軸對稱矢量噴管多剛體動力學(xué)自動建模開發(fā)

何江軍，王漢平，張少軍，金文棟，鞏 明

(1.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081;2.中國航空工業(yè)集團沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015)

軸對稱矢量噴管(AVEN)能夠大幅提高戰(zhàn)斗機的隱身性、機動性、敏捷性和短距離起落能力［1］，是各個國家目前研究的熱點。該裝置構(gòu)成零部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機構(gòu)自由度多，是一種高度欠約束系統(tǒng)［2］。因此，目前針對AVEN 的建模仿真工作均只能手動完成，尚未有公開文獻報道關(guān)于AVEN 的自動建模的研究情況。本文旨在AVEN 的多剛體自動建模界面開發(fā)，在AVEN 簡化模型的基礎(chǔ)上，人為地把AVEN 建模過程分成多個模塊來依次進行，通過操作各個模塊關(guān)聯(lián)的設(shè)計變量對話框修改相應(yīng)的建模參數(shù)，協(xié)調(diào)促進仿真實驗的順利進行。這有助于對AVEN 實物試驗時可能出現(xiàn)的各種情做出全面的預(yù)測，并且對產(chǎn)品的設(shè)計、優(yōu)化和改進起到良好的指導(dǎo)作用。根據(jù)微調(diào)建模參數(shù)修正仿真結(jié)果來改進產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，將大大加速研發(fā)進度，節(jié)約人力物力成本。

1 基本建模思路

由于AVEN 機構(gòu)零件較多，自動建模需在簡化模型和手動建模的基礎(chǔ)上發(fā)展完成，其主要建模思路流程如圖1所示。

2 AVEN 結(jié)構(gòu)與運動分析

AVEN 裝置為雙Stewart 平臺驅(qū)動的復(fù)雜空間機構(gòu)，該雙Stewart 平臺由A8 收斂調(diào)節(jié)環(huán)和A9 轉(zhuǎn)向控制環(huán)組成［3-4］。A8 收斂調(diào)節(jié)環(huán)上有十幾組凸輪機構(gòu)用來和收斂骨架上的特殊圓弧面配合，收斂骨架與收斂調(diào)節(jié)片前后鉸接。A8 收斂調(diào)節(jié)環(huán)由6 個驅(qū)動作動筒同步控制，在凸輪和特殊圓弧面的配合下，收斂調(diào)節(jié)片跟隨收斂骨架一起完成收斂段的收擴運動。

A9 轉(zhuǎn)向控制環(huán)的3 個驅(qū)動作動筒互呈120°周向分布，由定心裝置限制在與機匣軸線平行的3 個導(dǎo)軌上，其異步作動可引起A9 轉(zhuǎn)向控制環(huán)的偏轉(zhuǎn)，進而帶動三角拉桿、擴張支架和擴張調(diào)節(jié)片完成擴張段噴口的偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)矢量控制的作用(圖2)。收斂段和擴張段的連接是通過具有十字轉(zhuǎn)接功能的擴張頭部完成的。

圖2 AVEN 的截面

3 ADAMS 宏命令編寫

要想實現(xiàn)如此復(fù)雜機構(gòu)的自動建模，首先應(yīng)該通過ADAMS 提供的cmd 宏命令功能建立AVEN 多剛體系統(tǒng)模型，再循序漸進，實現(xiàn)自動建模界面的開發(fā)。在通過宏命令A(yù)VEN 建立模型時，根據(jù)分析需要確定相關(guān)的關(guān)鍵變量，并將這些關(guān)鍵變量設(shè)置成可變的設(shè)計變量。在分析時，只需要改變這些設(shè)計變量值的大小，AVEN 虛擬樣機模型即可自動更新。

3.1 初步建模

首先，將UG 軟件中的AVEN 零件圖分別以parasolid 格式按建模順序編號命名導(dǎo)出并放置在指定位置的文件夾中。為方便后續(xù)建模，所有零件均選取在裝配位置，而諸如收斂調(diào)節(jié)片、擴張頭部、擴張調(diào)節(jié)片等沿加力筒體中心軸對稱布置的多組零件只選取典型位置的單個零件導(dǎo)出。然后，在ADAMS2012 軟件中，新建Nozzle 模型、定義單位和重力、選擇工作路徑［5］。在UG 中量取需要設(shè)置成設(shè)計變量的各類尺寸，包括零件幾何尺寸、約束點坐標尺寸等，將這些尺寸按建模順序編寫成逐條的設(shè)計變量cmd 宏命令。

設(shè)計變量cmd 宏命令與建模cmd 宏命令一一對應(yīng)。每一條建模cmd 宏命令主要包含以下子命令:讀入parasolid、重命名part、復(fù)制part、移動part、創(chuàng)建marker、創(chuàng)建joint。有些宏命令里還需要添加合并part、重命名solid、創(chuàng)建contact、創(chuàng)建spring damper 等子命令，具體應(yīng)該添加或者省略哪些子命令視AVEN 模型零件銜接需要而定。為方便建模分析，需要給各part 重新命名和統(tǒng)一編號。針對不同的零件，以構(gòu)成該零件的漢語拼音或漢語拼音的首字母的組合加上編號來為其命名，為便于識別，每個拼音的首字母均大寫。為便于對零件定位、觀察和分析，選擇典型位置的零件作為1 號零件，比如將Z 軸負向穿過的調(diào)節(jié)片設(shè)定為1 號調(diào)節(jié)片，將Y軸正向穿過的A8 作動筒設(shè)定為1 號作動筒等。復(fù)制part、移動part 時，只需要將其余n -1 組零件在1 號零件的重疊位置以宏命令的方式復(fù)制完成，再沿加力筒體中心軸逆時針每旋轉(zhuǎn)360°/n 放置一組零件，其中n 為該類零件的總數(shù)。創(chuàng)建marker 時，參考需要建立joint 的類型和方位來合理命名，確保是辨識度高的名稱即可;創(chuàng)建joint 時，參考i marker、j marker，主要命名為i part_j part_編號或者i part 編號_j part編號的形式。

3.2 簡化建模

3.2.1 樹狀建模原則

建模過程中除喉道密封片與收斂密封片鉸接位置(該處難以相對其他典型位置進行定位)外都采用樹狀建模原則來逐步循序推進，具體而言就是，先建立與ground 相關(guān)聯(lián)的零件約束，以這些零件為樹干，再構(gòu)建與樹干相關(guān)聯(lián)的零件約束，以此類推逐步完善AVEN 的建模。為完善樹狀邏輯表述，借助LOC_RELATIVE_TO 和ORI_RELATIVE_TO 函數(shù)將末端零件的marker 與前端的已被參數(shù)化的marker 參數(shù)關(guān)聯(lián)，這樣使整個模型形成形式和邏輯上的樹狀結(jié)構(gòu)［2］。

3.2.2 過約束問題

AVEN 機構(gòu)整體上是一個高度欠約束的機構(gòu)，但其局部環(huán)節(jié)卻會存在過約束，尤其是當機構(gòu)形成封閉的回路時常常如此。ADAMS 本身的自由度解算和約束檢測工具能夠剔除一些構(gòu)型簡單的機構(gòu)過約束，但是當系統(tǒng)過于復(fù)雜時，其自動剔除過約束可能會使動力學(xué)解算出現(xiàn)不合理的現(xiàn)象，這時需要人工干預(yù)消除過約束問題［2］。以立式協(xié)同裝置為例，按照機構(gòu)實際的約束情況，(從發(fā)動機尾部看去)左右長桿之間、右側(cè)長桿和右側(cè)短桿之間均為鉸鏈約束。但是，如果在ADAMS 中按實際理想約束建模的話，由于這些零件形成了封閉的回路系統(tǒng)，ADAMS 會認定其過約束。因此，經(jīng)過反復(fù)修改驗證后將左右長桿之間、右側(cè)長桿和右側(cè)短桿之間的鉸鏈約束分別改為球鉸約束和圓柱副約束，使機構(gòu)正好不出現(xiàn)過約束。進一步細分，ADAMS 建立立式協(xié)同裝置約束的方式是:左側(cè)長桿和右側(cè)長桿、左側(cè)長桿和左側(cè)銷釘、右側(cè)長桿和右側(cè)銷釘之間是球絞約束，右側(cè)長桿和右側(cè)短桿之間是圓柱副約束，左側(cè)長桿和左側(cè)短桿、塊軸和左右兩側(cè)短桿之間是鉸鏈約束。立式協(xié)同裝置具體的約束示意圖如圖3 所示。

圖3 立式協(xié)同裝置約束示意圖

3.2.3 接觸和彈簧阻尼器

為使AVEN 模型最大限度地接近實際約束情形，在一些特定連接位置需要建立特定約束。A8 收斂調(diào)節(jié)環(huán)滾子在運動中始終與收斂骨架上表面相接觸，在ADAMS 中二者之間的約束建為線線高副接觸約束;收斂密封片與收斂調(diào)節(jié)片、喉道密封片與收斂密封片之間沒有明顯直接的約束形式，但是ADAMS 仿真要求二者之間一直接觸，建為點面接觸約束;擴張密封片與擴張調(diào)節(jié)片之間不便建立接觸點，建為實體接觸約束。為了使擴張密封片和擴張調(diào)節(jié)片在仿真過程中始終貼合在一起，僅憑實體接觸約束是不夠的，還需要人為地在立式協(xié)同裝置塊軸和擴張密封片之間添加一個拉壓彈簧阻尼器、在臥式協(xié)同裝置盒座和左右曲桿之間添加同樣大小的兩個扭轉(zhuǎn)彈簧阻尼器［6］。

4 自動建模界面開發(fā)

自動建模界面的定制在ADAMS 主菜單界面中完成，將界面風格設(shè)為經(jīng)典模式，以方便后續(xù)對話框的放置。新建名為database 的數(shù)據(jù)庫，并在其下創(chuàng)建名為dialog 的對話框數(shù)據(jù)庫和名為variable 的設(shè)計變量數(shù)據(jù)庫。把對話框和設(shè)計變量與模型獨立開來，這樣不僅方便對對話框和設(shè)計變量查看修改，而且利于對模型進行操作，更重要的是刪除原模型并新建模型時原對話框和設(shè)計變量的數(shù)據(jù)得以保留。在dialog對話框數(shù)據(jù)庫下創(chuàng)建名為Nozzle_Toolbox 的總對話框，并合理放置在ADAMS 主界面中［7］。如圖4 所示，人為地把AVEN 建模過程分成JLTT(加力筒體)、SLTJP(收斂調(diào)節(jié)片)、SLGJ(收斂骨架)、KZTB(擴張頭部)、KZTJP(擴張調(diào)節(jié)片)、KZZJ(擴張支架)、SJLG(三角拉桿)、A9Huan(A9 環(huán))、A9HSG(A9 活塞桿)、A9TT(A9 套筒)、A8Huan(A8 環(huán))、A8HSG(A8 活塞桿)、A8ZDT(A8 作動筒)、KongZhiGuiLv(控制規(guī)律)、SLMFP(收斂密封片)、HDMFP(喉道密封片)、KZMFP(擴張密封片)共17 個模塊。

圖4 Nozzle_Toolbox 主對話框

New Model 按鈕集成了刪除原模型新建模型的cmd 宏命令，CMD 按鈕指向Command Import 對話框用以導(dǎo)入額外操作的cmd 宏命令。New Model 和CMD 兩個按鈕右側(cè)按建模順序緊密布置著前述17 個模塊的按鈕，每一個按鈕指向集中放置在對話框下部的各自對應(yīng)的container，單擊不同按鈕可以自由切換到相應(yīng)的container，每一個container 包含著建立該模塊的自動建模cmd 宏命令集成按鈕。以SLTJP(收斂調(diào)節(jié)片)為例，其名為SLTJP Modeling 的container 下包含以下宏命令集成按鈕:Paraisolid、Variable、Part Modify、Marker、Joint、GFORCE，通過單擊即可實現(xiàn)各自功能。如圖5(a)、(b)所示，Paraisolid 按鈕指向統(tǒng)一的Parasolid Import 對話框讀取并導(dǎo)入相應(yīng)的parasolid 文件;Variable 按鈕指向SLTJP Variable Modify 對話框，該對話框與variable 設(shè)計變量數(shù)據(jù)庫采用交互式的方式進行數(shù)值傳遞:它首先讀入相關(guān)設(shè)計變量在variable 設(shè)計變量數(shù)據(jù)庫中的值并顯示在數(shù)值輸入框里，然后在數(shù)值輸入框里可以對各設(shè)計變量的值進行修改，修改后的值返回給variable 設(shè)計變量數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)設(shè)計變量;Part Modify 按鈕集成了重命名為收斂調(diào)節(jié)片1、復(fù)制并移動其他十幾組收斂調(diào)節(jié)片的cmd 宏命令;Marker 按鈕集成了建立起始端中鉸點和末端中鉸點的cmd 宏命令;Joint 按鈕集成了創(chuàng)建加力筒體與收斂調(diào)節(jié)片之間的圓柱副約束的cmd 宏命令;GFORCE 按鈕是針對熱態(tài)多剛體動力學(xué)建模而設(shè)計的，其功能是在末端中鉸點處建立與收斂調(diào)節(jié)片所承受的燃氣載荷等效的gforce 集中力，其賦值則借助ADAMS 二次開發(fā)功能編寫gfosub 子程序來實現(xiàn)［8］。* KongZhiGuiLv* 按鈕指向為A8、A9 作動筒添加驅(qū)動的container，這部分內(nèi)容可以分成State Variable 和Motion 兩個模塊。如圖5(c)所示，單擊State Variable 按鈕，首先調(diào)用if cond=(!db_exists(""))語句在nozzle606 模型數(shù)據(jù)庫里創(chuàng)建D8(噴喉直徑)、D9(噴口直徑)、Delta9(矢量偏轉(zhuǎn)角)、Theta9(方位角)等狀態(tài)變量，然后彈出State Variable Modify 對話框，提供修改D8、D9、Delta9、Theta9 這4 個基礎(chǔ)狀態(tài)變量的方程輸入框，并與Nozzle模型數(shù)據(jù)庫里的狀態(tài)變量進行數(shù)據(jù)交互。單擊Motion 按鈕，通過其集成的cmd 宏命令直接創(chuàng)建A91、A92、A93、A81、A83、A85 這6 個translational motion。

這樣，通過順序操作自動建模界面并添加等效燃氣載荷，就可以自動建立AVEN 多剛體動力學(xué)模型。

圖5 Nozzle_Toolbox 子對話框

5 仿真計算及結(jié)果分析

自動建模界面可以便捷快速地完成AVEN 建模工作，通過對話框輸入不同的變量可以切換不同的AVEN 模型、不同的仿真工況。仿真計算時AVEN 多剛體動力學(xué)模型進入狀態(tài)的時間為0.2 s，偏轉(zhuǎn)周期為0.5 s，計算2 個時間周期，整個計算時間為1.2 s，計算步長為0.001 s，求解器為WSTIFF，計算線程為8 個。計算硬件為intel 酷睿i7 四核CPU，主頻3.6 GHz，睿頻3.8 GHz，內(nèi)存32G-DDR3-1600 MHz［4］。

圖6 展示了0 km、0Ma 中間狀態(tài)下輸入0°、10°、20°矢量偏轉(zhuǎn)角時3 個A8 作動筒X 向載荷疊加曲線。可以看出，在同一工況下，3 個A8 作動筒X 向載荷疊加隨著矢量偏轉(zhuǎn)角的增大而增加，矢量偏轉(zhuǎn)平穩(wěn)后載荷疊加曲線的微小波動主要由密封片和調(diào)節(jié)片的接觸引起。從上可知，該套AVEN 自動建模軟件是便捷可行的;同時，通過自動建模界面修改其他零件尺寸參數(shù)或者狀態(tài)變量參數(shù)可以得到相應(yīng)的受載特性曲線，對比不同的狀態(tài)變量參數(shù)所得的受載特性曲線可以指導(dǎo)AVEN 實物試驗，對比不同的零件尺寸參數(shù)所得的受載特性曲線可以優(yōu)化AVEN 參數(shù)設(shè)計。

圖6 0°、10°、20°偏角下3 個A8 作動筒X 向受載疊加特性

6 結(jié)束語

本文在AVEN 原始模型的基礎(chǔ)上，首先簡化模型、手動建模，然后將手工建模的操作過程編寫成ADAMS 宏命令，進一步定制自動建模界面，通過自動建模界面建立AVEN 模型并實現(xiàn)仿真計算，對比不同參數(shù)的載荷曲線優(yōu)化AVEN 模型、指導(dǎo)AVEN 實物試驗。全套方法可為其他類似復(fù)雜機構(gòu)的自動建模提供重要借鑒。

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