馮子軒 ，毛建興 ，胡殿印

（1.中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司，北京 100097；2.北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，3.航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，4.中小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合研究中心：北京 100191）

0 引言

依據(jù)《美國空軍2020 年愿景》、《美國航空航天倡議》、《美國國防部空間科學(xué)與技術(shù)戰(zhàn)略》等美國國家級(jí)政府文件，第6 代戰(zhàn)斗機(jī)要求具備超聲速巡航與作戰(zhàn)、超常規(guī)機(jī)動(dòng)、超級(jí)隱身、超遠(yuǎn)程打擊、超越物理域和信息域的實(shí)時(shí)控制等能力，其動(dòng)力系統(tǒng)要求具備超大推力與推重比、超低油耗、超隱身、超機(jī)動(dòng)、長耐久（壽命）、超低費(fèi)用。常規(guī)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)受部件及系統(tǒng)限制，難以滿足第6 代戰(zhàn)斗機(jī)的跨空域、跨速域飛行能力，因而要求發(fā)動(dòng)機(jī)在不同循環(huán)控制方式之間實(shí)現(xiàn)靈活切換，以實(shí)現(xiàn)更寬的工作范圍和滿足更多的戰(zhàn)斗任務(wù)需求。因此，變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（Variable Cycle Engine，VCE）應(yīng)運(yùn)而生。在亞聲速巡航時(shí)采用渦扇工作模式，在超聲速巡航時(shí)采用渦噴工作模式，以拓寬發(fā)動(dòng)機(jī)工作范圍、保證不同飛行狀態(tài)下的高效推進(jìn)[1]。自20 世紀(jì)90 年代起，美國政府通過開展綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（Integrated High Performance Turbine Technology Program，IHPTET）和通用的經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)（Versatile Affordable Advanced Turbine Engines，VAATE）等研究計(jì)劃，大力發(fā)展變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是指通過調(diào)整部分結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、位置，改變內(nèi)外涵道流量分配，實(shí)現(xiàn)在不同熱力循環(huán)間的連續(xù)切換，以兼顧全飛行包線內(nèi)的經(jīng)濟(jì)性、加速性和大推力要求。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式切換的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展伴隨著變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)研制歷程?，F(xiàn)有變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方案涉及模式選擇閥、前/后涵道引射器、壓縮系統(tǒng)/渦輪系統(tǒng)導(dǎo)向器等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中，模式選擇閥通常位于風(fēng)扇出口，僅存在“打開”和“關(guān)閉”2 種狀態(tài)，用于確定發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)模式及涵道數(shù)量；前涵道引射器通常位于低壓壓氣機(jī)后方，可連續(xù)調(diào)節(jié)內(nèi)涵與外涵之間的流量分配；后涵道引射器通常位于加力燃燒室之前，與前涵道引射器配合共同調(diào)節(jié)外涵流量；壓縮系統(tǒng)/渦輪系統(tǒng)導(dǎo)向器位于壓氣機(jī)/渦輪轉(zhuǎn)子葉片之前，通過角度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)不同工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)子進(jìn)口氣動(dòng)參數(shù)的最佳匹配。通過各調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的協(xié)同調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比在寬調(diào)節(jié)范圍內(nèi)的精準(zhǔn)控制?；谡{(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的目標(biāo)功能，其設(shè)計(jì)要求可歸納為低泄漏量、高調(diào)節(jié)精度、快速響應(yīng)、穩(wěn)定調(diào)節(jié)，依據(jù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具體工作方式不同而各有所側(cè)重。

本文以變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)跨代發(fā)展為主線，聚焦調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)目標(biāo)功能及結(jié)構(gòu)方案演變，系統(tǒng)梳理了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的發(fā)展歷程、功能分類及設(shè)計(jì)要求。進(jìn)一步針對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中涉及的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真、試驗(yàn)中所涉及的溫度/機(jī)械載荷試驗(yàn)室模擬及位移和變形在線監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行歸納，并對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展需求進(jìn)行總結(jié)，以期為中國變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研制提供參考。

1 變循環(huán)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)發(fā)展歷程

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)起始于20 世紀(jì)60 年代，至今已提出了多種變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案。20世紀(jì)70年代，美國PW 公司提出了可控氣流變循環(huán)方案，采用內(nèi)外涵獨(dú)立流路設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)各自的燃燒室和排氣噴管，通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的截流單獨(dú)控制2 股同心氣流的排氣溫度和速度；美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）與海軍航空推進(jìn)中心提出了變幾何渦輪方案，采用可調(diào)低壓渦輪導(dǎo)向器葉片角度來改變其面積來驗(yàn)證變幾何渦輪的作用，且為了改善喘振裕度，將第1 級(jí)靜子葉片也設(shè)計(jì)為可調(diào)；美國GE公司提出了雙涵道變循環(huán)方案，采用多個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組合調(diào)節(jié)，最終達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比的效果[2]。

20世紀(jì)90年代，英國RR公司提出了選擇放氣式變循環(huán)方案[3]，采用低壓放氣閥和高壓放氣閥，在亞聲速飛行時(shí)，低壓放氣閥打開，高壓放氣閥關(guān)閉，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流將在低壓放氣閥和核心機(jī)處分開，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在渦扇模式；而在超聲速飛行時(shí)，高壓放氣閥打開，低壓放氣閥關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在渦噴模式。法國SNECMA 公司提出了帶中間風(fēng)扇的MCV99變循環(huán)方案[3]，采用設(shè)置在壓氣機(jī)出口處由單獨(dú)渦輪帶動(dòng)的風(fēng)扇，以輔助進(jìn)氣口供氣，在起飛和亞聲速巡航時(shí)，外涵道、輔助進(jìn)氣門和壓氣機(jī)引氣門打開，風(fēng)扇系統(tǒng)運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)以渦扇模式工作；在超聲速巡航時(shí)，3 個(gè)門都關(guān)閉，以渦噴模式工作。

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研制最為成功的是美國GE 公司，自20 世紀(jì)70 年代開始相關(guān)技術(shù)積累，圍繞變循環(huán)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)申請了大量發(fā)明專利，迄今已研制了5代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。

GE公司設(shè)計(jì)的第1代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)如圖1所示。在第1代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（YJ101）中，設(shè)計(jì)了可調(diào)面積涵道引射器（Variable Area Bypass Injector，VABI）、后涵道引射器和可調(diào)面積低壓渦輪導(dǎo)向器，通過調(diào)節(jié)核心驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇CDFS的可調(diào)導(dǎo)葉角度來調(diào)節(jié)核心機(jī)流量[5]。

圖1 GE公司設(shè)計(jì)的第1代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

GE公司設(shè)計(jì)的第2代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)如圖2所示。在第2代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（GE21）中，采用了核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇技術(shù)（Core-Driving Fan Stage，CDFS），并引入前后涵道引射器、模式切換閥（Mode Selecting Valve，MSV）3 個(gè)關(guān)鍵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)涵道比的更寬范圍調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)渦扇模式與渦噴模式之間的轉(zhuǎn)換[6-7]。

圖2 GE公司設(shè)計(jì)的第2代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

GE公司設(shè)計(jì)的第3代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)如圖3所示。在第3代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（F120）中，用1個(gè)被動(dòng)旁路系統(tǒng)代替了模式選擇閥，從而大幅減少作動(dòng)機(jī)構(gòu)零件數(shù)[8]。

GE 公司設(shè)計(jì)的第4 代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（渦輪部件）如圖4所示。在第4代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用了可變壓比技術(shù)（Controlled Pressure Ratio Engine，COPE）[9]，在保持第2 代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)雙涵道設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合在第3 代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研制后總結(jié)得出的渦輪部件改進(jìn)設(shè)想，這些渦輪部件包括高效可調(diào)面積高壓渦輪導(dǎo)向器、高負(fù)荷跨聲速高壓渦輪、無導(dǎo)葉對(duì)轉(zhuǎn)低壓渦輪、可變面積噴管等。

圖4 GE公司設(shè)計(jì)的第4代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（渦輪部件）

美國GE 公司和英國RR 公司合作設(shè)計(jì)的第5 代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（F136）如圖5 所示。在第5 代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制中提出了自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)概念，在可控壓比技術(shù)基礎(chǔ)上，采用具有獨(dú)立可調(diào)導(dǎo)葉的葉尖風(fēng)扇（Fan-on-Blade，F(xiàn)LADE），以在更大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)外涵流量[10]。

圖5 GE、RR公司設(shè)計(jì)的第5代變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

在2003 年啟動(dòng)的VAATE 計(jì)劃支持下，美國GE公司基于COPE 變循環(huán)方案，提出了研制更為先進(jìn)的自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（Adaptive Cycle Engine，ACE）設(shè)計(jì)方案[11]，采用FLADE、CDFS等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將可調(diào)外涵道數(shù)量提升至3 個(gè)，可形成單涵循環(huán)、雙涵循環(huán)、3 涵循環(huán)工作模式。在2016 年啟動(dòng)的自適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)過渡（Adaptive Engine Transition Program，AETP）計(jì)劃支持下，2021年5月，美國GE公司完成了對(duì)下一代自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)XA-100 的臺(tái)架試車，達(dá)到了預(yù)期測試目標(biāo)，發(fā)動(dòng)機(jī)能在高推力和高效率2 種不同模式下無縫轉(zhuǎn)換；同年9 月，啟動(dòng)第2輪臺(tái)架試車；預(yù)計(jì)于2025年進(jìn)入飛行試驗(yàn)驗(yàn)證階段。GE 公司研制的下一代自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)XA-100如圖6所示。

圖6 GE公司研制的下一代自適應(yīng)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)XA-100

2 變循環(huán)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)

2.1 模式切換閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

模式切換閥通常僅存在打開、關(guān)閉2 種極限狀態(tài)，其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體要求為低泄漏量、快速響應(yīng)和可靠安裝。依據(jù)閥體開閉的控制方式，可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。其中，主動(dòng)式是采用聯(lián)動(dòng)環(huán)-連桿機(jī)構(gòu)，該類機(jī)構(gòu)通過轉(zhuǎn)動(dòng)或平動(dòng)的聯(lián)動(dòng)環(huán)帶動(dòng)連桿，對(duì)閥體施加拉壓載荷以控制其打開和關(guān)閉，周向轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)環(huán)主動(dòng)控制式模式切換閥和軸向滑動(dòng)聯(lián)動(dòng)環(huán)主動(dòng)控制式模式切換閥如圖7、8 所示；被動(dòng)式是通過控制閥體前后的壓差，并設(shè)計(jì)提供反作用力的彈簧機(jī)構(gòu)以控制閥體的打開和關(guān)閉，彈簧連接被動(dòng)控制式模式切換閥如圖9所示。

圖7 一種周向轉(zhuǎn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)環(huán)主動(dòng)控制式模式切換閥[12]

圖8 一種軸向滑動(dòng)聯(lián)動(dòng)環(huán)主動(dòng)控制式模式切換閥[13-14]

2.2 涵道引射器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

涵道引射器除打開、關(guān)閉2 種極限狀態(tài)外，還因其幾何面積比對(duì)主流的影響，存在用于精準(zhǔn)流量控制的中間狀態(tài)，其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體要求包括低泄漏量、高調(diào)節(jié)精度和可靠安裝。按照閥體對(duì)流場的干預(yù)形式可分為節(jié)流式和導(dǎo)流式。其中，節(jié)流式在關(guān)閉狀態(tài)采用環(huán)形閥體結(jié)構(gòu)將涵道流場截?cái)?，一種形式是將作動(dòng)筒置于機(jī)匣內(nèi)部，在打開狀態(tài)將閥體隱藏而不再對(duì)流場產(chǎn)生影響，內(nèi)置作動(dòng)筒截流式前涵道引射器如圖10 所示；另一種形式是將作動(dòng)筒置于機(jī)匣外部，通過曲柄-連桿機(jī)構(gòu)控制閥體前后移動(dòng)，外置作動(dòng)筒截流式前涵道引射器如圖11 所示。導(dǎo)流式在打開狀態(tài)采用射流方式將內(nèi)涵氣流導(dǎo)入外涵的同時(shí)，對(duì)氣流方向加以控制，而減小不同涵道氣流摻混時(shí)產(chǎn)生的損失，作動(dòng)筒內(nèi)置導(dǎo)流式前涵道引射器如圖12所示。

圖10 一種內(nèi)置作動(dòng)筒截流式前涵道引射器[12]

圖11 一種外置作動(dòng)筒截流式前涵道引射器[16]

圖12 一種作動(dòng)筒內(nèi)置導(dǎo)流式前涵道引射器[17]

針對(duì)后涵道引射器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，按照外涵道與內(nèi)涵道氣流的摻混形式，可分為導(dǎo)流式與預(yù)混式。其中，導(dǎo)流式在改變外涵氣流方向時(shí)依舊保持其軸對(duì)稱特征，閥體結(jié)構(gòu)簡單，2種射流式后涵道引射器如圖13所示。預(yù)混式通過波瓣型閥體結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)開槽，使外涵氣流方向呈周期對(duì)稱特征，閥體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，4 種摻混式后涵道引射器如圖14所示。

圖13 2種射流式后涵道引射器[18]

圖14 4種摻混式后涵道引射器

2.3 導(dǎo)向器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

導(dǎo)向器通常要求在一定角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體要求包括高精度調(diào)節(jié)和可靠安裝。其重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)形式簡單（尺寸小、質(zhì)量輕），精準(zhǔn)快速調(diào)節(jié)（剛度大、阻力?。?，長期穩(wěn)定服役（耐摩擦、壽命長、可靠性高），以及關(guān)鍵件失效預(yù)防（轉(zhuǎn)軸彎矩小、預(yù)防連桿斷裂）。同時(shí)，“聯(lián)動(dòng)環(huán)-曲柄-轉(zhuǎn)軸-花鍵”結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的主要形式，可進(jìn)一步通過連桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的協(xié)同控制?；诳傮w結(jié)構(gòu)布局要求適應(yīng)性開展聯(lián)調(diào)/分調(diào)機(jī)構(gòu)、連桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)支點(diǎn)及連接結(jié)構(gòu)摩擦設(shè)計(jì)是該機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，重點(diǎn)關(guān)注溫差、壓差影響下傳動(dòng)結(jié)構(gòu)抗變形能力及流量泄漏問題。不同驅(qū)動(dòng)形式、支撐方式的導(dǎo)向器如圖15所示。

圖15 不同驅(qū)動(dòng)形式、支撐方式的導(dǎo)向器

2.4 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

變循環(huán)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)要求包括低泄漏量、高調(diào)節(jié)精度、快速響應(yīng)、穩(wěn)定調(diào)節(jié)，需重點(diǎn)解決。

（1）高熱力負(fù)荷下的低泄漏量設(shè)計(jì)問題。運(yùn)動(dòng)件與靜止件間隙增大，是造成流量泄漏的主要因素。因此，需開展高溫結(jié)構(gòu)抗變形設(shè)計(jì)，以滿足熱、機(jī)械變形下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的低泄漏量設(shè)計(jì)要求。

（2）高溫剛度衰減導(dǎo)致的調(diào)節(jié)誤差問題。高溫環(huán)境造成機(jī)構(gòu)傳力路徑上的結(jié)構(gòu)剛性降低，是導(dǎo)致調(diào)節(jié)誤差的主要原因。因此，需合理設(shè)計(jì)聯(lián)動(dòng)環(huán)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，通過變形協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)提升機(jī)構(gòu)高溫抗變形能力，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

（3）瞬態(tài)調(diào)節(jié)過程的快速響應(yīng)問題。調(diào)節(jié)過程涵道溫度、壓力瞬變、氣動(dòng)阻力是影響響應(yīng)速度的關(guān)鍵因素。因此，需開展流熱固瞬態(tài)分析，獲取溫度、機(jī)械負(fù)載，通過原理構(gòu)型設(shè)計(jì)，減小氣動(dòng)阻力，縮短響應(yīng)時(shí)間。

（4）空間布局受限時(shí)的機(jī)構(gòu)穩(wěn)定調(diào)節(jié)問題。高性能指標(biāo)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)服役條件苛刻，緊湊安裝約束導(dǎo)致空間布局受限。因此，需簡化安裝結(jié)構(gòu)、縮短傳力路徑、減少零件數(shù)量、降低運(yùn)動(dòng)復(fù)雜度以實(shí)現(xiàn)可靠安裝，支撐調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)高精度調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)要求。

3 機(jī)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)仿真技術(shù)

3.1 瞬態(tài)調(diào)節(jié)流固耦合分析

依據(jù)流熱固耦合分析中系統(tǒng)方程形式和求解方式不同，可分為分區(qū)耦合方法和整體耦合方法[19]。其中，分區(qū)耦合法采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）和計(jì)算結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)（Computational Solid Dynamics，CSD）分別求解流體方程和固體方程，使用有限元（Finite Element Method，F(xiàn)EM）、有限差分（Finite Difference，F(xiàn)D）和有限體積（Finite Volume，F(xiàn)V）方法等基于網(wǎng)格的歐拉方法求解流體控制方程；使用拉格朗日有限元方法求解固體方程。然而，由于分區(qū)耦合方法在本質(zhì)上很難保證準(zhǔn)確的動(dòng)量和能量守恒；當(dāng)2 相界面動(dòng)態(tài)變化劇烈時(shí)，數(shù)值誤差不斷累積而發(fā)散，甚至導(dǎo)致計(jì)算失敗。

整體耦合求解算法不明顯區(qū)分流體域和固體域，把流體和固體看成是單一的整體連續(xù)介質(zhì)，只認(rèn)為每個(gè)子域具有不同的材料屬性。從而能夠在相同的數(shù)學(xué)框架下構(gòu)建統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)控制方程，采用同樣的未知變量，實(shí)現(xiàn)同時(shí)求解[20-22]，具體包括任意拉格朗日-歐拉法[23-24]、整體歐拉描述法[25-26]、整體拉格朗日描述法[27-28]。其中，整體拉格朗日描述法消除了歐拉描述下自由表面和界面追蹤的問題，避免了歐拉描述下通過求解壓力泊松方程帶來的復(fù)雜計(jì)算，為直接數(shù)值模擬（Direct Numerical Simulation，DNS）提供了高效的解決方案。然而，整體拉格朗日法面臨網(wǎng)格糾纏、畸變問題，限制了其在流固耦合求解中應(yīng)用。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作動(dòng)過程的流固耦合分析問題，存在幾何特征復(fù)雜（如模式切換閥及其封嚴(yán)結(jié)構(gòu)）、結(jié)構(gòu)柔性（如涵道引射器的薄壁閥體）、空間跨度大（cm 級(jí)位移）、瞬態(tài)特征顯著（s 級(jí)響應(yīng)時(shí)間）等特征，使得分區(qū)耦合求解方法面臨不收斂、整體耦合求解方法面臨網(wǎng)格畸變等數(shù)值問題，是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)瞬態(tài)載荷分析的主要挑戰(zhàn)。因此，需進(jìn)一步突破高效網(wǎng)格重構(gòu)分析技術(shù)，解決傳統(tǒng)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)中的網(wǎng)格畸變問題，并提升瞬態(tài)模擬的數(shù)值穩(wěn)定性[29]。此外，近年來迅速發(fā)展的基于整體拉格朗日框架的無網(wǎng)格方法，也有望成為實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)流固耦合高精度模擬的可行途徑[30]。

3.2 多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)輸入端和輸出端之間具有多級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過多個(gè)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行連接，是典型的多體系統(tǒng)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)多體系統(tǒng)的建模方法、求解策略、設(shè)計(jì)方法等開展了深入研究，為其在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用奠定了有利基礎(chǔ)。按照建模過程中是否考慮結(jié)構(gòu)變形，可將多體系統(tǒng)模型進(jìn)一步劃分為運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。

多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型假設(shè)各傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為剛體，不考慮結(jié)構(gòu)變形，用于研究各部件在調(diào)節(jié)過程中的運(yùn)動(dòng)關(guān)系?？臻g機(jī)構(gòu)的常用分析方法包括方向余弦矩陣法、球面三角法、Denavit-Hartenberg（D-H）矩陣法[31]等。其中，D-H 矩陣法通過引入1個(gè)描述空間坐標(biāo)變換的4 階矩陣，以構(gòu)建多體系統(tǒng)剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方程，具有表達(dá)形式簡單、通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

為進(jìn)一步考慮運(yùn)動(dòng)過程中的結(jié)構(gòu)變形影響，進(jìn)一步發(fā)展了多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，按照方程的形式差異，可分為微分代數(shù)方程、非線性微分方程和關(guān)于系統(tǒng)邊界狀態(tài)矢量的總傳遞方程[32]。類似D-H 矩陣法的思路，絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方程（Absolute Node Coordinate Function，ANCF）法[33-34]在總傳遞方程中采用絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)描述機(jī)構(gòu)位置，并基于彈性理論描述結(jié)構(gòu)變形，從而為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)瞬態(tài)大位移、大變形耦合問題提供一種快速求解方案。

3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)3維仿真分析

在3 維仿真分析方面，類似地也可分為不考慮結(jié)構(gòu)變形的剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和考慮結(jié)構(gòu)變形的柔性動(dòng)力學(xué)仿真。區(qū)別于多體系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，3 維仿真分析的優(yōu)勢在于對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在3 維空間中的結(jié)構(gòu)尺寸及變形狀態(tài)具有更加精準(zhǔn)的描述能力，通常與3 維建模軟件和3 維有限元分析軟件結(jié)合，以檢驗(yàn)調(diào)節(jié)過程中的機(jī)構(gòu)卡滯問題[37-39]。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)仿真分析問題，需重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵件柔性變形、裝配間隙、尺寸公差、傳動(dòng)摩擦等因素，在設(shè)計(jì)后期，可基于瞬態(tài)流固耦合分析所得機(jī)構(gòu)氣動(dòng)負(fù)載，分析給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律下的慣性負(fù)載，量化關(guān)鍵柔性件變形，從而在仿真層面驗(yàn)證機(jī)構(gòu)可行性，并實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)精度有效評(píng)估[40]。區(qū)別于分級(jí)調(diào)節(jié)，多級(jí)聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)仿真分析2 種求解邏輯。一方面，與分級(jí)調(diào)節(jié)類似，針對(duì)已有調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，開展各組件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的仿真分析，得到輸出端的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；另一方面，考慮到各級(jí)葉片調(diào)節(jié)規(guī)律的差異，需依據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)規(guī)律求解各連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)及連接關(guān)系，屬于反問題[41-43]。

柔性變形是造成機(jī)構(gòu)卡滯的最關(guān)鍵因素，特別是對(duì)于工作在高溫環(huán)境下的薄壁、細(xì)長桿等抗變形能力較差的零部件，瞬態(tài)變形狀態(tài)的精準(zhǔn)模擬對(duì)機(jī)構(gòu)卡滯問題的仿真分析尤為重要?，F(xiàn)有研究普遍采用有限元模型，在剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入柔性件定義，將運(yùn)動(dòng)仿真軟件（如ADAMS）與變形分析軟件（ANSYS或ABAQUS等）相結(jié)合，量化柔性件變形量[35]。

裝配間隙、尺寸公差是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)制備中必然存在的，而在ADAMS等運(yùn)動(dòng)仿真分析軟件中，僅支持定義無間隙、精確結(jié)構(gòu)尺寸力學(xué)模型的定義，因此，有必要根據(jù)含間隙鉸的力學(xué)模型，并利用其它約束聯(lián)合建立等效的約束，并通過參數(shù)化建模及尺寸隨機(jī)抽樣等方式，采用二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)集成應(yīng)用。常用運(yùn)動(dòng)副間隙模型包括基于拉格朗日方程的連續(xù)接觸模型（忽略運(yùn)動(dòng)副微小變形和運(yùn)動(dòng)副間摩擦力）、基于牛頓法的接觸-自由模型（忽略運(yùn)動(dòng)副間碰撞特性）、基于動(dòng)量定理的自由-碰撞-接觸模型（系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)與實(shí)際最為接近）。

傳動(dòng)摩擦是伴隨曲柄連桿、結(jié)構(gòu)支撐產(chǎn)生的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)阻力，是影響調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)速度的關(guān)鍵內(nèi)容。解決該問題的基本途徑是通過準(zhǔn)確表征運(yùn)動(dòng)副的接觸狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)摩擦力及其阻力矩的準(zhǔn)確評(píng)估；進(jìn)一步在3 維仿真分析中定義阻力矩與調(diào)節(jié)量間的數(shù)學(xué)關(guān)系，準(zhǔn)確表征傳動(dòng)摩擦影響。

4 機(jī)構(gòu)可行性試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 瞬態(tài)溫度、機(jī)械負(fù)載試驗(yàn)室模擬

在調(diào)節(jié)過程中關(guān)鍵柔性件的變形受到溫度、機(jī)械負(fù)載（氣動(dòng)載荷和慣性載荷）的共同影響，在工程上通常采用全尺寸試驗(yàn)件吹風(fēng)試驗(yàn)（技術(shù)成熟度5 級(jí)以上），以從試驗(yàn)層面驗(yàn)證機(jī)構(gòu)可行性并量化調(diào)節(jié)精度。然而，由于吹風(fēng)試驗(yàn)成本高、周期長，通常用于設(shè)計(jì)后期的部件級(jí)考核驗(yàn)證，而難以支撐初期階段（技術(shù)成熟度3～4 級(jí)）的迭代設(shè)計(jì)。為此，需進(jìn)一步發(fā)展試驗(yàn)室環(huán)境下的溫度、機(jī)械復(fù)雜試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)，通過數(shù)值仿真確定對(duì)關(guān)鍵件局部加熱、加載方案，使結(jié)構(gòu)剛度及變形狀態(tài)與實(shí)際服役狀態(tài)相似，從而在較低技術(shù)成熟度階段實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證，以縮短設(shè)計(jì)迭代周期。

對(duì)于模式選擇閥而言，由于多采用分瓣式結(jié)構(gòu)特征，閥門片之間以及閥門片與支板等承力結(jié)構(gòu)之間存在間隙，通常需要設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)以滿足低泄漏量設(shè)計(jì)要求，因此，其測試關(guān)鍵在于模擬溫差、壓差下泄漏量準(zhǔn)確監(jiān)測。

對(duì)于前/后涵道引射器而言，考慮到其流量控制存在中間狀態(tài)，要求全過程滿足調(diào)節(jié)精度要求，因此，其測試關(guān)鍵在于閥體位置的精準(zhǔn)測量；此外，由于閥體結(jié)構(gòu)通常為薄壁筒體，在穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)載荷下的變形量測試也是驗(yàn)證結(jié)構(gòu)變形預(yù)測精度、預(yù)防機(jī)構(gòu)卡滯問題的關(guān)鍵內(nèi)容。

對(duì)于壓縮系統(tǒng)/渦輪系統(tǒng)導(dǎo)向器而言，由于其轉(zhuǎn)軸多位于內(nèi)外涵道之間，同樣受到溫差、壓差影響，密封結(jié)構(gòu)的流量泄漏是其試驗(yàn)測試的關(guān)鍵內(nèi)容；此外，考慮到轉(zhuǎn)軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)存在的摩擦、磨損問題，需對(duì)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)接觸部位的磨損狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，確定磨損量隨往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)的變化規(guī)律。

4.2 關(guān)鍵柔性件位移及變形在線監(jiān)測

現(xiàn)有針對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的可行性驗(yàn)證，通常僅監(jiān)測機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)輸出，以驗(yàn)證機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)精度及是否發(fā)生卡滯。由于缺少必要的在線監(jiān)測手段，尚未實(shí)現(xiàn)柔性關(guān)鍵件變形的在線監(jiān)測，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)精度不足或發(fā)生卡滯問題時(shí)難以實(shí)現(xiàn)故障原因的準(zhǔn)確定位。位移及變形在線監(jiān)測的難點(diǎn)在于：（1）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組件多、空間小，傳統(tǒng)接觸式傳感器敷貼、引線困難；（2）部分調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)工作于高溫環(huán)境，要求位移、變形傳感器具有高溫測試能力并滿足精度要求；（3）瞬態(tài)調(diào)節(jié)過程響應(yīng)時(shí)間往往在3 s以內(nèi)，為保證全調(diào)節(jié)過程的狀態(tài)測量精度，傳感器需具有一定的頻響能力；（4）考慮慣性力是影響瞬態(tài)變形的關(guān)鍵因素，為避免傳感器對(duì)測試結(jié)果的不利影響，需盡可能降低傳感器在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的附加質(zhì)量。

為有效監(jiān)測瞬態(tài)調(diào)節(jié)過程中關(guān)鍵柔性件的位移及變形狀態(tài)，同時(shí)避免傳感器對(duì)調(diào)節(jié)過程的附加影響，應(yīng)用微小型接觸式傳感器及非接觸式傳感器等，在低附加質(zhì)量下實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位移及變形實(shí)時(shí)監(jiān)測，是實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)故障定位、誤差歸因的關(guān)鍵手段。

5 結(jié)論

（1）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體技術(shù)要求為低泄漏量、高調(diào)節(jié)精度、快速響應(yīng)和可靠安裝，需重點(diǎn)關(guān)注高熱力負(fù)荷下的低泄漏量設(shè)計(jì)、高溫剛度衰減導(dǎo)致的調(diào)節(jié)誤差、瞬態(tài)調(diào)節(jié)過程的快速響應(yīng)及空間布局受限時(shí)的機(jī)構(gòu)穩(wěn)定調(diào)節(jié)問題；

（2）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作動(dòng)過程的流固耦合分析具有幾何特征復(fù)雜、結(jié)構(gòu)柔性、空間跨度大、瞬態(tài)特征顯著等特征，使得傳統(tǒng)流固耦合分析存在網(wǎng)格畸變、收斂性降低問題，高穩(wěn)定性動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)及無網(wǎng)格分析方法是解決該問題的主要途徑；

（3）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作動(dòng)過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真需重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵件柔性變形、裝配間隙、尺寸公差、傳動(dòng)摩擦等因素對(duì)機(jī)構(gòu)卡滯、調(diào)節(jié)精度的影響；

（4）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可行性試驗(yàn)需進(jìn)一步突破瞬態(tài)調(diào)節(jié)過程中溫度、機(jī)械負(fù)載的試驗(yàn)室模擬技術(shù)，以支撐初期階段的迭代設(shè)計(jì)，應(yīng)用微小型接觸式傳感器及非接觸式傳感器等測量手段，在低附加質(zhì)量下實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位移及變形實(shí)時(shí)監(jiān)測，是實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)故障定位、誤差歸因的關(guān)鍵手段。