曲明 張國友 董國慶 于金革

摘要：速壓制動裝置是風(fēng)洞顫振試驗(yàn)的保護(hù)裝置，文中通過對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，計(jì)算歸納出了機(jī)構(gòu)在工作過程中的運(yùn)動規(guī)律，并且對機(jī)構(gòu)的薄弱件進(jìn)行了柔性分析，保證了機(jī)構(gòu)運(yùn)行的安全性，從而為研發(fā)速壓制動裝置提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：速壓制動裝置；運(yùn)動學(xué)分析；柔性分析

目前飛機(jī)多數(shù)采用薄型機(jī)翼帶有外掛物的結(jié)構(gòu)形式，這樣的設(shè)計(jì)在解決某些氣動問題的同時(shí)，使得飛機(jī)機(jī)翼等部分原本就存在的結(jié)構(gòu)變形問題更加嚴(yán)重，由于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)變形能改變其顫振特性，因此要在風(fēng)洞中進(jìn)行顫振試驗(yàn)以確定彈性影響。

飛機(jī)模型在風(fēng)洞進(jìn)行顫振試驗(yàn)過程中，當(dāng)氣流速度逐漸接近預(yù)計(jì)的臨界顫振速度時(shí)，通過彈性支撐方式使得模型激振以測量模型的顫振模態(tài)等重要參數(shù)，劇烈的顫振可能造成模型局部毀壞，脫落部分將會對風(fēng)洞造成破壞，因此在風(fēng)洞的試驗(yàn)段安裝速壓制動裝置，在預(yù)見到危險(xiǎn)時(shí)，該機(jī)構(gòu)可以在極短時(shí)間內(nèi)將風(fēng)速降下來，從而減小模型的振幅，保護(hù)風(fēng)洞不受損壞。

1.速壓制動裝置結(jié)構(gòu)簡介

按照某風(fēng)洞尺寸及模型試驗(yàn)參數(shù)要求，速壓制動裝置由4塊翼型阻流板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，采用液壓系統(tǒng)提供動力，驅(qū)動機(jī)構(gòu)原動件即滑塊按照預(yù)定的位移-時(shí)間曲線在導(dǎo)軌上運(yùn)動，通過偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動曲柄即翼型阻流板旋轉(zhuǎn)，從而逐漸增大風(fēng)洞截流面積，達(dá)到短時(shí)間內(nèi)降低風(fēng)速的目的。

圖1 速壓制動裝置結(jié)構(gòu)簡圖

2.運(yùn)動學(xué)分析

該裝置傳動機(jī)構(gòu)采用偏置曲柄滑塊形式，為簡化計(jì)算，將一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)分離出來進(jìn)行計(jì)算分析，機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖如圖2所示。

圖2 偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

滑塊為原動件，曲柄為從動件，運(yùn)動學(xué)分析過程中，按逆運(yùn)動求解原動件的運(yùn)動規(guī)律，曲柄勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動90°的時(shí)間定為0.3秒，則曲柄轉(zhuǎn)動速度：

(1)位移分析

該機(jī)構(gòu)的封閉矢量方程式為：

（2）速度分析

將位移方程對時(shí)間求導(dǎo)數(shù)得：

（3）加速度分析

將速度方程對時(shí)間求導(dǎo)數(shù)得：

上式展開取實(shí)部得：

原加速度方程展開取虛部得：

由以上公式得出原動件的位移函數(shù)：

3.解析解與仿真結(jié)果對比驗(yàn)證

由于阻流板翻轉(zhuǎn)90°時(shí)間設(shè)定為0.3秒，所以ADAMS仿真時(shí)間為0.3秒，在時(shí)間終點(diǎn)t=0.3秒時(shí)，驗(yàn)證位移、速度兩個(gè)參數(shù)的解析解與仿真結(jié)果的吻合度。

在偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)當(dāng)中，曲柄長度為300mm，偏心距為450mm，圖解法可知連桿長度為750mm，t=0.3s時(shí)，由運(yùn)動方程得出如下解析解：

則滑塊行程：

傳動機(jī)構(gòu)仿真模型各點(diǎn)坐標(biāo)如圖3所示，s-t曲線、 v-t曲線及 曲線分別如圖4、圖5及圖6所示，幾組曲線在0.3s數(shù)值與解析解相同，由此可以驗(yàn)證運(yùn)動方程解析解的正確性。

圖3 傳動機(jī)構(gòu)各點(diǎn)坐標(biāo)

圖4 s-t曲線

圖5 v-t曲線

圖6曲線

4.柔性分析

動力學(xué)分析過程中，將滑塊的位移-時(shí)間關(guān)系以spline曲線形式輸入ADAMS，作為原動件的控制曲線，仿真時(shí)間設(shè)定為0.3s，在仿真中圓錐滾子軸承摩擦因數(shù)u取0.005，推力球軸承圓錐滾子軸承摩擦因數(shù)u取0.0012，由此計(jì)算出的從動件即阻流板旋轉(zhuǎn)速度-時(shí)間曲線如圖7所示，可見角速度的數(shù)值一直穩(wěn)定于 。

圖7 阻流板旋轉(zhuǎn)速度-時(shí)間曲線

液壓系統(tǒng)需提供的外力-時(shí)間曲線如圖8所示，由圖可知液壓缸需提供的最大外力約為1150N。

圖8 液壓缸提供動力-時(shí)間曲線

為考察機(jī)構(gòu)部件在傳動過程中的應(yīng)力狀態(tài)及分布規(guī)律，需要對部件進(jìn)行有限元分析，可以從靜態(tài)及動態(tài)兩方面考慮，從該機(jī)構(gòu)的運(yùn)行狀況可知連桿在0.3s內(nèi)受力狀態(tài)發(fā)生較大變化，是機(jī)構(gòu)中的薄弱件，因此為全面考察機(jī)構(gòu)的安全性，選擇采用動強(qiáng)度分析方法對機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，其中薄弱件即連桿設(shè)置為柔性體。

剛-柔混合模型計(jì)算結(jié)果如圖9所示，調(diào)入ADAMS/DURABILITY模塊，將連桿在0.3s運(yùn)動過程中產(chǎn)生較大應(yīng)力的10個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果信息列表顯示，如圖10所示，可知連桿運(yùn)動過程中出現(xiàn)的最大應(yīng)力約為0.358MPa，節(jié)點(diǎn)編號為id43380，柔性體出現(xiàn)較大應(yīng)力的四個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳動過程中的應(yīng)力-時(shí)間曲線如圖11所示，可見最大應(yīng)力均產(chǎn)生于運(yùn)動初始及結(jié)束時(shí)刻。

圖9 剛-柔混合模型

圖10產(chǎn)生較大應(yīng)力的10個(gè)節(jié)點(diǎn)信息列表

圖11 產(chǎn)生較大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力-時(shí)間曲線

5.結(jié)論

（1）采用解析法計(jì)算歸納出了速壓制動裝置在工作過程中的運(yùn)動規(guī)律，為機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

（2）將解析解與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了解析解的正確性。

（3）對機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中受力狀態(tài)發(fā)生較大變化的薄弱件進(jìn)行了柔性體分析，保證了機(jī)構(gòu)運(yùn)行的安全性。

6.參考文獻(xiàn)

[1] 李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M].國防工業(yè)出版社.2008.8：140-145