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 甘小明，鮑祿強(qiáng)，陳萬華，韓洪偉

 （中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川  綿陽(yáng)  621000）

摘要：模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)是風(fēng)洞的關(guān)鍵部件，其作用是支撐和運(yùn)送試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭猎囼?yàn)指定位置，送進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)特性直接影響風(fēng)洞的試驗(yàn)精度。建立送進(jìn)機(jī)構(gòu)數(shù)字樣化樣機(jī)，井對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元、動(dòng)力學(xué)的仿真分析。仿真結(jié)果表明送進(jìn)機(jī)構(gòu)滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞；三自由度；送進(jìn)機(jī)構(gòu)中圖分類號(hào)：TP391.7：V211. 74  

0  引言

 高速風(fēng)洞是航空航天飛行器研制的基礎(chǔ)性地面模擬試驗(yàn)設(shè)備。模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)是高速風(fēng)洞必不可少的關(guān)鍵部件，其作用是將試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂焖贉?zhǔn)確地運(yùn)送到風(fēng)洞試驗(yàn)所指定位置，模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)特性直接影響風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度和重復(fù)性。

1模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案

1.1  總體結(jié)構(gòu)方案

 模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)段底板上，具有升降（y向機(jī)構(gòu)）、平移（X向機(jī)構(gòu)）及俯仰（迎角機(jī)構(gòu)又稱a機(jī)構(gòu)）3個(gè)自由度，3個(gè)自由度采用串聯(lián)布置，其中最里層為a機(jī)構(gòu)、中間層為Y向機(jī)構(gòu)、最外層為X向機(jī)構(gòu)。3個(gè)自由度均采用伺服油缸驅(qū)動(dòng)、精密滾珠導(dǎo)軌導(dǎo)向的布局方式，其中X、Y向?yàn)橹本�導(dǎo)軌，a向?yàn)榛⌒螌?dǎo)軌。該布局具有傳動(dòng)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、承載能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)精度高、各自由度運(yùn)動(dòng)獨(dú)立不耦合的特點(diǎn)。模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2  驅(qū)動(dòng)方式的選擇

 3個(gè)自由度驅(qū)動(dòng)均采用中間無過渡環(huán)節(jié)的伺服液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①功率-重量比大，在同樣功率的控制系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)體積小、重量輕；②力矩-慣量比大，一般液壓驅(qū)動(dòng)的力矩慣量是同容量電機(jī)的10倍～20倍，因此液壓系統(tǒng)具有產(chǎn)生加速度大、時(shí)間常數(shù)小、響應(yīng)速度快的優(yōu)良動(dòng)態(tài)性能；③液壓伺服系統(tǒng)抗負(fù)載剛度大，輸出位移受負(fù)載變化影響小，運(yùn)動(dòng)傳遞均勻平穩(wěn)，負(fù)載變化時(shí)速度穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確，控制精度高；④由于該套機(jī)構(gòu)運(yùn)行在真空環(huán)境中，伺服電機(jī)在真空環(huán)境運(yùn)行將會(huì)產(chǎn)生散熱困難及稀薄氣體放電等情況，而液壓伺服油缸可運(yùn)行在高真空環(huán)境中；⑤風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)所采集的

數(shù)據(jù)信號(hào)較為微弱，若采用大功率伺服電機(jī)將對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)信號(hào)產(chǎn)生電磁干擾，從而影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

2迎角機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

 X、Y向機(jī)構(gòu)均為直線運(yùn)動(dòng)，其速度和推（拉）力較易確定，而a機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧，其重心隨運(yùn)動(dòng)軌跡變化而變化，故伺服油缸推（拉）力也是變化的，因此有必要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定油缸推（拉）力變化曲線。

 在動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中建立迎角機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型，迎角機(jī)構(gòu)俯仰角為00、正攻角、負(fù)攻角時(shí)的極限運(yùn)動(dòng)位置如圖2所示。對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，即為弧形導(dǎo)軌施加固定副、在彎刀支板與導(dǎo)軌間施加旋轉(zhuǎn)副、在油缸活塞桿與彎刀支板間施加旋轉(zhuǎn)副、在油缸活塞桿與缸筒間施加滑動(dòng)副、在油缸缸筒與油缸座間施加旋轉(zhuǎn)副、為油缸座添加固定副。迎角機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型中共有8個(gè)移動(dòng)部件、3個(gè)旋轉(zhuǎn)副、1個(gè)移動(dòng)副、5個(gè)固定副。

  應(yīng)用ADAMS動(dòng)力學(xué)分析軟件在油缸缸筒與活塞桿間滑動(dòng)副上施加運(yùn)動(dòng)，得出油缸推（拉）力曲線，如圖3、圖4所示。

  為驗(yàn)證動(dòng)力學(xué)分析軟件計(jì)算油缸推（拉）力的正確性，利用解析法對(duì)油缸推（拉）力進(jìn)行校核計(jì)算。在不計(jì)摩擦力的情況下，根據(jù)圖5計(jì)算迎角機(jī)構(gòu)00攻角時(shí)的油缸推（拉）力。根據(jù)力矩平衡原理，有：

3模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)有限元分析

  有限元分析是目前解決工程問題最有效、最可靠、最簡(jiǎn)便的方法之一。通過有限元分析，可以得到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

 運(yùn)用MSC公司Patran軟件對(duì)風(fēng)洞模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化及網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為40，單元類型為Tet 10，共劃分Tetl0單元50 471個(gè)，節(jié)點(diǎn)800 820個(gè)，1個(gè)MPC。根據(jù)模型送進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行情況設(shè)置邊界條件：X向?qū)к壈惭b面和X向油缸安裝面移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的6個(gè)自由完全約束；在重力及模型旋轉(zhuǎn)中心處施加氣動(dòng)載荷。通過NASTRAN求解器，得到模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)應(yīng)力及變形云圖，見圖6、圖7。通過對(duì)模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到機(jī)構(gòu)前6階振型云圖及其對(duì)應(yīng)的頻率，見圖8和表1。

 由圖6～圖8和表1可知，模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)最大應(yīng)力為62.9 M Pa，位于迎角機(jī)構(gòu)彎刀支板前端，機(jī)構(gòu)整體應(yīng)力水平較低；最大變形為0. 94 mm，位于彎刀支板末端，變形量對(duì)模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行精度影響較��；模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)振型以彎刀支板偏轉(zhuǎn)為主，頻率與風(fēng)洞內(nèi)的氣流激勵(lì)頻率相差超過20%，不會(huì)發(fā)生共振。

4結(jié)論

 高速風(fēng)洞三自由度模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)采用緊湊的串聯(lián)布局，以高精度、大載荷的液壓伺服油缸作為各自由度的驅(qū)動(dòng)，通過對(duì)迎角機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)整體有限元分析，得到了迎角機(jī)構(gòu)油缸驅(qū)動(dòng)力曲線及模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變及模態(tài)結(jié)果。模型送進(jìn)機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行情況和試驗(yàn)表明，機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)及使用要求。