聯調機構虛擬樣機運動學動力學仿真

張曉寧，趙 雷，楊勇剛

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽110015）

0 引言

在航空渦扇發動機以及燃氣輪機的壓氣機中，經常通過角度可調節的靜子葉片來提高發動機的穩定工作范圍，隨著對發動機性能要求的不斷提高，多型先進的航空渦扇發動機或燃氣輪機都有多級可調靜子葉片。如果每級葉片都設計單獨的調節機構，則需要大量的零部件來實現調節功能，如果設計1套聯合調節機構，實現發動機多級靜子葉片的統一角度調節，可極大地減少發動機零件數量，從而提高了發動機工作可靠性[1-3]。

在航空渦扇發動機以及燃氣輪機可調靜葉聯調機構的傳統開發中，在無物理樣機的初始開發階段，完成這樣復雜機構的設計難度很大，而如果反復進行實物試驗，會延長研發周期和增加研發成本。為此，本文采用集成了多體動力學和虛擬樣機技術的ADAMS軟件對某臺已設計完成的聯調機構進行了仿真研究，得到能復核聯調機構各級靜葉調節規律[4]。

1 研究對象

用來校驗某多級壓氣機的聯調機構的角度調節效果。該壓氣機的前3排靜子葉片可調節角度，調節機構是1套空間連桿機構，主要由可調葉片、搖臂、聯動環、操縱桿、液壓作動筒等部分組成。該機構系統原理如圖1所示，作動筒往復運動，通過主動桿帶動操縱桿轉動，操縱桿通過連桿協調3級聯動環轉動，從而實現各級葉片按不同規律聯調[5]。

圖1 3級聯調機構

2 多體動力學仿真分析模型的建立

把在UG中建立的燃氣輪機壓氣機可調葉片聯調機構的3維裝配模型[6]，導入ADAMS軟件中，在所有零件的各安裝處設置各自的約束，得到最終的聯調機構的多剛體系統動力學模型。

從圖1中可見，由于搖臂與可調葉片通過扁口固定連接，搖臂的旋轉角度就等于可調葉片繞軸頸的旋轉角度，所以在建模中沒有建立可調葉片的模型，但這并不影響計算結果。

該聯調機構的作動筒活塞沿作動筒筒體的移動約束為驅動約束[7]，相關約束分析見表1。

需要指出的是，從表中可知，另增小球的關節軸承模擬約束，是指在ADAMS計算模型中，2個零件互相裝配處增加了1個小球，小球與被包容件之間用球鉸進行約束，而小球與包容件之間用圓柱鉸進行約束。解釋如下：拿操縱桿1級凸耳與1級拉桿之間的約束舉例，由于在相配處，凸耳的寬度大于拉桿的寬度，所以在這里將凸耳稱作包容件，而將拉桿稱為被包容件。建模時，在該相配處建立1個小球，實際上用它模擬關節軸承中的半關節球，將拉桿與小球定義為球鉸，將小球與凸耳定義為圓柱鉸[8-10]。

表1 約束的定義

3 仿真結果分析

3.1 ADAMS計算模型的仿真結果分析

該燃氣輪機壓氣機聯調機構，包括3級靜子可調葉片，第1級稱為進口可調導向葉片（VIGV），另外為第1、2級可調葉片，通過氣動性能的計算，給出了要求的第1、2級可調葉片調節角度與VIGV的對應關系，見表2中的“理論”一列。ADAMS仿真的結果分別如圖2~4所示，用ADAMS中的PostProcessor模塊讀出各角度，其中COMP_MEA_1為VIGV的角度，COMP_MEA_2為第1級可調葉片的角度，COMP_MEA_3為第2級可調葉片的角度。讀出圖中同一橫坐標時的各角度對應數值，可以得到VIGV和第1級、2級可調葉片間的聯調角度對應關系。見表2的仿真一列。

表2 仿真值與理論值的對比 （°）

圖2 VIGV的角度變化規律

圖3 第1級葉片的角度變化規律

圖4 第2級葉片的角度變化規律

3.2 用幾何法計算的3級角度對應規律結果分析

用AUTOCAD繪圖軟件，分析3級調節機構的調節規律，分別用到以下參數：VIGV和第1、2級可調葉片旋轉角度，VIGV和第1、2級搖臂旋轉角度，VIGV和第1、2級拉桿的位移量，VIGV聯動環旋轉角度，操縱桿旋轉角度，最終得到3級可調葉片聯調角度對應關系見表3。

3.3 2種計算方法的比較

第1、2級調葉角度與VIGV角度關系的ADAMS仿真結果與理論值比較分別如圖5、6所示。

表3 幾何法結果與理論值的比較 （°）

圖5 第1級調葉角度與VIGV角度關系的ADAMS仿真結果與理論值比較

圖6 第2級調葉角度與VIGV角度關系的ADAMS仿真結果與理論值比較

幾何法計算的結果與設計要求的對比關系，第1、2級調葉角度與VIGV角度關系的幾何法計算結果與理論值比較分別如圖7、8所示。

圖7 第1級調葉角度與VIGV角度關系的幾何法計算結果與理論值比較

圖8 第2級調葉角度與VIGV角度關系的幾何法計算結果與理論值比較

從圖5～8中可見，ADAMS建模仿真結果是準確的，很好地實現了設計要求。并且在VIGV從-18°～-7.5°范圍內，ADAMS建模仿真結果優于幾何計算的結果。這是由于幾何方法只能近似評估角度，無法考慮關節軸承處的活動自由度，而ADAMS可以準確地仿真關節軸承的活動量，更接近真實機械系統[11~14]。

在ADAMS計算仿真結果中，為了提高仿真精度，可將若干零件的約束深度細化，比如第1級拉桿與凸耳處約束可以進一步細化，通過增加面與碰撞的詳細約束等方法，可提高仿真精度。需要指出的是，深度細化關節處的約束，需要詳細開發ADAMS的相關約束模塊，并需要進一步使用ADAMS中的相關高級功能[15]。

4 聯調仿真中各拉桿的受力分析

在本文所研究的聯調機構中，可調葉片會受到氣動扭矩的作用，從而將力傳遞到拉桿中。可以用ADAMS仿真來分析拉桿的受力情況。

在本文ADAMS模型中，計算每個可調葉片受到5 N·m的氣動力矩（在此僅作為受力分析的示意，不代表真實力矩大小）。在ADAMS模型中的搖臂上利用軟件提供模塊施加力矩，然后軟件開始仿真計算，結束后可用軟件虛擬測量出3處計算得到各關節的受力，而由于拉桿是2力桿結構，故關節的受力就等同于拉桿的受力，拉桿上受力仿真結果如圖9～11所示。

圖9 VIGV拉桿上受力情況

圖10 第1級拉桿受力情況

圖11 第2級拉桿受力情況

從圖9～11中可見，VIGV和第1、2級拉桿的受力分別為600、2110和2210N左右，這3個拉桿所受拉力，都隨著VIGV的增大不斷變化，并有不同的變化趨勢。利用這些聯調機構內部各連接關節處的受力情況[16]，可以改進設計機構，或利用相關理論或軟件對機構進行強度評估。

5 結論

（1）通過該ADAMS仿真系統的建立，計算出聯調機構各級靜葉調節規律關系，了解到調節機構工作的具體角度數值，定量地校驗了機構的調節性能。

（2）較為精準地衡量了機械系統的調節精度，仿真了聯調系統的多級角度對應關系，通過進一步地細化完善設計，可使改進后的聯調機構系統準確地實現氣動設計給出的聯調角度對應表。

（3）由于幾何方法只能近似評估角度，無法考慮關節軸承處的活動自由度，而ADAMS仿真可以考慮這些因素，所以ADAMS建模仿真結果優于幾何計算的結果。

（4）通過對ADAMS仿真系統的仿真計算結果，可細致地了解聯調機構內部各連接關節處的受力情況，為改進機構設計和提高零件強度可靠性提供依據。

[1]劉長福.航空發動機結構分析[M].西安：西北工業大學出版社，2006：79-84.LIU Changfu.Structure analysis of aeroengine[M].Xi’an:Northwestern Polytechnical University Press，2006：79-84.(in Chinese)

[2]牛利民.船舶燃氣輪機結構[M].哈爾濱：哈爾濱船舶工程學院出版社，1992：49-56.Niu Liming.Marine gas turbine structure.[M].Harbin:Harbin Marine Engineering College Press,1992：49-56.(in Chinese)

[3]陳光.航空發動機結構設計分析[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002：204-213.CHEN Guang.Structure design and analysis of aeroengine[M].Beijing：Beihang University Press.2002：204-213.(in Chinese)

[4]鄭建榮.ADAMS-虛擬樣機技術入門與提高[M].北京：機械工業出版社，2005：189-194.ZHENG Jianrong.Technology gateway and improvement of ADAMS virtual prototype[M].Beijing：Mechanical Industry Press,2005：189-194.(in Chinese)

[5]賀飛，陳國智，溫泉,等.渦軸發動機葉片調節機構設計及應用[J].航空動力學報，2007（2）：333-336.HE Fei，CHEN Guozhi，WEN Quan，et al.Design of the control mechanism for the multistage axial compressor variable vane[J].Journal of Aerospace Power，2007（2）：333-336.(in Chinese)

[6]洪如瑾.UG CAD快速入門指導[M].北京：清華大學出版社，2006：123-153.HONG Rujin.UG CAD quick study tutorial[M].Beijing：Tsinghua University Press,2006：123-153.(in Chinese)

[7]康文利，張穎，王川.基于UG和ADAMS的減速器的虛擬樣機設計與仿真分析[J].機械，2011（1）：49-51.KANG Wenli，ZHANG Ying，WANG Chuan.The design and simulation analysis of virtual prototype of reducer based on UG and ADAMS[J].Machinery，2011（1）：49-51.(in Chinese)

[8]張曉寧，祝劍虹，李淑英.用ADAMS軟件對3S離合器嚙合過程的一些研究[J].應用科技，2003（12）：26-28.ZHANG Xiaoning，ZHU Jianhong，LI Shuying.Research on the engagement process of 3S clutch using ADSMS software[J].Applied Science and Technology，2003（12）：26-28.(in Chinese)

[9]謝勇，陳功軍.基于ADAMS的四氣門配氣機構優化設計[J].汽車科技，2009（5）：21-24.XIE Yong，CHEN Gongjun.Optimization design of four-valve valve-train based on ADAMS [J].Automobile Science and Technology，2009（5）：21-24.(in Chinese)

[10]Hensges M.Simulation and optimization of an adjustable inlet guide vane for industrial turbo compressors[R].ASME 2008-GT-50242.

[11]午麗娟，李愛平，劉雪梅.凸輪傳動系統改進設計與運動學仿真[J].機械設計與制造，2010（4）：21-24.WU Lijuan，LI Aiping，LIU Xuemei.Improved design and kinematics simulation for drive mechanism of cam [J].Machinery Design&Manufacture，2010（4）：21-24.

[12]楊勇剛，張力.幾種搖臂與聯動環連接結構對比分析[J].航空發動機，2012，38（6）：34-36.YANG Yonggang，ZHANG Li.Contrast analysis of several roker and drive ring connecting structure[J].Aeroengine，2012，38（6）：34-36.(in Chinese)

[13]董美云，李培行.腳踏式翻書機構的設計及運動仿真[J].大連交通大學學報，2010（2）：24-27.DONG Meiyun，LI Peixing.Design and kinematic simulation of foot operated book open machine [J].Journal of Dalian Jiaotong University，2010（2）：24-27.(in Chinese)

[14]劉連蕊，張澤，高建華，等.六足機器人橫向行走步態研究[J].浙江理工大學學報，2011（2）：225-227.LIU Lianrui，ZHANG Ze，GAO Jianhua，et al.Research on laterally salking gait of hexapod robot[J].Journal of Zhejiang Scitech University，2011（2）：225-227.(in Chinese)

[15]鄭凱，胡仁喜，陳鹿民，等.ADAMS2005機械設計高級應用實例[M].北京：機械工業出版社，2006：79-93.ZHENG Kai，HU Renxi，CHEN Lumin，et al.ADAMS 2005 senior application example of machinery design[M].Beijing：Mechanical Industry Press，2006：79-93.(in Chinese)

[16]晉萍，聶宏.運用CATIA和ADAMS的十字軸萬向聯軸器的運動學和動力學仿真 [J].現代制造工程，2011（2）：124-126.JIN Ping，NIE Hong.Kinematics and dynamics simulation of crossaxle universal shaft coupling based on CATIA and ADAMS software[J].Modern Manufacturing Engineering，2011（2）：124-126.(in Chinese)