李 鑫, 楊赪石, 彭 博

基于多維聯(lián)合仿真技術(shù)的魚雷動力系統(tǒng)特性研究

李 鑫, 楊赪石, 彭 博

(中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

為獲得魚雷動力系統(tǒng)和組件特性改變時的相互影響規(guī)律, 文中建立了動力系統(tǒng)零維性能仿真模型、發(fā)動機缸內(nèi)過程一維仿真模型和發(fā)動機三維虛擬樣機模型, 將傳統(tǒng)研究相對獨立的零維、一維和三維仿真模型相結(jié)合, 使得數(shù)值計算更高效、準(zhǔn)確, 并對動力系統(tǒng)的性能和發(fā)動機的動力學(xué)特性進行了數(shù)值計算, 仿真了動力系統(tǒng)啟動、換速、變深和實航工況下發(fā)動機關(guān)鍵部位受力和運動情況, 以及發(fā)動機進氣比對動力系統(tǒng)性能的影響, 仿真結(jié)果和試驗結(jié)果基本吻合。文中研究的聯(lián)合仿真技術(shù)為動力系統(tǒng)和發(fā)動機組件的設(shè)計提供了一種新方法, 可為產(chǎn)品的工程設(shè)計提供參考。

魚雷動力系統(tǒng); 零維; 一維; 三維; 聯(lián)合仿真

0 引言

傳統(tǒng)上, 魚雷動力系統(tǒng)零維、一維和三維仿真相對獨立。動力系統(tǒng)零維性能仿真模型沿著流動和功率傳遞的方向獲得每一時刻各組件的進出口參數(shù)和性能參數(shù), 反映系統(tǒng)總體性能以及各組件的匹配性, 如馬為鋒等[1]建立了包含燃料泵、流量調(diào)節(jié)器、噴嘴、燃燒室和發(fā)動機等的全系統(tǒng)動態(tài)分析模型, 獲得了系統(tǒng)各主要參數(shù)隨時間變化的規(guī)律。而發(fā)動機缸內(nèi)過程一維仿真模型按照活塞的運動規(guī)律, 獲得發(fā)動機1個熱力循環(huán)下缸內(nèi)的熱力參數(shù), 如張進軍等[2]建立了缸內(nèi)工質(zhì)的內(nèi)能和質(zhì)量的微分方程, 得到了1個工作循環(huán)內(nèi)內(nèi)能、質(zhì)量、溫度及壓強等熱力參數(shù)的曲線圖。零維和一維仿真模型的缺點是無法反映組件內(nèi)部受力、運動等細節(jié)情況, 并且其準(zhǔn)確性依賴于組件特性的準(zhǔn)確性, 優(yōu)點是仿真速度快, 可進行快速驗證和評估。發(fā)動機三維仿真基于虛擬樣機技術(shù), 可得到組件內(nèi)部各部件的空間運動方式以及詳細受力情況, 如李鑫等[3]基于虛擬樣機技術(shù), 建立了不同形式周轉(zhuǎn)斜盤發(fā)動機的動力學(xué)模型, 對發(fā)動機動力學(xué)性能進行了仿真分析。三維仿真的優(yōu)點是可以獲得更多的細節(jié)結(jié)果, 缺點是難以獲取準(zhǔn)確的邊界條件, 且建模復(fù)雜, 仿真速度較慢[4-9]。

文中考慮不同精度仿真模型的優(yōu)缺點, 以魚雷動力系統(tǒng)和發(fā)動機組件為研究對象, 將傳統(tǒng)相對獨立的零維、一維和三維仿真模型相結(jié)合, 使得數(shù)值計算更高效、準(zhǔn)確。通過多維聯(lián)合仿真, 從不同層次探討了魚雷動力系統(tǒng)和發(fā)動機組件參數(shù)改變時的相互影響規(guī)律。

1 不同精度仿真模型

1.1 動力系統(tǒng)零維性能仿真模型

基于動力系統(tǒng)的工作原理和特性, 啟動、換速和變深的系統(tǒng)零維仿真模型可用如下方程組描述[9]

1.2 發(fā)動機缸內(nèi)過程一維仿真模型

魚雷動力系統(tǒng)采用兩沖程轉(zhuǎn)缸式斜盤活塞外燃機。工作時, 缸內(nèi)的高溫高壓燃氣推動活塞做往復(fù)運動, 按照配氣關(guān)系實現(xiàn)預(yù)進氣—進氣—膨脹—預(yù)排氣—排氣—壓縮熱力循環(huán)過程[7]。根據(jù)能量守恒定理和質(zhì)量守恒定理, 缸內(nèi)過程一維模型用如下的微分方程組描述

1.3 發(fā)動機三維虛擬樣機模型

發(fā)動機動力傳動機構(gòu)工作時, 燃氣推動活塞做往復(fù)運動, 活塞通過連桿將力傳遞給斜軸斜盤部件, 由于斜軸在空間成一定的角度, 斜軸斜盤之間將產(chǎn)生沿發(fā)動機軸線方向的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩, 驅(qū)動主齒輪、氣缸體、活塞、連桿及斜盤等外軸部件旋轉(zhuǎn), 從而將活塞往復(fù)運動轉(zhuǎn)換為輸出軸的旋轉(zhuǎn)運動, 滾輪和導(dǎo)槽之間形成滾輪直導(dǎo)槽約束機構(gòu), 保證氣缸體和斜盤運動的同步性。

在Adams軟件中建立魚雷發(fā)動機三維虛擬樣機模型, 如圖1所示, 包含6個圓柱副(活塞和氣缸體)、12個球副(前后球頭和前后球座)、4個轉(zhuǎn)動副(斜盤和斜軸、缸體和大地、滾輪和滾輪銷軸)和19個固定副(斜軸等固定部件)[10]。

圖1 魚雷發(fā)動機三維虛擬樣機模型

1.4 聯(lián)合仿真模型

在MatlabSimulink中建立魚雷動力系統(tǒng)零維性能仿真模型以及發(fā)動機缸內(nèi)過程一維仿真模型, 在Adams中建立魚雷發(fā)動機三維仿真模型。動力系統(tǒng)零維性能仿真獲得的發(fā)動機進氣壓力, 作為發(fā)動機缸內(nèi)過程一維模型的輸入; 發(fā)動機缸內(nèi)過程一維仿真得到的發(fā)動機6個缸的缸內(nèi)壓力作為三維虛擬樣機模型的輸入; 發(fā)動機虛擬樣機仿真獲得的轉(zhuǎn)速作為動力系統(tǒng)零維性能仿真模型的輸入, 不同精度模型之間的數(shù)據(jù)通信通過基礎(chǔ)平臺實現(xiàn)[11]。建立的聯(lián)合仿真模型如圖2所示。

2 聯(lián)合仿真模型驗證

對采用相同進氣壓力、配氣參數(shù)、負(fù)載特性以及試驗流程的動力系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型的仿真結(jié)果和物理樣機試驗結(jié)果進行了對比, 功率試驗和仿真得到的輸出軸轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線基本一致, 如圖3所示, 兩者的平均誤差在8%以內(nèi), 說明聯(lián)合仿真模型的置信度較高, 可對魚雷動力系統(tǒng)的工程設(shè)計提供有效指導(dǎo)。

The influence of well doping concentration of a well is evaluated. The simulation results of devices with different concentration wells are shown in Fig. 5.

圖2 聯(lián)合仿真模型

3 動力系統(tǒng)特性分析

3.1 不同工況下發(fā)動機關(guān)鍵部位受力和運動情況

活塞側(cè)向力的大小、滾輪和導(dǎo)板之間的接觸力以及后球心相對于前球心的運動軌跡直接影響著活塞和氣缸套之間的動密封性能、發(fā)動機的機械效率以及運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性, 在設(shè)計時應(yīng)重點考慮。

應(yīng)用聯(lián)合仿真模型進行一次淺深度低速啟動、進燃料、換速、變深等典型工作過程的仿真, 從而獲得發(fā)動機關(guān)鍵部位的受力和運動情況。發(fā)動機采用滾輪直導(dǎo)槽約束機構(gòu), 缸體和斜盤的轉(zhuǎn)動存在相位差, 1缸、2缸和3缸所對應(yīng)的零部件呈現(xiàn)不同的運動學(xué)和動力學(xué)特性, 但1缸和4缸, 2缸和5缸, 3缸和6缸的特性則完全相同, 因此文中只分析1缸、2缸和3缸對應(yīng)零部件的受力情況。

圖4給出了在整個工作流程下1缸活塞的側(cè)向力(活塞和缸套之間的作用力)?？芍? 低速變高速時, 活塞側(cè)向力的均值成階梯形顯著增大。

圖5~圖7給出了1缸、2缸和3缸在50 m、300 m和600 m航深高速工況1個工作循環(huán)下活塞的側(cè)向力, 可以看出, 高速變深時, 1缸活塞的側(cè)向力均值變化不大(864~879 N), 峰值顯著增大(1027~1460 N); 2、3缸活塞的側(cè)向力均值和最大值均變化不大, 變化范圍在50 N之內(nèi)。在整個變深過程中, 1缸活塞和氣缸體之間的力學(xué)負(fù)荷均大于其他兩缸。

圖4 1缸活塞側(cè)向力

圖5 50 m航深各缸活塞側(cè)向力曲線

圖6 300 m航深各缸活塞側(cè)向力曲線

圖8給出了1缸、2缸和3缸后球心相對于前球心的運動軌跡, 在整個工作過程中, 前球心始終位于后球心橢圓形運動軌跡的中心。不同的是, 1缸長短軸較小, 2缸和3缸的長短軸較大, 因此, 1個周期內(nèi), 3個缸的活塞和氣缸體均在不同位置接觸, 磨損均勻, 不會產(chǎn)生偏磨, 相比較而言, 1缸的活塞運動最為平穩(wěn)。

圖7 600 m航深各缸活塞側(cè)向力曲線

圖8 各缸后球心相對于前球心的運動軌跡

圖9給出了該工況下滾輪和導(dǎo)板之間的接觸力, 低速變高速時, 滾輪和導(dǎo)板之間的接觸力顯著增大, 且隨著深度的增加, 滾輪和導(dǎo)板之間的接觸力也逐漸遞增。

圖9 滾輪和導(dǎo)板之間接觸力

3.2 實航工況下發(fā)動機受力仿真

利用建立的聯(lián)合模型進行1次實航工況下的仿真, 以對故障進行復(fù)現(xiàn)和定位。圖10和圖11給出了發(fā)動機轉(zhuǎn)速和滾輪導(dǎo)板之間的受力情況?？梢钥闯? 該次實航在5 s時發(fā)生魚雷跳水現(xiàn)象, 負(fù)載急劇下降, 發(fā)動機轉(zhuǎn)速突增, 慣性作用增加, 滾輪和導(dǎo)板之間的接觸力已不能平衡慣性力的作用而發(fā)生換向沖擊, 沖擊力可達 5500 N。這和實航試驗中魚雷跳水, 滾輪發(fā)生換向沖擊, 導(dǎo)板非工作面出現(xiàn)深坑損壞的現(xiàn)象吻合。

圖10 發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

圖11 實航工況下滾輪和導(dǎo)板之間接觸力

3.3 發(fā)動機結(jié)構(gòu)參數(shù)對動力系統(tǒng)性能參數(shù)的影響

缸徑和沖程是發(fā)動機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù), 為減小散熱損失, 缸徑和沖程比選擇為1.07, 圖12、圖13和表1給出了魚雷動力系統(tǒng)啟動時不同缸徑下的壓力和轉(zhuǎn)速曲線。

圖12 啟動時不同缸徑下的壓力曲線

隨著缸徑增大, 發(fā)動機做功容積增加, 啟動時燃燒室的壓力峰值逐漸減小, 發(fā)動機單轉(zhuǎn)耗氣量增加, 藥柱等面燃燒(進燃料點)的壓力減小, 燃燒室燃料入口前管路充填速度越來越慢, 進燃料時刻越來越晚。

圖13 啟動時不同缸徑下轉(zhuǎn)速曲線

表1 不同缸徑下的參數(shù)

燃料需要滿足一定的壓力條件才能可靠點燃,根據(jù)表1缸徑和缸內(nèi)壓力的關(guān)系可知, 缸徑不能太大, 否則會導(dǎo)致進燃料時壓力過小而無法可靠點燃。同時, 當(dāng)進燃料點燃燒室壓力遠小于調(diào)節(jié)壓力時, 進燃料時刻會產(chǎn)生較大的壓力超調(diào), 在設(shè)計時應(yīng)予以避免; 另一種極限情況是, 缸徑過小, 進燃料時燃燒室內(nèi)壓力過大, 超過壓力調(diào)節(jié)泵在特定工況下的壓力, 燃料全部溢流, 無法進入燃燒室, 造成啟動失效。因此, 在啟動過程中應(yīng)選用合適的缸徑, 既能滿足總體要求的轉(zhuǎn)速和進燃料時刻, 又能保證進燃料時刻的壓力條件和較小的壓力超調(diào)。

3.4 發(fā)動機不同進氣比對動力系統(tǒng)性能參數(shù)影響

在相同進氣壓力條件下, 發(fā)動機采用不同的進氣比, 會同時影響到動力系統(tǒng)的輸出功率和比耗量, 表2給出了不同進氣比下的輸出功率和比耗量。

表2 不同進氣比時動力系統(tǒng)性能參數(shù)

隨著發(fā)動機進氣比的增大, 動力系統(tǒng)功率增大, 單位功率下的秒耗量亦呈現(xiàn)遞增的趨勢, 因此, 在追求高功率時, 可適當(dāng)提高進氣比, 但此時消耗的燃料增大, 經(jīng)濟性變差; 在追求經(jīng)濟性時, 可適當(dāng)降低進氣比, 但此時的輸出功率會減小。在工程上, 應(yīng)選擇特定的進氣比同時滿足功率和經(jīng)濟性的要求。

4 結(jié)束語

文中建立了魚雷動力系統(tǒng)和發(fā)動機組件多維聯(lián)合仿真模型, 相比傳統(tǒng)獨立的零維、一維和三維模型更高效、準(zhǔn)確。通過聯(lián)合仿真, 獲得了動力系統(tǒng)啟動、換速以及變深工況下發(fā)動機關(guān)鍵部位受力和運動情況, 實航工況下發(fā)動機的受力載荷以及發(fā)動機采用不同進氣比對動力系統(tǒng)性能參數(shù)的影響。后續(xù)可將燃料泵、燃燒室等其他組件納入聯(lián)合仿真模型, 從不同層次更加全面地評價產(chǎn)品性能。

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Characteristics of Torpedo Power System Based on Multidimensional Co-Simulation Technology

LI Xin, YANG Cheng-shi, PENG Bo

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

To obtain the mutual influence law of the torpedo power system and components with characteristics change, a zero-dimensional performance simulation model of the power system, a one-dimensional simulation model of the engine’s in-cylinder process and a three-dimensional virtual prototype model of the engine are established. These relatively independent zero-dimensional, one-dimensional and three-dimensional simulation models in traditional research are combined to make the numerical calculation more efficient and accurate. Furthermore, the performance of the power system and the dynamic characteristics of the engine are numerically calculated, and the forces and motion of the main engine parts under start-up, speed-change, depth-change and sea trial of the power system, as well as the influence of the engine intake ratio on the performance of the power system, are simulated. Simulation results are basically consistent with the test data. This co-simulation technology may become a new method for design of torpedo power system and engine components.

torpedo power system; zero-dimension; one-dimension; three-dimension; co-simulation

TJ630.32; TK05

A

2096-3920(2019)04-0386-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.004

李鑫, 楊赪石, 彭博. 基于多維聯(lián)合仿真技術(shù)的魚雷動力系統(tǒng)特性研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(4): 386-391

2019-03-04;

2019-03-21.

李 鑫(1982-), 在讀博士, 高工, 主要研究方向為魚雷熱動力技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)