趙春生，金文棟，徐 速，杜桂賢

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽110015）

基于UG/Motion的軸對稱球面塞式矢量噴管運動仿真

趙春生，金文棟，徐 速，杜桂賢

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽110015）

根據(jù)軸對稱球面塞式矢量噴管的結構特點，應用U G N X軟件自頂向下裝配建模技術建立了該噴管3維實體模型，并運用U G/M otion技術建立該噴管的運動模型。通過對該運動模型的運動仿真模擬了該噴管的真實非矢量和矢量運動狀態(tài)，驗證了運動機構方案的合理性和可行性。初步研究了矢量作動筒不同布置方式對控制規(guī)律的影響，確定矢量作動筒的控制規(guī)律及行程范圍和主要運動構件的運動軌跡，為噴管模型試驗件工程設計提供了依據(jù)。

軸對稱球面塞式矢量噴管；U G N X；自頂向下建模；運動仿真

0 引言

作為未來先進戰(zhàn)斗機的必備技術，推力矢量技術已經得到航空發(fā)動機設計者越來越多地重視。矢量噴管技術是實現(xiàn)推力矢量技術的核心技術，而軸對稱球面塞式矢量噴管由于具有運動件少、結構簡單、質量輕和可靠性高，在獲得推力矢量控制能力的同時，又不影響整機的綜合性能，并降低實施推力矢量技術的成本，驅動偏轉段所要求的作動系統(tǒng)拖動力小，矢量偏轉效率高等優(yōu)點，已經得到設計者的青睞。但是作為1種新型矢量噴管，從研制到應用需要經過漫長的過程，而在研究過程中首先需要分析其運動機構的結構形式、運動狀態(tài)和推力矢量作動系統(tǒng)的控制規(guī)律。隨著計算機技術的發(fā)展，利用計算機建模及運動仿真技術完成矢量噴管3維實體模型的結構設計和運動仿真，將部分需要在模型試驗件上完成的工作提前研究和分析，并不斷完善設計，可以減少模型試驗件調試進程和試驗件反復生產加工，從而縮短噴管研制周期和加快研究進度。

本文利用UG NX軟件建模和運動仿真功能模塊，建立軸對稱球面塞式矢量噴管3維實體運動模型并進行運動仿真，為工程設計提供依據(jù)。

1 UG NX軟件功能模塊

在UG NX軟件若干功能模塊中，建模（Modeling）和運動仿真（Motion Simulation）功能模塊具有明顯優(yōu)勢，若在零組件結構設計和運動機構研究過程中合理利用，可以有效提高設計效率和縮短研究周期。

1.1 建模技術

裝配建模有3種方法：（1）自底向上裝配建模（Bottom-Up Assembly），如圖1所示。先逐一設計好裝配中所需部件，再將部件添加到裝配體中，由底向上逐級進行裝配；（2）自頂向下裝配建模（Top-Down Assembly），如圖2所示。先創(chuàng)建組件部件，并使組件成為工作部件，然后在組件部件中創(chuàng)建幾何體，在裝配過程中參照其他部件對當前工作部件進行設計，可以利用鏈接關系建立從其他部件到工作部件的幾何關聯(lián)；（3）混合建模。綜合利用自底向上裝配建模和自頂向下裝配建模技術完成裝配建模。

圖1 自底向上裝配建模方法

圖2 自頂向下裝配建模方法

1.2 運動仿真技術

運動仿真是UG NX/CAE（Computer Aided Engineering）模塊中的主要部分，用于建立運動機構模型，分析其運動規(guī)律，及對任何2維或3維機構進行復雜的運動學分析、動力分析和設計仿真。通過UG/Modeling的功能建立1個3維實體模型，利用UG/Motion的功能給所建3維實體模型各部件賦予一定的運動學特性，再在各部件間設立一定的連接關系即可建立1個運動仿真模型。UG/Motion的功能可以對運動機構進行大量裝配和運動合理性分析，得到大量運動機構的運動參數(shù)。通過對這個運動仿真模型進行運動學或動力學運動分析可以驗證該運動機構設計的合理性，并且可以利用圖形輸出各部件的位移、坐標、加速度、速度和力的變化情況，對運動機構進行優(yōu)化。

創(chuàng)建運動分析方案包括創(chuàng)建連桿和運動副及定義運動驅動3步。

2 3維實體建模

2.1 結構

軸對稱球面塞式矢量噴管主要組成部件有筒體（固定球面段）、運動球面段、喉道調節(jié)錐段、球面定心機構、中心錐體、喉道調節(jié)同步作動筒、矢量作動筒和外罩等，如圖3所示。

圖3 軸對稱球面塞式矢量噴管結構

2.2 建模

噴管3維實體建模采用自頂向下裝配建模方式，步驟如下：（1）創(chuàng)建空的組件文件，在空的組件中根據(jù)發(fā)動機坐標系繪制噴管的2維草圖；（2）在組件環(huán)境下，創(chuàng)建空的零件文件；（3）在組件環(huán)境下，可根據(jù)已在組件中繪制的2維草圖或單獨在組件中，以空的零件為工作部件進行零件結構特征創(chuàng)建并保存；（4）以組件為工作部件，進行零件位置的調整，完成裝配建模。

3 運動仿真

3.1 運動模式

3.1.1 非矢量狀態(tài)

在非矢量狀態(tài)下，通過控制喉道調節(jié)同步作動筒的行程，改變喉道調節(jié)錐段的軸向位移，從而改變其內錐面和中心錐體外錐面的最小間距，即改變喉道面積，同時也改變喉道調節(jié)錐段的出口和中心錐體外錐面的最小間距，即噴管的出口面積。

3.1.2 矢量狀態(tài)

在矢量狀態(tài)下，喉道面積和出口面積的調節(jié)與非矢量狀態(tài)下的相同。噴管的矢量偏轉通過控制運動球面段的偏轉實現(xiàn)，通過改變3個矢量作動筒的行程，控制球面定心機構的收擴，從而使運動球面段在360°范圍內全向運動，從而改變運動球面段軸向方向，使噴管尾部軸線與發(fā)動機軸線產生夾角和氣流方向偏轉，實現(xiàn)推力的矢量偏轉。最大矢量偏轉角度在噴管結構模型方案設計時確定。

3.2 建立運動模型

將在UG/Modeling環(huán)境下創(chuàng)建的噴管3維實體模型切換到UG/Motion環(huán)境下，新建仿真文件，并設定22個Link和42個Joint，建立噴管的運動模型。

3.3 運動狀態(tài)仿真

3.3.1 非矢量狀態(tài)仿真

運動狀態(tài)的運動驅動部件設置為3個喉道調節(jié)同步作動筒。作動筒的行程由小到大，喉道調節(jié)錐段沿軸向向后伸出，喉道調節(jié)錐段內錐面和中心錐體外錐面的最小間距逐漸增大，從而使喉道面積逐漸變大，噴管出口面積也逐漸增大。

3.3.2 矢量狀態(tài)仿真

噴管的矢量偏轉運動的驅動部件為3個矢量作動筒，通過矢量作動筒的異步伸縮，控制球面定心機構的收擴，使運動球面段在360°范圍內進行全向矢量偏轉，從而改變運動球面段軸向方向，使噴管尾部軸線與發(fā)動機軸線產生夾角，導致氣流方向偏轉，實現(xiàn)推力的矢量偏轉。矢量偏轉角度λ的大小通過控制3個矢量作動筒異步伸縮的行程調節(jié)。另外，由于噴管上3個矢量作動筒布置方式不同，導致3個矢量作動筒的控制規(guī)律曲線也存在很大差別，本文主要對2種矢量作動筒布置方式（3個矢量作動筒初始位置與噴管軸線平行布置和傾斜布置）進行仿真研究，噴管的最大偏轉角度設計為20°。

3.3.2.1 矢量作動筒與噴管軸線平行布置

噴管矢量運動的目標值偏轉方位角θ和矢量偏轉角δ由3個矢量作動筒的行程L控制。根據(jù)運動學分析結果，L與θ和δ呈非線性函數(shù)關系。當δ確定時，L與θ的關系曲線為簡諧曲線，即

式中：A為簡諧運動幅值，即矢量作動筒最大伸出長度，是矢量偏轉角δ的函數(shù)；β為相位角，常數(shù)；a為常數(shù)。

當δ＝20°，噴管在360°范圍內全向做矢量偏轉時，L與θ的關系曲線如圖4所示。

為研究式（1）中的幅值A與δ的關系，本文在θ=180°、δ=0～20°時，對處于θ=0°位置的A與δ的關系進行了仿真，得出A與δ近似呈線性關系，如圖5所示，即

圖4 矢量作動筒的行程與偏轉方位角的關系

圖5 矢量作動筒的伸出長度A與矢量偏轉角的關系

通過仿真曲線確定式（2）中的常量b和k。最終確定矢量作動筒的行程L與偏轉方位角θ和矢量偏轉角δ的函數(shù)關系，即

3.3.2.2 矢量作動筒傾斜布置

為研究矢量作動筒布置方式對矢量作動筒行程控制規(guī)律的影響，本文對矢量作動筒初始中心軸線與噴管中心軸線成30°夾角（如圖6所示）且沿周向均布的結構進行了仿真。

該布置方式使噴管在進行360°全向運動時，矢量作動筒的行程控制規(guī)律非簡單的簡諧運動，為研究3個矢量作動筒的控制規(guī)律，增建了1個輔助調節(jié)環(huán)。建立運動模型時，在調節(jié)環(huán)和筒體上設置了1個通過球心且與筒體軸線垂直的轉動副；在調節(jié)環(huán)和運動球面段上設置了1個通過球心且與噴管尾部軸線垂直的轉動副，與調節(jié)環(huán)和筒體上的轉動副互相垂直，構成萬向節(jié)運動副，以實現(xiàn)對球副的模擬。通過運動仿真得出，在δ＝10°和20°，噴管在360°范圍內全向做矢量偏轉時，3個矢量作動筒的行程L與θ的關系曲線如圖7、8所示。

圖6 矢量作動筒布置方式

圖7 δ＝10°時矢量作動筒的行程與偏轉方位角的關系

圖8 δ＝20°時矢量作動筒的行程與偏轉方位角的關系

雖然矢量作動筒傾斜布置能使球面定心機構受力在一定程度得到優(yōu)化，但是通過仿真曲線可見，在矢量作動筒傾斜布置時，矢量作動筒的行程L與θ的關系曲線較為復雜，并非簡諧曲線，而且3個矢量作動筒的行程曲線在δ＝10°時較為平滑，但在δ＝20°時只能保證基本的趨勢走向，已經完全失真，致使對矢量作動筒控制的實現(xiàn)存在一定困難。另外，矢量作動筒傾斜布置使矢量作動筒的行程增加，導致矢量作動筒的質量增加。

3.3.3 模擬分析

在運動仿真前，對需要研究和監(jiān)測的距離、角度和主要連接點的運動軌跡等主要零組件信息，添加“Markers”、“Measure”和“Trace”；在運動仿真過程中，通過對這些數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，確定運動構件的運動軌跡、位移和角度變化情況；在運動仿真結束后，通過對3個矢量作動筒等圖形文件的讀取和處理，確定矢量作動筒的控制規(guī)律曲線，從而為零部件結構設計提供依據(jù)，確定了以下要素：（1）矢量作動筒的控制規(guī)律曲線和行程范圍；（2）球面定心機構的收擴范圍；（3）喉道面積和出口面積的變化范圍；（4）主要運動構件的運動軌跡。

4 結束語

本文結合軸對稱球面塞式矢量噴管的結構特點和UG NX軟件的有關功能，對該噴管結構進行了自頂向下的裝配建模和對其真實運動過程進行了運動仿真，初步驗證了矢量作動筒布置方式對矢量作動筒行程控制的影響，確定了矢量作動筒的控制規(guī)律和行程范圍、球面定心機構的收擴范圍、主要零組件及連接點的運動軌跡和喉道面積及出口面積的變化范圍。其仿真結果為噴管模型試驗件工程設計提供了依據(jù)，既節(jié)時省力又大幅節(jié)約了研究經費。

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Motion Simulation of Axisymmetric Spherical Plug Thrust Vectoring Nozzle Based on UG/Motion

ZHAO Chun-sheng,JIN Wen-dong,XU Su,DU Gui-xian
（AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute，Shenyang 110015，China）

Based on structure characteristics of axisymmetric spherical plug thrust vectoring nozzle,three dimensional model for axisymmetric spherical plug thrust vectoring nozzle was built using top-down modeling technology with UG NX software and the motion model of the nozzle was set using UG/motion technology.The motion state of real non-thrust vectoring and thrust vectoring nozzle was conducted by the model motion simulation to validate the rationality and feasibility of the motion.The effect of the different arrangement of thrust vectoring nozzle actuating cylinder on the control regulations was studied preliminarily.The control regulation, range and the trail of the movement components were decided for design of nozzle test rig.

axisymmetric spherical plug thrust vectoring nozzle;UG NX;top-down modeling;motion simulation

趙春生（1982），男，碩士，工程師，從事航空發(fā)動機噴管及排氣裝置設計工作。

2012-05-14