受力及力矩計(jì)算

2.2.1 扭簧力矩

本文采用雙扭簧機(jī)構(gòu)提供折疊翼驅(qū)動展開能量, 這里設(shè)計(jì)2種不同截面直徑的扭簧來討論不同扭轉(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對折疊翼展開特性的影響。

1) 估取彈簧絲直徑=6 mm

==36 mm (1)

根據(jù)強(qiáng)度條件試算最大工作扭矩

取=16.5, 則扭簧的扭轉(zhuǎn)剛度

雙扭簧扭矩

2) 估取彈簧絲直徑=4 mm

根據(jù)強(qiáng)度條件試算最大工作扭矩

取=15.5, 則根據(jù)式(4)得雙扭簧扭矩

2.2.2 水作用在活動端表面法向上的力

1) 位置力: 折疊翼所受位置力主要與航行器速度、航行器的方位角、發(fā)射平臺運(yùn)動參數(shù)、海流等環(huán)境參數(shù)所引起的當(dāng)?shù)毓ソ怯嘘P(guān)。本文根據(jù)工程實(shí)際工況估算, 為了保證折疊翼在較惡劣的發(fā)射工況下能夠順利打開, 選取-5°當(dāng)?shù)毓ソ沁M(jìn)行仿真分析。

活動端位置力和位置力矩采用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。本文計(jì)算航行器在15 m/s的速度下以-5°攻角運(yùn)動時(shí)折疊翼活動端法向的受力, 將折疊翼展開過程分為若干個定常狀態(tài)進(jìn)行仿真, 在仿真計(jì)算折疊翼的非定常展開運(yùn)動時(shí), 位置力和位置力矩可通過對此計(jì)算結(jié)果進(jìn)行插分得到, 計(jì)算結(jié)果和擬合方程見表1。模型網(wǎng)格劃分如圖2, 計(jì)算模型對稱面速度云圖如圖3所示。

表1 折疊翼活動端所受位置力

圖2 折疊翼展開30°的網(wǎng)格圖

圖3 -5°攻角翼展開30°對稱面速度云圖

2) 阻尼力: 折疊翼在展開的過程中活動端隨航行器不僅做直線平移運(yùn)動, 而且還伴隨著旋轉(zhuǎn)運(yùn)動, 這時(shí)水動力將對折疊翼產(chǎn)生阻尼力作用, 且方向始終與折疊翼展開方向相反, 是阻礙活動端展開的力。

由于活動端距離旋轉(zhuǎn)軸不同位置處具有不同速度, 采用積分方法[6]求解活動端所受水的阻力。如圖4水平翼阻尼力分析所示, 距離旋轉(zhuǎn)軸, 寬度為d的單位活動端受粘性阻力和力矩為

式中:為水以垂直于平板表面方向流經(jīng)平板時(shí)的阻力系數(shù);為水的密度;為活動端轉(zhuǎn)動角速度。

對整個翼長進(jìn)行積分, 得

式中:為轉(zhuǎn)軸中心到翼頂端的高度;為轉(zhuǎn)軸半徑;為翼所受流體動力作用點(diǎn)到軸中心的距離。

圖4 阻尼力分析

圖5 附加質(zhì)量力分析

2.3 建立折疊翼展開動力學(xué)方程

定義活動端展開旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎? 則有

式中:為作用在扭簧轉(zhuǎn)軸中心的動量矩;為作用在扭簧轉(zhuǎn)軸中心的全部外力矩。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真參數(shù)

3.2 動力學(xué)計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)以上仿真條件編寫Matlab程序?qū)顒佣苏归_過程進(jìn)行計(jì)算, 仿真結(jié)果如圖6~圖9所示。

圖6為M扭簧在零攻角時(shí)的展開曲線, 從圖中可以看出, 折疊翼在0.086 s時(shí)完全展開, 由展開角速度曲線可以看出, 展開角加速度逐漸減小, 在展開過程末段, 角速度趨于穩(wěn)定, 達(dá)到近似平衡過程。圖7為M扭簧在-5°攻角時(shí)的展開曲線, 同無攻角時(shí)的展開曲線圖6相比, 由于粘性位置力f的存在, 其完全展開需要更長的時(shí)間, 完全展開時(shí)的角速度也較無攻角時(shí)的角速度小。

圖6 Ma扭簧零攻角展開過程

圖7 Ma扭簧-5°攻角展開過程

圖8 Mb扭簧零攻角展開過程

圖9 Mb扭簧-5°攻角展開過程

圖8為M扭簧在零攻角時(shí)的展開曲線, 其完全展開所需的時(shí)間為0.152 s, 這與使用M扭簧在零攻角發(fā)展規(guī)律是相似的。圖9為M扭簧在-5°攻角時(shí)展開過程, 可以看到, 由于扭簧的扭矩偏小, 在存在位置阻力的情況下, 折疊翼不能完全展開, 在43°附近處于震蕩平衡狀態(tài)。

通過以上分析可以得出如下結(jié)論。

1) 在航行器發(fā)射姿態(tài)處于零攻角狀態(tài)時(shí), 不考慮粘性位置阻力的影響(如同在靜水中), 折疊翼展開過程主要決定于主動扭轉(zhuǎn)力矩, 并且均能實(shí)現(xiàn)完全展開, 只是展開時(shí)間不同。因此盡量保證小于當(dāng)?shù)毓ソ堑陌l(fā)射條件, 會大大降低折疊翼的設(shè)計(jì)難度, 且折疊翼可實(shí)現(xiàn)順利展開。

2) 在航行器發(fā)射姿態(tài)處于非零攻角狀態(tài)時(shí),粘性位置阻力是影響折疊翼展開過程的主要影響因素, 當(dāng)展開機(jī)構(gòu)的主動扭轉(zhuǎn)力矩設(shè)計(jì)值小于某一極限值時(shí), 將會出現(xiàn)折疊翼不能完全展開, 在某一角度位置保持持續(xù)震蕩的近似平衡過程。

4 結(jié)束語

本文對水下航行器折疊翼固定機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)以及折疊方式進(jìn)行方案選擇, 完成了折疊翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過分析計(jì)算折疊翼活動端展開過程所受各力, 建立了折疊翼展開過程動力學(xué)方程。運(yùn)用MATLAB對折疊翼展開過程進(jìn)行動力學(xué)仿真計(jì)算, 獲得了扭轉(zhuǎn)展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)、發(fā)射動力學(xué)參數(shù)對折疊翼展開動力學(xué)特性的影響規(guī)律。本文的研究結(jié)果對進(jìn)一步優(yōu)化[7]和改進(jìn)水下航行器折疊翼的設(shè)計(jì)方案具有重要的參考價(jià)值。

[1] 王黨校. 折疊翼機(jī)構(gòu)彈性動力學(xué)分析[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2000.

[2] 冀功祥, 喻國兆. 水下航行器鰭折疊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù), 2010, 18(1): 25-26.Ji Gong-xiang, Yu Guo-zhao. Folding Mechanism Design for Folding Fins of Underwater Vehicles[J]. Mine Warfare & Ship Self-Defence, 2010, 18(1): 25-26.

[3] 張?jiān)? 張忠偉, 師小娟. 小型飛行器機(jī)動翼面的展開鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2003(11):149-151. Zhang Yuan-ming, Zhang Zhong-wei, Shi Xiao-juan. Design of Pushing and Locking Mechanism of Maneuver-Control Surfaces for an Aircraft[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2003(11):149-151.

[4] 徐宣志. 魚雷力學(xué)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1992.

[5] 濮良貴, 紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.

[6] 張宇文. 魚雷外形設(shè)計(jì)[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1992.

[7] 李莉, 任茶仙, 張鐸. 折疊翼機(jī)構(gòu)展開動力學(xué)仿真及優(yōu)化[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2007, 34(1): 17-21.Li Li, Ren Cha-xian, Zhang Duo. Dynamic Simulation and Optimization Design of Deployment of Folding-wing [J]. Structure & Environment Engineering, 2007, 34(1): 17-21.

Design and Dynamic Simulation of Folding Wing Expansion Mechanism for Underwater Vehicle

LEI Ge, DENG Fei, LIU Quan, FENG Xiao-tao

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an, 710072, China)

To adapt the size limit of an underwater vehicle launcher and meet the stability requirement of underwater vehicle after launching, an expansion mechanism of underwater vehicle folding wing is designed. Based on mechanical analysis, a dynamic model of the mechanism is established. The influences of the factors, such as the design parameters of the expansionmechanism and the parameters of launching dynamics, on the dynamic characteristics of this folding wing are obtained in different hydrodynamic conditions through numerical simulations. Simulation results confirm the feasibility and reliability of the mechanism design. This study may provide a reference for improving and optimizing design scheme of underwater vehicle folding wing.

underwater vehicle; folding wing; mechanism design; dynamic simulation

TJ630.2

A

1673-1948(2013)02-0081-05

2012-05-04;

2012-09-03.

雷 歌(1987-), 女, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)榇芭c海洋工程.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)