梁　爽，印雪梅，王　華

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

基于ADAMS的靜葉聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)

梁爽，印雪梅，王華

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽110015）

針對(duì)壓氣機(jī)靜子葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)空間運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度大的問題，提出了1種以3維參數(shù)化仿真為核心，進(jìn)行壓氣機(jī)靜葉聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的方法。基于ADAMS平臺(tái)建立調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的簡易模型，利用軟件參數(shù)化分析模塊研究了模型中決定機(jī)構(gòu)性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量的確定方法；在此基礎(chǔ)上，以某型壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為例，利用參數(shù)化方法進(jìn)行了該機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：在方案設(shè)計(jì)階段，參數(shù)化分析方法可快速、有效地進(jìn)行調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)選取與優(yōu)化，使模型的運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

可調(diào)靜子；聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)；ADAMS；參數(shù)化仿真；方案設(shè)計(jì)；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0　引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)靜子葉片角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的作用是根據(jù)工作狀態(tài)調(diào)節(jié)靜葉角度。為了減輕壓氣機(jī)質(zhì)量和減少控制變量，多級(jí)葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通常設(shè)計(jì)成由1個(gè)主動(dòng)件同時(shí)驅(qū)動(dòng)多排葉片按不同角度規(guī)律調(diào)節(jié)的聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)。目前國內(nèi)對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究，文獻(xiàn)［1］給出了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程，主要針對(duì)以平面運(yùn)動(dòng)為主的葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，推導(dǎo)時(shí)將部分空間運(yùn)動(dòng)近似成平面運(yùn)動(dòng)處理；文獻(xiàn)［2］以齊次坐標(biāo)分析法為基礎(chǔ)，結(jié)合Matlab推導(dǎo)典型結(jié)構(gòu)形式的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程，通過優(yōu)化計(jì)算得出關(guān)鍵構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸。國外對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的研究，在公開發(fā)表的文獻(xiàn)［2-3］中主要是對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的仿真分析。

本文介紹了1種通過參數(shù)化仿真進(jìn)行聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，并利用ADAMS軟件對(duì)某壓氣機(jī)4級(jí)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，研究了該機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量的確定方法。

1　典型聯(lián)調(diào)結(jié)構(gòu)形式

在相同工作轉(zhuǎn)速下，壓氣機(jī)各級(jí)靜子葉片的角度是不同的，而聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)由同一套作動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，所以需要設(shè)計(jì)不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來保證各級(jí)靜子葉片能夠按照設(shè)計(jì)角度要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

多級(jí)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)主要包括以連桿的拉壓力、扭轉(zhuǎn)力進(jìn)行傳遞級(jí)間驅(qū)動(dòng)力形式，分別如圖1、2所示。

從圖1中可見，拉壓桿式多級(jí)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)的級(jí)間連桿連接各級(jí)曲柄，構(gòu)成

圖2　扭力桿式多級(jí)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)

1組平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)。作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)其中1個(gè)曲柄，通過級(jí)間連桿的拉壓力帶動(dòng)其余曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)葉片的角度調(diào)節(jié)。拉壓桿式多級(jí)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)占有空間相對(duì)較小，各級(jí)靜子葉片調(diào)節(jié)角度之間的關(guān)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(jí)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)主要是以作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)級(jí)間連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在級(jí)間連桿不同位置的凸耳帶動(dòng)拉桿，拉桿帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)環(huán)，來調(diào)節(jié)靜子葉片角度。各級(jí)靜子葉片調(diào)節(jié)角度之間的關(guān)系由安裝在級(jí)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(jī)可調(diào)靜子葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是1種靠級(jí)間連桿拉壓力傳遞級(jí)間驅(qū)動(dòng)的多級(jí)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)。

2　設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

某型壓氣機(jī)試驗(yàn)件共有4排靜子葉片角度可調(diào)，為方便級(jí)間匹配調(diào)節(jié)和性能優(yōu)化，先期設(shè)計(jì)為可調(diào)進(jìn)口導(dǎo)葉（IGV）單獨(dú)調(diào)節(jié)，后3級(jí)聯(lián)調(diào)，結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

經(jīng)過試驗(yàn)確定了優(yōu)化后的IGV角度調(diào)節(jié)規(guī)律。在該壓氣機(jī)工程應(yīng)用階段，需要將單獨(dú)調(diào)節(jié)的IGV并入3級(jí)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整體4級(jí)聯(lián)調(diào)，各級(jí)聯(lián)調(diào)規(guī)律如圖4所示。

圖3　4級(jí)可調(diào)葉片機(jī)構(gòu)

圖4　4級(jí)聯(lián)調(diào)規(guī)律

在新4級(jí)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)中，沿用原3級(jí)聯(lián)調(diào)的驅(qū)動(dòng)范圍0°～40°，第1～3級(jí)機(jī)構(gòu)不需改變，只需重新設(shè)計(jì)要并入的IGV調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。本方案設(shè)計(jì)旨在3級(jí)曲柄處驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角0°～40°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)IGV角度-14.2°～17.5°的調(diào)節(jié)規(guī)律，其結(jié)構(gòu)方案如圖5所示。定義搖臂與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線平行位置為0°，正、負(fù)值分別為閉角、開角。

圖5　設(shè)計(jì)目標(biāo)方案

3　參數(shù)化設(shè)計(jì)過程

參數(shù)化包括仿真模型和仿真過程的參數(shù)化。前者對(duì)決定機(jī)構(gòu)形狀的基本尺寸以及決定構(gòu)件相互位置關(guān)系的約束進(jìn)行參數(shù)化，使整個(gè)仿真模型完全由若干個(gè)參數(shù)值來控制，從而易于模型的重建；后者在仿真過程中動(dòng)態(tài)地改變參變量的數(shù)值，從而可以在滿足相關(guān)約束的條件下，獲得最優(yōu)的參數(shù)取值?？梢姺抡婺Ｐ蛥?shù)化是仿真過程參數(shù)化的前提［5］。

采用ADAMS軟件進(jìn)行壓氣機(jī)靜葉聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)參數(shù)化方案設(shè)計(jì)，基本流程如圖6所示。

圖6　參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

表1　設(shè)計(jì)變量物理含義

3.1設(shè)計(jì)方案建模

在ADAMS軟件環(huán)境下建立機(jī)構(gòu)的分析模型，建模過程如下。

（1）分析機(jī)構(gòu)模型設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)是找出能夠完整描述整個(gè)機(jī)構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立設(shè)計(jì)變量和模型對(duì)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本算例設(shè)計(jì)變量及其物理含義對(duì)照見表1。

（2）創(chuàng)建關(guān)鍵位置點(diǎn)。在模型中創(chuàng)建機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵位置點(diǎn)，以便確定機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的裝配位置關(guān)系，有利于模型在參數(shù)化求解過程中快速重建。

（3）創(chuàng)建模型構(gòu)件。ADAMS軟件提供了連桿、圓柱、矩形體等豐富的基本幾何體，對(duì)照機(jī)構(gòu)模型可以用基本幾何體快速創(chuàng)建整個(gè)機(jī)構(gòu)的簡易模型，如圖7所示。

（4）添加運(yùn)動(dòng)副約束。對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化仿真的前提是要對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)梳理分析，明確構(gòu)件間的約束關(guān)系，模型中的運(yùn)動(dòng)副約束包括旋轉(zhuǎn)副、球絞副、圓柱副和固定副。機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的約束類型見表2。

圖7　聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)模型

表2　模型構(gòu)件約束類型

（5）添加驅(qū)動(dòng)。將仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)置在模型3級(jí)曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副上。按照設(shè)計(jì)目標(biāo)，給定其驅(qū)動(dòng)角度范圍為0°～40°。

3.2模型的參數(shù)化

結(jié)合機(jī)構(gòu)模型對(duì)表1列出的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行分析，搖臂長度和聯(lián)動(dòng)環(huán)半徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)很大程度上受到壓氣機(jī)自身結(jié)構(gòu)（外徑、級(jí)間距等尺寸）的約束；與其相比，拉桿的長度以及曲柄從動(dòng)臂的長度和角度受到的約束較弱，可以優(yōu)先作為本次設(shè)計(jì)的參數(shù)化變量。

上述3個(gè)參數(shù)可以反映在拉桿和IGV曲柄連接點(diǎn)的位置坐標(biāo)上，于是將曲柄與拉桿的連接點(diǎn)（圖4）位置坐標(biāo)參數(shù)化，創(chuàng)建3個(gè)設(shè)計(jì)變量（DV_X，DV_Y，DV_Z）來表示該參數(shù)化點(diǎn)的坐標(biāo)，并以原IGV單獨(dú)調(diào)節(jié)時(shí)的結(jié)構(gòu)位置坐標(biāo)為初值，給定3個(gè)設(shè)計(jì)變量±3 mm取值范圍。下一步將通過靜葉聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)模型的運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)，得出能夠滿足目標(biāo)調(diào)節(jié)規(guī)律的靜葉聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)變量取值。

3.3仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

進(jìn)入ADAMS軟件的試驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design of Experiments）環(huán)境下設(shè)置參數(shù)如圖8所示。本次設(shè)計(jì)2個(gè)目標(biāo)函數(shù)，分別是可調(diào)葉片的最大開、閉角，變量的取值精度表示設(shè)計(jì)變量在給定的取值范圍內(nèi)取值的數(shù)量，若設(shè)定為20，則每個(gè)變量在取值范圍內(nèi)均勻取20個(gè)值。本算例有3個(gè)設(shè)計(jì)變量，則共有203種數(shù)據(jù)組合進(jìn)行試驗(yàn)，可根據(jù)需要選取更高的數(shù)據(jù)密度以獲得更高的計(jì)算精確度［6］。參數(shù)設(shè)置完畢，點(diǎn)擊Start按鈕，程序自動(dòng)開始仿真試驗(yàn)。

圖8　參數(shù)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4　設(shè)計(jì)結(jié)果

程序完成203次試驗(yàn)后，進(jìn)入軟件后處理模塊PostProcessor提取試驗(yàn)結(jié)果，并從中篩選接近設(shè)計(jì)目標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果，見表3。

表3　試驗(yàn)結(jié)果節(jié)選

以調(diào)節(jié)角度設(shè)計(jì)要求與試驗(yàn)結(jié)果差值的最小平方和為目標(biāo)，從結(jié)果中選取最優(yōu)的試驗(yàn)次，即第3200次試驗(yàn)（開角14.1859°，閉角17.5028°）可以滿足設(shè)計(jì)要求。讀取第3200次試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量值DV_X，DV_Y，DV_Z作為本次方案設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真加以驗(yàn)證，得到設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)要求對(duì)比，如圖9所示。從圖中可見，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)要求的最大偏差在0.6°之內(nèi)，作為初步的方案設(shè)計(jì)，認(rèn)為結(jié)果可以滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)于未能完全吻合的點(diǎn)可以在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)一步微調(diào)優(yōu)化。

該算例確定了參數(shù)化設(shè)計(jì)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，并且滿足了設(shè)計(jì)要求，通過參數(shù)化點(diǎn)的位置坐標(biāo)可以得到拉桿長度、曲柄從動(dòng)臂長度、曲柄從動(dòng)臂與主動(dòng)臂夾角3個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)取值，從而確定IGV并入后3級(jí)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)后的結(jié)構(gòu)尺寸方案，達(dá)到4級(jí)聯(lián)調(diào)的方案設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖9　設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比

5　結(jié)論

（1）應(yīng)用3維參數(shù)化方法開展機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，與解析計(jì)算法相比，可以快速確定機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸參數(shù)，能夠很好地滿足設(shè)計(jì)要求；保證了結(jié)構(gòu)尺寸的精確設(shè)計(jì)，縮短研制周期。

（2）進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的同時(shí)完成聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡仿真及干涉分析，保證設(shè)計(jì)方案的可行性，提高了設(shè)計(jì)效率。

（3）仿真樣機(jī)通過簡單的設(shè)計(jì)參數(shù)修改，可滿足不同的氣動(dòng)規(guī)律變化，其設(shè)計(jì)思想可應(yīng)用于其他型號(hào)可調(diào)靜子機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（4）本文采用理想的剛體模型，沒有考慮搖臂、聯(lián)動(dòng)環(huán)等構(gòu)件的變形，相對(duì)于實(shí)際情況有一定誤差?？紤]計(jì)算資源和時(shí)間的限制，剛性模型可以在初始設(shè)計(jì)時(shí)采用，設(shè)計(jì)基本定型時(shí)再用柔性模型進(jìn)行更精確地仿真驗(yàn)證。

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［16］藺越國，程家林，馮振宇，等.飛機(jī)起落架緩沖支柱參數(shù)化模型及優(yōu)化分析［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（10）：2732-2735. LIN Yueguo，CHENG Jialin，F(xiàn)ENG Zhenyu，et al.Parameter modeling and optimization analysis for landing gear absorber［J］.Journal of System Simulation，2008，20（10）：2732-2735.（in Chinese）

（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(xiàng)目：航空動(dòng)力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

梁爽（1990），男，在讀碩士研究生，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，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.