基于虛擬樣機技術的風洞迎角機構設計及分析

甘小明， 陳萬華， 王睿， 劉秉斌

（中國空氣動力研究與發展中心，四川綿陽621000）

0 引言

虛擬樣機技術（Virtual Prototyping Technology）是在產品的研發過程中，結合零部件設計和分析技術，在計算機上建造出產品模型，并對產品的各種使用工況進行仿真分析，預測產品的整體性能；從而改進產品設計、提高產品性能的一種新技術。運用虛擬樣機技術，可簡化產品的設計開發過程，縮短產品開發周期，減少產品開發費用和成本，提高產品質量和性能，獲得最優化和創新的產品，同時也為物理樣機的設計和制造提供依據［1-5］。

迎角機構是風洞的關鍵部件之一，是試驗模型的支撐，其運動精度和動態特性直接影響風洞試驗結果的精度［6］。迎角機構采用虛擬樣機設計可以模擬航空、航天飛行器在實際空間飛行時的各種姿態，仿真飛行器運行時的運動學和動力學特征，從而提高迎角機構的運行精度，以此提高風洞試驗數據的可靠性和置信度。

1 迎角機構方案及原理分析

1.1 迎角機構方案

迎角機構采用雙支臂結構形式，屬于尾部支撐。尾部支撐是目前風洞試驗應用最為廣泛的支撐形式。尾部支撐具有以下優點：1）支撐機構處于模型下游，對模型表面的流動影響較小，測量數據較為準確；2）尾撐機構結構簡單且為通用支撐機構，易于作對比試驗。

迎角機構主要由全彎刀支板、導軌座、導軌支架、滑塊座、伺服油缸、油缸座以及圓弧導軌副組成（見圖1）?；瑝K座與彎刀支板通過螺栓和銷連接，導軌座和油缸座分別安裝在試驗段上下框架上，圓弧導軌副分別安裝在滑塊座和軌道座上，2只伺服油缸平行布置在迎角機構上方，同步驅動全彎刀支板。

傳統的迎角機構設計方法是先進行概念設計和方案論證，然后進行產品設計，設計完成后，為了驗證設計的可行性，通常制造物理樣機進行試驗。虛擬樣機技術則是在不制造實物樣機的前提下進行迎角機構的概念設計、方案論證及設計驗證，并在設計過程中及時修改設計參數，進行各種校核和優化。采用虛擬樣機設計技術可以大大縮短設計周期，降低成本，提高產品性能。

迎角機構的虛擬樣機設計是在計算機上建立迎角機構各零部件的數字模型，然后在計算機上將各零部件進行數字化組裝，構建起完備的數字迎角機構（見圖1）。在建模和裝配過程中可以檢查零部件之間是否干涉，實時對迎角機構進行分析、修改及優化。

圖1 迎角機構三維圖

1.2 迎角機構運行原理

如圖2所示，迎角機構運動原理為：伺服油缸驅動彎刀支板沿圓弧導軌作圓周運動，伺服油缸采用耳軸安裝，耳軸處設球鉸，油缸前端與彎刀處通過球鉸相連，這樣在彎刀作圓弧運動（變攻角）的過程中，伺服油缸可沿耳軸擺動，以補償長度和高度方向的距離。迎角機構主要運動參數為：運行范圍為-20°～+30°，運動精度為±0.05°，運動速度為 1°/s～5°/s可調。

油缸運行長度與角度關系見圖3，其中l1為油缸初始長度，l2為油缸運行至某一角度的長度，a為旋轉中心到油缸安裝座的距離，b為旋轉中心到前耳軸的距離，Δα為迎角機構運行角度，由此可得出油缸伸縮距離與迎角機構運行角度的關系式：

圖2 迎角機構運行原理圖

圖3 機構運動簡圖

2 虛擬樣機的靜力學、動力學分析

2.1 迎角機構的有限元分析

迎角機構承受的載荷大，必須有足夠的強度以避免在大載荷下機構出現塑性變形或受損。迎角機構也必須有足夠的剛度以避免：1）在試驗過程中產生較大的變形，影響機構的運行和精度；2）迎角機構與風洞高速氣流的低頻振蕩耦合，使模型產生抖動，從而極大影響試驗數據的真實性和可靠度。

利用有限元對迎角機構進行分析校核。在氣動載荷作用下其有限元分析結果見表1，圖4、圖5為迎角機構應力云圖和變形云圖，圖6為迎角機構前3階振型云圖。

表1 迎角機構有限元分析結果

圖4 迎角機構應力云圖

圖5 迎角機構變形云圖

從表1和圖3～圖5可以看出，迎角機構滿足強度、剛度要求，具有合理的動態特性。

2.2 迎角機構的多體動力學分析

根據迎角機構實際運動的情況，建立彎刀支板支板沿圓弧導軌繞模型中心的旋轉副（Revolute joint）、油缸活塞桿與缸筒間的移動副（Translational joint）、油缸與油缸座間的球副（Spherical joint）及油缸座、導軌與試驗段固定副（Fixed joint）；在油缸的移動副添加移動運動約束（Translational Motion）；在導軌與滑塊座之間施加接觸力。迎角機構的動力學仿真模型見圖7。

2.3 動力學仿真分析

動力學仿真是在給定的油缸速度下求油缸的載荷。為了仿真迎角機構的正負攻角，設置運動-時間函數：IF（time-107.8：10.0*time，0，-10*time），圖 8 所示為油缸驅動力隨時間變化的曲線圖，由曲線可分析得出：支板從0°向20°（正攻角）方向運行過程中，由于支板的重心位置不斷變化，支板重力繞轉動中心的力臂不斷減小，因而油缸的驅動力也隨之減小；負攻角的情形正好相反。由圖8可知單個油缸在理想狀況下驅動力大約在70 kN，可根據此力及啟動（或停止）加速度、沖擊載荷和油缸安裝方式來選取油缸。

3 迎角機構控制設計

3.1 迎角系統控制原理

迎角機構運動過程中，運動控制系統核心控制器通過控制2個并行工作的高頻響流量控制閥：油缸快速位移調節高頻響流量控制閥和油缸高精度位移調節高頻響流量控制閥實現迎角機構的精確定位。迎角機構快速回零時，2只閥同時工作，提供滿足回零的大流量要求。迎角機構運動控制是通過油缸位移閉環控制方式實現的，核心控制器按照控制目標值和油缸實際位移值誤差，依據一定的控制策略輸出電位移信號，控制高精度位移調節高頻響流量控制閥實現驅動油缸流量精確控制，以實現油缸位移也就是迎角機構的精確定位。油缸內部安裝有直線位移傳感器，實現位移的閉環控制，另外還有2個壓力傳感器，供控制計算決策使用，迎角機構電液伺服控制原理圖如圖9。

圖7 迎角機構動力學仿真模型

圖8 油缸驅動力變化曲線

圖9 電液伺服控制原理圖

3.2 迎角控制系統設計

迎角機構運動控制采用冗余設計，控制器有主控制器和副控制器2個控制器，兩油缸各安裝有1個位移傳感器，分別與主、副控制器構成2個位置閉環控制。在正常情況下，由主控制器完成試驗過程中的迎角定位和緊急回零等功能，若主控制器出現故障或迎角機構控制出現異常，則將控制權切換到副控制器，由副控制器完成緊急回零，然后停止試驗。

迎角控制器選用力士樂HNC100數字控制器，其適用于液壓軸閉環控制的特殊需求，在惡劣的工業環境中具有抗干擾、抗機械振動與沖擊能力。位移傳感器在迎角控制精度方面起著關鍵的作用，迎角機構位移傳感器選用美國MTS公司的磁致伸縮位移傳感器，其具有高精度、高可靠性的特點，可承受高溫、高壓和高振蕩環境等惡劣的工業環境。傳感器數據傳輸采用SSI即串聯同步界面數字輸出，抗干擾性極高。迎角主HNC100控制器和副HNC100控制器通過CAN總線與現場試驗控制PXI RT嵌入式控制器實現狀態數據和控制指令傳輸。

4結語

運用虛擬樣機技術建立風洞迎角機構數字樣機模型，并對迎角機構進行有限元分析和運動學、動力學仿真，得到了迎角機構關鍵部件應力應變及運動載荷情況，實現了產品的虛擬設計。迎角機構運行情況和型號試驗表明，采用虛擬樣機技術設計的迎角機構各項技術指標完全滿足設計要求。

［1］ 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，2002.

［2］ 逄黎虹，關天民.基于虛擬樣機技術的輪椅耐久性仿真分析［J］.現代制造工程，2007（1）：44-46

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［6］ 李強,李周復,高小榮,等.雙轉軸支撐機構的虛擬樣機設計及其運動學仿真［J］.機械設計，2008，25（2）：29-30.

［7］ 王晶，邱影.基于CAN總線的雙轉軸控制系統設計［J］.自動化應用，2012（2）：18-19.