基于多維聯合仿真技術的魚雷動力系統特性研究

李 鑫, 楊赪石, 彭 博

基于多維聯合仿真技術的魚雷動力系統特性研究

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和組件特性改變時的相互影響規律, 文中建立了動力系統零維性能仿真模型、發動機缸內過程一維仿真模型和發動機三維虛擬樣機模型, 將傳統研究相對獨立的零維、一維和三維仿真模型相結合, 使得數值計算更高效、準確, 并對動力系統的性能和發動機的動力學特性進行了數值計算, 仿真了動力系統啟動、換速、變深和實航工況下發動機關鍵部位受力和運動情況, 以及發動機進氣比對動力系統性能的影響, 仿真結果和試驗結果基本吻合。文中研究的聯合仿真技術為動力系統和發動機組件的設計提供了一種新方法, 可為產品的工程設計提供參考。

魚雷動力系統; 零維; 一維; 三維; 聯合仿真

0 引言

傳統上, 魚雷動力系統零維、一維和三維仿真相對獨立。動力系統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和性能參數, 反映系統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、流量調節器、噴嘴、燃燒室和發動機等的全系統動態分析模型, 獲得了系統各主要參數隨時間變化的規律。而發動機缸內過程一維仿真模型按照活塞的運動規律, 獲得發動機1個熱力循環下缸內的熱力參數, 如張進軍等[2]建立了缸內工質的內能和質量的微分方程, 得到了1個工作循環內內能、質量、溫度及壓強等熱力參數的曲線圖。零維和一維仿真模型的缺點是無法反映組件內部受力、運動等細節情況, 并且其準確性依賴于組件特性的準確性, 優點是仿真速度快, 可進行快速驗證和評估。發動機三維仿真基于虛擬樣機技術, 可得到組件內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, 建立了不同形式周轉斜盤發動機的動力學模型, 對發動機動力學性能進行了仿真分析。三維仿真的優點是可以獲得更多的細節結果, 缺點是難以獲取準確的邊界條件, 且建模復雜, 仿真速度較慢[4-9]。

文中考慮不同精度仿真模型的優缺點, 以魚雷動力系統和發動機組件為研究對象, 將傳統相對獨立的零維、一維和三維仿真模型相結合, 使得數值計算更高效、準確。通過多維聯合仿真, 從不同層次探討了魚雷動力系統和發動機組件參數改變時的相互影響規律。

1 不同精度仿真模型

1.1 動力系統零維性能仿真模型

基于動力系統的工作原理和特性, 啟動、換速和變深的系統零維仿真模型可用如下方程組描述[9]

1.2 發動機缸內過程一維仿真模型

魚雷動力系統采用兩沖程轉缸式斜盤活塞外燃機。工作時, 缸內的高溫高壓燃氣推動活塞做往復運動, 按照配氣關系實現預進氣—進氣—膨脹—預排氣—排氣—壓縮熱力循環過程[7]。根據能量守恒定理和質量守恒定理, 缸內過程一維模型用如下的微分方程組描述

1.3 發動機三維虛擬樣機模型

發動機動力傳動機構工作時, 燃氣推動活塞做往復運動, 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, 斜軸斜盤之間將產生沿發動機軸線方向的驅動轉矩, 驅動主齒輪、氣缸體、活塞、連桿及斜盤等外軸部件旋轉, 從而將活塞往復運動轉換為輸出軸的旋轉運動, 滾輪和導槽之間形成滾輪直導槽約束機構, 保證氣缸體和斜盤運動的同步性。

在Adams軟件中建立魚雷發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 魚雷發動機三維虛擬樣機模型

1.4 聯合仿真模型

在MatlabSimulink中建立魚雷動力系統零維性能仿真模型以及發動機缸內過程一維仿真模型, 在Adams中建立魚雷發動機三維仿真模型。動力系統零維性能仿真獲得的發動機進氣壓力, 作為發動機缸內過程一維模型的輸入; 發動機缸內過程一維仿真得到的發動機6個缸的缸內壓力作為三維虛擬樣機模型的輸入; 發動機虛擬樣機仿真獲得的轉速作為動力系統零維性能仿真模型的輸入, 不同精度模型之間的數據通信通過基礎平臺實現[11]。建立的聯合仿真模型如圖2所示。

2 聯合仿真模型驗證

對采用相同進氣壓力、配氣參數、負載特性以及試驗流程的動力系統聯合仿真模型的仿真結果和物理樣機試驗結果進行了對比, 功率試驗和仿真得到的輸出軸轉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, 說明聯合仿真模型的置信度較高, 可對魚雷動力系統的工程設計提供有效指導。

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 聯合仿真模型

3 動力系統特性分析

3.1 不同工況下發動機關鍵部位受力和運動情況

活塞側向力的大小、滾輪和導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、發動機的機械效率以及運轉平穩性, 在設計時應重點考慮。

應用聯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, 從而獲得發動機關鍵部位的受力和運動情況。發動機采用滾輪直導槽約束機構, 缸體和斜盤的轉動存在相位差, 1缸、2缸和3缸所對應的零部件呈現不同的運動學和動力學特性, 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缸活塞的側向力(活塞和缸套之間的作用力)。可知, 低速變高速時, 活塞側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個工作循環下活塞的側向力, 可以看出, 高速變深時, 1缸活塞的側向力均值變化不大(864~879 N), 峰值顯著增大(1027~1460 N); 2、3缸活塞的側向力均值和最大值均變化不大, 變化范圍在50 N之內。在整個變深過程中, 1缸活塞和氣缸體之間的力學負荷均大于其他兩缸。

圖4 1缸活塞側向力

圖5 50 m航深各缸活塞側向力曲線

圖6 300 m航深各缸活塞側向力曲線

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, 3個缸的活塞和氣缸體均在不同位置接觸, 磨損均勻, 不會產生偏磨, 相比較而言, 1缸的活塞運動最為平穩。

圖7 600 m航深各缸活塞側向力曲線

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板之間的接觸力, 低速變高速時, 滾輪和導板之間的接觸力顯著增大, 且隨著深度的增加, 滾輪和導板之間的接觸力也逐漸遞增。

圖9 滾輪和導板之間接觸力

3.2 實航工況下發動機受力仿真

利用建立的聯合模型進行1次實航工況下的仿真, 以對故障進行復現和定位。圖10和圖11給出了發動機轉速和滾輪導板之間的受力情況。可以看出, 該次實航在5 s時發生魚雷跳水現象, 負載急劇下降, 發動機轉速突增, 慣性作用增加, 滾輪和導板之間的接觸力已不能平衡慣性力的作用而發生換向沖擊, 沖擊力可達 5500 N。這和實航試驗中魚雷跳水, 滾輪發生換向沖擊, 導板非工作面出現深坑損壞的現象吻合。

圖10 發動機轉速隨時間變化曲線

圖11 實航工況下滾輪和導板之間接觸力

3.3 發動機結構參數對動力系統性能參數的影響

缸徑和沖程是發動機的主要結構參數, 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啟動時不同缸徑下的壓力和轉速曲線。

圖12 啟動時不同缸徑下的壓力曲線

隨著缸徑增大, 發動機做功容積增加, 啟動時燃燒室的壓力峰值逐漸減小, 發動機單轉耗氣量增加, 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速曲線

表1 不同缸徑下的參數

燃料需要滿足一定的壓力條件才能可靠點燃,根據表1缸徑和缸內壓力的關系可知, 缸徑不能太大, 否則會導致進燃料時壓力過小而無法可靠點燃。同時, 當進燃料點燃燒室壓力遠小于調節壓力時, 進燃料時刻會產生較大的壓力超調, 在設計時應予以避免; 另一種極限情況是, 缸徑過小, 進燃料時燃燒室內壓力過大, 超過壓力調節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, 在啟動過程中應選用合適的缸徑, 既能滿足總體要求的轉速和進燃料時刻, 又能保證進燃料時刻的壓力條件和較小的壓力超調。

3.4 發動機不同進氣比對動力系統性能參數影響

在相同進氣壓力條件下, 發動機采用不同的進氣比, 會同時影響到動力系統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性能參數

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

4 結束語

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

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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. 基于多維聯合仿真技術的魚雷動力系統特性研究[J]. 水下無人系統學報, 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.

(責任編輯: 楊力軍)