CN103984816A - 一种气动分离速度设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动分离速度设计方法，包括步骤：S1、确定系统的初始状态；S2、选取时间步长Δt，根据初始化时刻t气动元件内气体状态，通过Δt时间输入的气体质量确定t+Δt时刻气动元件内气体状态；S3、根据t+Δt时刻气动元件内的气体压力对气动元件的推动力、加速度计算有效载荷的活动距离；S4、判断气动元件t+Δt时刻活动距离是否等于其有效活动距离，若等于则系统最终分离速度为t+Δt时刻有效载荷速度；若不等于则重复步骤S3-S4，根据时间步长Δt迭代计算直至找出满足条件的时刻；S5、调整系统初始状态中的可设计参数，重复步骤S2-S4，直到最终设计速度满足要求。实施本发明计算方便结果准确，可解决现有技术中反复多次试验，经济时间成本高的技术问题。

Description

一种气动分离速度设计方法

技术领域

本发明属于气动弹射分离分析方法技术领域，更具体地，涉及一种气动分离速度设计方法。

背景技术

气动分离是采用高压气瓶、气体发生器等气源对气缸、气囊等气动元件进行充气，使气动元件内气体与外界环境之间形成压差，进而推动物体发生相对运动，达到分离目的。气动分离在汽车、航天、航海、玩具等领域都有广泛的应用。

在航空航天领域，结构的分离速度控制要求非常严格，采用气动分离的系统设计中，分离速度的精确控制是气动分离的一个重要设计内容，而气动分离速度与气源的压力、气源的温度、气动元件的尺寸、被分离结构质量等多种因素相关，在以往的设计中通常是经过多轮试验进行调整，经济时间成本都较高，难以做到对速度的精确控制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种气动分离速度设计方法，计算方便结果准确，可解决现有技术中反复多次试验，经济时间成本高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种气动分离速度设计方法，所述方法包括以下步骤：

S1、确定系统的初始状态，包括气源输出气体的压力P₀、气源输出气体的温度T₀、气动元件的气体有效作用面积A₀、气动元件内部初始容积V₀、气动元件的进气口径R、有效载荷的质量M₀、气动元件的有效活动距离L和气动元件的数量N，所述系统的气动分离过程为绝热过程，即气体与外界无热量交换，气源输出的气体压力P₀和温度T₀恒定，系统初始化时忽略激波的影响；

S2、选取时间步长Δt，根据初始化时刻t气动元件内气体状态，通过Δt时间内气源向气动元件内输入的气体质量确定t+Δt时刻气动元件内气体状态，所述气体状态为气体的温度、压力、质量和容积；

S3、根据所述t+Δt时刻气动元件内的气体压力对气动元件的推动力、加速度计算有效载荷的t+Δt时刻的速度及活动距离；

S4、判断所述气动元件t+Δt时刻活动距离是否等于气动元件的有效活动距离，若等于则t+Δt时刻为运动结束时刻，则系统最终分离速度即为运动结束时刻有效载荷的速度；若不等于则重复执行步骤S3-S4，根据时间步长Δt继续迭代计算直至找出运动结束时刻；

S5、判断所述运动结束时刻对应的系统最终分离速度是否满足设计要求，若不满足则调整系统可设计参数，重复步骤S2-S4，直到得到的系统最终分离速度满足设计要求。

作为进一步优选地，所述步骤S2中，气动元件内气体容积随着有效载荷运动而变化，t+Δt时刻气体的容积V(t+Δt)＝A₀×S(t+Δt)+V₀，S是有效载荷移动距离；t+Δt时刻气动元件内的气体质量m(t+Δt)＝m(t)+5470.8×Δt×P₀×R²×u(t)/T₀，u是气体由气动元件入口进入气动元件的流动速度，当P_j/P₀＞0.528时，否则u(t)＝c，c为当地音速，P_j为气动元件内的气体静压力，则t+Δt时刻气动元件内的气体静压力P_j(t+Δt)＝R₀×T(t)×m(t+Δt)/V(t+Δt)，R₀是气体状态常数；t+Δt时刻气动元件内的气体总压力P(t+Δt)＝P_j(t+Δt)+0.25×u²(t)×(m(t+Δt)-m₀)/V(t+Δt)，m₀是气动元件内初始气体质量；t+Δt时刻气动元件内的气体温度T(t+Δt)＝(P_j(t+Δt)/P(t))^0.2857143×T(t)。

作为进一步优选地，t+Δt时刻有效载荷的加速度a(t+Δt)＝0.9×(P(t+Δt)-P_w)×A₀/M₀，P_w是外界大气压力；t+Δt时刻有效载荷的移动速度ν(t+Δt)＝a(t)×Δt+ν(t)；t+Δt时刻有效载荷的移动距离S(t+Δt)＝ν(t)×Δt+S(t)。

作为进一步优选地，所述步骤S5中，可供调整的设计参数为气源的压力、气源压力的上升时间、气源的温度、气动元件的进气口径、有效载荷的质量、气动元件的有效活动距离、气动元件的初始容积和气动元件的数量。

作为进一步优选地，所述气源为高压气源，包括高压气瓶和气体发生器；气动元件为气缸或气囊，若气动元件为气缸，则其气体有效作用面积为单级气缸的截面积或多级气缸每级的截面积；若气动元件为气囊，则其气体有效作用面尺寸为气囊的面积或气囊对载荷的作用面积。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：本发明计算方法将复杂的气动分离过程进行了合理地简化，通过确定系统的初始状态，选取时间步长，可通过迭代计算得出任意时刻有效载荷的活动距离，通过比较将当前时刻气动元件的活动距离是否等于其有效活动距离，调整系统初始状态中可改变的参数，从而确定满足设计要求的系统最终分离速度。本发明方法适用于各种外界大气环境中，计算原理简单，计算结果准确，计算量小，实现方便，能将气动分离速度控制在要求的误差范围内，高效地解决了气动分离系统的速度分析及系统参数设计问题。

附图说明

图1是本发明气动分离速度设计方法流程图；

图2是本发明一个实施例中气源压力变化曲线示意图；

图3是本发明一个实施例中有效荷载的速度曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明气动分离速度设计方法流程图。如图1所示，本发明气动分离速度设计方法包括以下步骤：

S1、确定系统的初始状态，包括气源输出气体的压力P₀、气源输出气体的温度T₀、气动元件的气体有效作用面积A₀、气动元件内部初始容积V₀、气动元件的进气口径R、有效载荷的质量M₀、气动元件的有效活动距离L和气动元件的数量N，所述系统的气动分离过程为绝热过程，即气体与外界无热量交换，气源输出的气体压力P₀和温度T₀恒定，系统初始化时忽略激波的影响；

S2、选取时间步长Δt，根据初始化时刻t气动元件内气体状态，通过Δt时间内气源向气动元件内输入的气体质量确定t+Δt时刻气动元件内气体状态，所述气体状态为气体的温度、压力、质量和容积；

S3、根据所述t+Δt时刻气动元件内的气体压力对气动元件的推动力、加速度计算有效载荷的t+Δt时刻的速度及活动距离；

S4、判断所述气动元件t+Δt时刻活动距离是否等于气动元件的有效活动距离，若等于则t+Δt时刻为运动结束时刻，则系统最终分离速度即为运动结束时刻有效载荷的速度；若不等于则重复执行步骤S3-S4，根据时间步长Δt继续迭代计算直至找出运动结束时刻；

S5、判断所述运动结束时刻对应的系统最终分离速度是否满足设计要求，若不满足则调整系统可设计参数，重复步骤S2-S4，直到得到的系统最终分离速度满足设计要求。

上述步骤S1中，气源为高压气源，包括高压气瓶和气体发生器，用于对气动元件供气，通过压力驱动气动元件的活动部位发生相对运动从而带动有效载荷发生相对运动。气动元件为气缸或气囊，若气动元件为气缸，则其气体有效作用面积为单级气缸的截面积或多级气缸每级的截面积；若气动元件为气囊，则其气体有效作用面尺寸为气囊的面积或气囊对载荷的作用面积。

上述步骤S2中，时间步长Δt的选取通常小于0.001ms，在计算Δt时间步长内气源输出到气动元件内的进气量时管路的有效面积是管路实际截面积的50％，即运动过程中气体的动压损失50％。t+Δt时刻气动元件内气体状态计算方法如下：

气动元件内气体容积随着有效载荷运动而变化，t+Δt时刻气体的容积V(t+Δt)＝A₀×S(t+Δt)+V₀，S是有效载荷移动距离；

t+Δt时刻气动元件内的气体质量m(t+Δt)＝m(t)+5470.8×Δt×P₀×R²×u(t)/T₀，u是气体由气动元件入口进入气动元件的流动速度，(仅当P_j/P₀＞0.528时成立，否则u＝c)，c为当地音速，P_j为气动元件内的气体静压力，则t+Δt时刻气动元件内的气体静压力P_j(t+Δt)＝R₀×T(t)×m(t+Δt)/V(t+Δt)，R₀是气体状态常数；

t+Δt时刻气动元件内的气体总压力为P(t+Δt)＝P_j(t+Δt)+0.25×u²(t)×(m(t+Δt)-m₀)/V(t+Δt)，m₀是气动元件内初始气体质量；

t+Δt时刻气动元件内的气体温度T(t+Δt)＝(P_j(t+Δt)/P(t))^0.2857143×T(t)；则由上述公式可求解得到t+Δt时刻气体的温度、压力、质量和体积，进而通过迭代计算可得到任一时刻气动元件内的气体状态。

上述步骤S3中，t+Δt时刻有效载荷的加速度a(t+Δt)＝0.9×(P(t+Δt)-P_w)×A₀/M₀，P_w是外界大气压力；t+Δt时刻有效载荷的移动速度ν(t+Δt)＝a(t)×Δt+ν(t)；t+Δt时刻有效载荷的移动距离S(t+Δt)＝ν(t)×Δt+S(t)。

上述步骤S5中，可供调整的设计参数为气源的压力、气源压力的上升时间、气源的温度、气动元件的进气口径、有效载荷的质量、气动元件的有效活动距离、气动元件的初始容积和气动元件的数量。

以下结合一个具体实施例对本发明气动分离速度设计方法作进一步说明。

在本发明一个实施例中，利用气体发生器作为气源进行筒式分离，其气源输出压力变化曲线如图2所示。如图2所示，气体发生器输出的压力时间变化关系为先上升后恒定，要求在压力开始下降之前完成气动分离过程。通过气缸作为气动元件，有效载荷在气缸内，在100km高空将7kg的有效载荷进行分离，要求达到地面分离速度为4.5m/s。由于有效载荷结构尺寸固定，气缸允许的结构空间固定，因此需通过调整气体发生器的输出压力值以实现要求的分离速度。

则本发明实施例中气动分离过程包括以下步骤：

S1、确定系统的初始状态，初始状态包括气源输出气体的压力P₀、气源输出气体的温度T₀＝290K、气缸的气体有效作用面尺寸A₀＝9498mm²、气动元件内部初始容积V₀＝14540mm³、气动元件的进气口径R＝2.4mm、有效载荷的质量M₀＝14.8kg(含活塞质量0.8kg)、气动元件的有效活动距离L＝220mm、气动元件的数量N＝1；

S2、选取时间步长Δt＝0.001ms，根据初始化时刻t气动元件内气体状态，通过Δt时间内气源向气动元件内输入的气体质量确定t+Δt时刻气动元件内气体状态，所述气体状态为气体的温度、压力、质量和容积：

气动元件内气体容积随着有效载荷运动而变化，t+Δt时刻气体的容积V(t+Δt)＝9498×10^-6×S(t+Δt)+14540×10^-9，S是有效载荷移动距离；

t+Δt时刻气动元件内的气体质量m(t+Δt)＝m(t)+5470.8×1×10^-6×P₀×5.76×10^-6×u(t)/290，u是气体由气动元件入口进入气动元件的流动速度，(仅当P_j/P₀＞0.528时成立，否则u＝c)，c是当地音速；P_j为气动元件内的气体静压力，则t+Δt时刻气动元件内的气体静压力P_j(t+Δt)＝R₀×T(t)×m(t+Δt)/V(t+Δt)，R₀是气体状态常数；

t+Δt时刻气动元件内的气体总压力为P(t+Δt)＝P_j(t+Δt)+0.25×u²(t)×(m(t+Δt)-m₀)/V(t+Δt)，m₀是气动元件内初始气体质量；

t+Δt时刻气动元件内的气体温度T(t+Δt)＝(P_j(t+Δt)/P(t))^0.2857143×T(t)；则由上述公式可求解得到t+Δt时刻气体的温度、压力、质量和体积，进而通过迭代计算可得到本实施中任一时刻气动元件内的气体状态；

S3、根据所述t+Δt时刻气动元件内的气体压力对气动元件的推动力、加速度计算有效载荷的t+Δt时刻的速度及活动距离：

有效载荷的加速度a(t+Δt)＝0.9×(P(t+Δt)-150)×9498×10^-6/14.8；

有效载荷的移动速度ν(t+Δt)＝a(t)×Δt+ν(t)；

有效载荷的移动距离S(t+Δt)＝ν(t)×Δt+S(t)；

S4、判断所述气动元件某一时刻活动距离S是否等于气动元件的有效活动距离L，L为气缸的行程，当气动元件的当前活动距离S等于有效活动距离L＝0.22m时，停止迭代计算，则该时刻为运动结束时刻，则分离系统最终设计速度即为该时刻有效载荷的速度。

S5、调整气体发生器的输出压力值，重复步骤S2-S4，直至得到的最终设计速度满足要求；本实施例中最终确定气体发生器的压力P₀为1.5MPa。

图3是本发明上述实施例中得到的有效载荷的速度曲线，由图3可知，利用本发明所述方法，可获得要求的气动分离速度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种气动分离速度设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、确定系统的初始状态，包括气源输出气体的压力P₀、气源输出气体的温度T₀、气动元件的气体有效作用面积A₀、气动元件内部初始容积V₀、气动元件的进气口径R、有效载荷的质量M₀、气动元件的有效活动距离L和气动元件的数量N，所述系统的气动分离过程为绝热过程，即气体与外界无热量交换，气源输出的气体压力P₀和温度T₀恒定，系统初始化时忽略激波的影响；

S2、选取时间步长Δt，根据初始化时刻t气动元件内气体状态，通过Δt时间内气源向气动元件内输入的气体质量确定t+Δt时刻气动元件内气体状态，所述气体状态为气体的温度、压力、质量和容积；

S3、根据所述t+Δt时刻气动元件内的气体压力对气动元件的推动力、加速度计算有效载荷的t+Δt时刻的速度及活动距离；

S4、判断所述气动元件t+Δt时刻活动距离是否等于气动元件的有效活动距离，若等于则t+Δt时刻为运动结束时刻，则系统最终分离速度即为运动结束时刻有效载荷的速度；若不等于则重复执行步骤S3-S4，根据时间步长Δt继续迭代计算直至找出运动结束时刻；

S5、判断所述运动结束时刻对应的系统最终分离速度是否满足设计要求，若不满足则调整系统可设计参数，重复步骤S2-S4，直到得到的系统最终分离速度满足设计要求。

2.如权利要求1所述的气动分离速度设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，气动元件内气体容积随着有效载荷运动而变化，t+Δt时刻气体的容积V(t+Δt)＝A₀×S(t+Δt)+V₀，S是有效载荷移动距离；t+Δt时刻气动元件内的气体质量m(t+Δt)＝m(t)+5470.8×Δt×P₀×R²×u(t)/T₀，u是气体由气动元件入口进入气动元件的流动速度，当P_j/P₀＞0.528时，否则u(t)＝c，c为当地音速，P_j为气动元件内的气体静压力，则t+Δt时刻气动元件内的气体静压力P_j(t+Δt)＝R₀×T(t)×m(t+Δt)/V(t+Δt)，R₀是气体状态常数；t+Δt时刻气动元件内的气体总压力P(t+Δt)＝P_j(t+Δt)+0.25×u²(t)×(m(t+Δt)-m₀)/V(t+Δt)，m₀是气动元件内初始气体质量；t+Δt时刻气动元件内的气体温度T(t+Δt)＝(P_j(t+Δt)/P(t))^0.2857143×T(t)。

3.如权利要求2所述的气动分离速度设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，t+Δt时刻有效载荷的加速度a(t+Δt)＝0.9×(P(t+Δt)-P_w)×A₀/M₀，P_w是外界大气压力；t+Δt时刻有效载荷的移动速度ν(t+Δt)＝a(t)×Δt+ν(t)；t+Δt时刻有效载荷的移动距离S(t+Δt)＝ν(t)×Δt+S(t)。

4.如权利要求1所述的气动分离速度设计方法，其特征在于，所述步骤S5中，可供调整的设计参数为气源的压力、气源压力的上升时间、气源的温度、气动元件的进气口径、有效载荷的质量、气动元件的有效活动距离、气动元件的初始容积和气动元件的数量。

5.如权利要求1所述的气动分离速度设计方法，其特征在于，所述气源为高压气源，包括高压气瓶和气体发生器；气动元件为气缸或气囊，若气动元件为气缸，则其气体有效作用面积为单级气缸的截面积或多级气缸每级的截面积；若气动元件为气囊，则其气体有效作用面尺寸为气囊的面积或气囊对载荷的作用面积。