CN106599401B - 基于摩擦等效和正交实验的可调尾喷管灵活性仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于摩擦等效和正交实验的可调尾喷管灵活性仿真方法，一、对可调尾喷管零部件进行三维建模和装配；二、在三维装配模型的基础上，利用动力学原理建立与可调尾喷管实际运动相符的约束关系；三、采用正交实验法获得优化参数，确定较为准确的动力学模型；四、通过可调尾喷管模型的尺寸公差建立最小极限尺寸、基本尺寸和最大极限尺寸有限元模型，进行有限元数值计算，获得不同尺寸条件下接触力的变化情况，分析尺寸偏差对同步环推力及尾喷管灵活性的影响；利用建立的滑动摩擦系数公式，选取三种不同的表面粗糙度对最小极限尺寸、基本尺寸和最大极限尺寸的动力学模型分别进行动作响应计算，分析表面加工精度对动作响应的影响。

Description

基于摩擦等效和正交实验的可调尾喷管灵活性仿真方法
技术领域
本发明属于先进制造技术的技术领域，具体涉及一种基于摩擦等效和正交实验的可调尾喷管灵活性仿真方法。
背景技术
尾喷管作为导弹推进系统的关键零部件，其主要功能是使燃气膨胀，产生导弹的飞行推力。可调尾喷管为多零件组合装配结构，其运动灵活性决定了扩张和收缩的响应时间，进而影响导弹的机动性能。由此可见，尾喷管动作灵活性对导弹的作战性能影响是至关重要的，为了能够保证可调尾喷管的灵活可靠性，有必要对影响可调尾喷管灵活性的因素进行分析研究。
尾喷管在空中的动作响应是由气体压力差产生的，在生产过程中无法进行地面试验模拟，仅能对装配好的尾喷管进行推力测试。由于缺少理论指导和经验依据，无法通过尾喷管推力测试数据准确评估其灵活性。即使发现尾喷管未能达到灵活性要求，也不能快速对存在的问题进行定位、调试和改进。因此，急需建立尾喷管运动仿真模型，分析尾喷管灵活性影响因素，探究其影响规律，在研制阶段能够利用尾喷管推力预测其灵活性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于摩擦等效和正交实验的可调尾喷管灵活性仿真方法，能够在满足动作响应时间的前提下，对尾喷管进行灵活评估，获得可调式尾喷管同步环推力的取值范围，为地面测试提供检验依据。同时对影响尾喷管灵活性的因素，如尺寸设计公差、制造误差及装配误差等，进行规律性研究，分析其对同步环推力的影响规律，为尾喷管的设计制造及调试提供了理论性指导。
实现本发明的技术方案如下：
步骤一、对可调尾喷管零部件进行三维建模和装配；
步骤二、在三维装配模型的基础上，利用动力学原理建立与可调尾喷管实际运动相符的约束关系；
步骤2.1、建立可调尾喷管扩张运动过程等效阻力矩公式；
步骤2.2、建立可调尾喷管收缩运动过程等效阻力矩公式；
步骤2.3、建立可调尾喷管滑动摩擦系数公式；
步骤三、采用正交实验法获得优化参数，确定较为准确的动力学模型；
步骤四、通过可调尾喷管模型的尺寸公差建立最小极限尺寸、基本尺寸和最大极限尺寸有限元模型，进行有限元数值计算，获得不同尺寸条件下接触力的变化情况，分析尺寸偏差对同步环推力及可调尾喷管灵活性的影响；
利用建立的滑动摩擦系数公式，选取三种不同的表面粗糙度对最小极限尺寸、基本尺寸和最大极限尺寸的动力学模型分别进行动作响应计算，分析表面加工精度对可调尾喷管动作响应的影响。
有益效果：
尺寸公差和表面粗糙度与同步环实测推力关系的建立具有重大意义，该方法的建立使得可调尾喷管在制造环节就看预测同步环的推力，并评估其灵活性。尾喷管动作响应预测将设计、制造、测试环节中的影响因素进行了闭环考虑，建立了完整的尾喷管仿真模型，该方法的运用具有较好的推广价值，能够用于其它产品的设计开发。
1.本发明建立了较为精确的动力学模型，确定了影响尾喷管动作响应的基本因素，获得了建立尾喷管动力学模型的基本方法；
2.本发明在现有测试数据基础上，评估了尾喷管动作响应时间；
3.本发明研究了尾喷管不同尺寸公差和加工表面粗糙度对同步环推力及动作响应时间的影响规律。
附图说明
图1为本发明尾喷管仿真流程。
图2为本发明尾喷管伸展受力分析简图。
图3为本发明尾喷管收缩受力分析简图。
图4为本发明可调尾喷管动力学模型。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明在可调尾喷管三维装配模型基础上建立动力学模型，利用摩擦等效和正交实验综合仿真方法进行参数识别，获得了正确的动力学模型参数。在给定的边界条件下，利用一维流体等熵原理和动力学模型进行动作响应计算；基于讨论尺寸公差和表面粗糙度对调节片和密封片之间摩擦力影响规律，针对尾喷管灵活性进行评估。尾喷管仿真流程如图1所示。包括以下步骤：
步骤一、采用三维UG软件对可调尾喷管零部件进行三维建模和装配；
步骤二、在三维装配模型的基础上，利用动力学仿真软件Adams建立与可调尾喷管实际运动相符的约束关系；
步骤2.1、建立尾喷管扩张运动过程等效阻力矩Me公式；
通过对收敛段和扩张段摩擦力的分析，将密封片与调节片之间的摩擦力分解到调节片上，转化为同步环移动的阻力，具体受力分析简图如图2所示。以尾喷管单组机构为研究对象，列出同步环移动阻力平衡方程：
Figure BDA0001164320220000041
Figure BDA0001164320220000042
Figure BDA0001164320220000043
Figure BDA0001164320220000044
由摩擦力产生的同步环阻力等效为关于点Oc的Me：
Figure BDA0001164320220000045
其中，BuOc为收敛段调节片，BdOc为扩张段调节片，OcP为限位机构，Fyu和Fxu为Bu点作用反力，Fp为限位机构所受的力，Om和Om分别为收敛调节片和扩张调节片的质心，OuOd为尾喷管中轴线，f′u为收敛段调节片垂直方向所受的摩擦力，f′d为扩张段调节片垂直方向所受的摩擦力。
步骤2.2、建立尾喷管收缩运动过程等效阻力矩Me公式；
同扩张运动分析类似，将密封片与调节片之间的摩擦力分解到调节片上，转化为同步环移动的阻力，具体受力分析简图如图3所示。建立尾喷管单组构件平衡方程：
Figure BDA0001164320220000046
Figure BDA0001164320220000047
Figure BDA0001164320220000048
Figure BDA0001164320220000049
由摩擦力产生的同步环阻力等效为关于点Oc的等效阻力矩Me：
Figure BDA0001164320220000051
步骤2.3、建立滑动摩擦系数公式；
由于对象接触力相对较小，接触表面间距未达到分子能作用的距离，摩擦力将随着粗糙度值的增大而增大，其变化趋势为指数增长，将其表达式为：
Figure BDA0001164320220000052
摩擦系数为：
Figure BDA0001164320220000053
步骤三、采用正交实验法获得优化参数，确定较为准确的动力学模型；
动力学模型需要确定的输入变量包括接触属性、弹簧机构，以及构件之间发生的动摩擦和静摩擦系数。采用正交实验法进行数值模拟试验，获得输入变量对同步环推力的影响关系，影响同步环推力的因素包括接触关系中的力指数e、接触刚度k和接触阻尼d，弹簧机构中弹簧预载荷P、弹簧刚度K和弹簧阻尼系数C。根据标准正交表进行计算，采用同步环推力的残差率ε作为评价指标(如公式13所示)，得出上述六种因素对残差率的影响规律(如表1所示)，正交试验最优参数如表2所示。
Figure BDA0001164320220000054
其中，Fei与F′ai分别为在特定位置的仿真数据和试验数据，n为试验数据定数量。
表1正交试验结果ε/％
Figure BDA0001164320220000055
Figure BDA0001164320220000061
表2正交试验最优参数
Figure BDA0001164320220000062
步骤四、通过可调尾喷管模型的尺寸公差建立最小极限尺寸、基本尺寸和最大极限尺寸有限元模型，进行有限元数值计算，获得不同尺寸条件下接触力的变化情况，分析尺寸偏差对同步环推力及尾喷管灵活性的影响；
利用建立的表面粗糙度与摩擦系数的关系，选取三种不同的表面粗糙度对最小极限尺寸、基本尺寸和最大极限尺寸的动力学模型分别进行动作响应计算，分析表面加工精度对动作响应的影响。
在动力学建模过程中，为了既能考虑零件间的相互作用又能提高计算效率，本文将零件间相互作用产生的摩擦阻力等效为扭簧约束，在此基础上进行刚体动力学计算，建立的动力学模型。该模型参数主要包括了弹簧机构参数，扭簧参数和接触构件间的接触属性参数，其中扭簧参数是为了提高可操控性。这种处理方法既兼顾了刚柔耦合动力学计算的优点，解决了非确定性约束刚柔耦合动力学计算难题，在保证计算精度的前提下提高了计算效率，为今后尾喷管设计提供了理论指导。
为了获得正确的动力学模型，通过如下方法确定扭簧、接触属性和弹簧机构的基本参数。
1.摩擦等效方法：将调解片与密封片之间的相互摩擦阻力与扭簧建立关系，利用动力学模型运动学关系确定调节片和密封片之间摩擦力的作用方向，通过摩擦系数模型和有限元数值计算获得其摩擦力，在对扩张和收缩运动受力分析的基础上确定扭簧的基本参数。
2.正交试验法：在扭簧参数确定的基础上，采用正交实验法选取有代表性水平组合进行数值模拟试验，结合同步环推力试验数据识别接触及弹簧机构的基本参数。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于摩擦等效和正交实验的可调尾喷管灵活性仿真方法，其特征在于，在可调尾喷管三维装配模型基础上建立动力学模型，利用摩擦等效和正交实验仿真方法进行参数识别，获得了正确的动力学模型参数；在给定的边界条件下，利用一维流体等熵原理和动力学模型进行动作响应计算；基于讨论尺寸公差和表面粗糙度对调节片和密封片之间摩擦力影响规律，针对尾喷管灵活性进行评估，具体包括以下步骤：
步骤一、对可调尾喷管零部件进行三维建模和装配；
步骤二、在三维装配模型的基础上，利用动力学原理建立与可调尾喷管实际运动相符的约束关系；
步骤2.1、建立可调尾喷管扩张运动过程等效阻力矩公式；
步骤2.2、建立可调尾喷管收缩运动过程等效阻力矩公式；
步骤2.3、建立可调尾喷管滑动摩擦系数公式；
步骤三、采用正交实验法获得优化参数，确定较为准确的动力学模型；
步骤四、通过可调尾喷管模型的尺寸公差建立最小极限尺寸、基本尺寸和最大极限尺寸有限元模型，进行有限元数值计算，获得不同尺寸条件下接触力的变化情况，分析尺寸偏差对同步环推力及可调尾喷管灵活性的影响；
利用建立的滑动摩擦系数公式，选取三种不同的表面粗糙度对最小极限尺寸、基本尺寸和最大极限尺寸的动力学模型分别进行动作响应计算，分析表面加工精度对可调尾喷管动作响应的影响。
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