CN110472319A - 一种叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于发动机反推力装置设计技术领域，涉及一种叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法。所述方法包括确定叶栅式反推力装置的各部件运动关系及叶栅式反推力装置工作工程中的受载；确定叶栅式反推力装置各部件的相对坐标；对叶栅式反推力装置各部件施加约束；按照行程步长依次对受载面进行载荷加载，利用阻流门下边缘中间点的约束反力及力矩来等效作用在阻流门表面的分布气动载荷；对按步长得到的离散载荷进行插值，得到随反推力行程变化的载荷曲线；对作用于所述阻流门上的作动筒添加驱动；以及进行仿真解算输出。本申请能够获取反推运动机构在工作过程中的运动特性和载荷传递特性，使设计的改进工作得到充分的数据支撑。

Description

一种叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法

技术领域

本申请属于发动机反推力装置设计技术领域，特别涉及一种叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法。

背景技术

由于现代运输机的运载能力不断增加，飞行速度也不断提高，其起飞和着陆时所需要的滑跑距离越来越长。运输机有多种常用的减速方式，其中具有很多优势的发动机反推力装置在军用、民用运输机中都得到了最广泛的应用。

反推力装置是一个由复杂多并联空间机构组成的集群空间机构，结构复杂，涉及性能参数、部件数量众多，达到几百个部件，构建精确多刚体动力学模型，是一件非常困难的任务。现阶段针对反推开展的大部分动力学特性研究依赖于地面试车试验，而试车实验周期长、成本高，同时还很难通过试车试验获取反推力装置运动机构各个环节的受载和传力特性，这严重制约了对产品性能的全方位认识，同时也使设计的改进工作缺乏充分的数据支撑。

以往对反推力装置的研究主要集中于有限状态的静态受载分析，未发现对反推装置的动力学研究的资料和专利。

发明内容

为解决上述问题，本申请提供了一种叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法，包括：

步骤S1、确定叶栅式反推力装置的各部件运动关系及叶栅式反推力装置工作工程中的受载，所述受载包括阻流门通过翻转改变排气方向过程中承受的作用在阻流门上的气动载荷；

步骤S2、确定叶栅式反推力装置各部件的相对坐标；

步骤S3、对叶栅式反推力装置各部件施加约束；

步骤S4、按照行程步长依次对受载面进行载荷加载，利用阻流门下边缘中间点的约束反力及力矩来等效作用在阻流门表面的分布气动载荷；

步骤S5、对步骤S4按步长得到的离散载荷进行插值，得到随反推力行程变化的载荷曲线；

步骤S6、对作用于所述阻流门上的作动筒添加驱动；以及

步骤S7、进行仿真解算输出。

优选的是，所述步骤S1中确定叶栅式反推力装置的各部件运动关系包括：

移动外罩相对主承力框架的平动；阻流门相对于移动外罩的偏转；拉杆相对阻流门的转动以及拉杆相对主承力框架的转动。

优选的是，步骤S2中，确定叶栅式反推力装置各部件的相对坐标包括：

将所述反推力装置搭建为一种树状结构，并确立部分设计铰点的位置；

依据零件的尺寸确定下一级坐标位置和方位；

依此类推，逐级确立主干、枝叶上各零件的相对坐标。

优选的是，所述步骤S3中，进一步包括进行过约束消除，所述过约束消除包括：

使用基础副代替高级副；或者使用单一约束形式代替无法简化的基础副。

优选的是，步骤S4进一步包括：

将所述阻流门下边缘中间点作为参考节点，将阻流门的气动面与所述参考节点予以刚性耦合，约束所述参考节点的六个自由度，同时在阻流门的来流面上施加分布的气动载荷，得到所述参考节点的约束反力，即得到气动载荷的等效约束反力及力矩。

优选的是，步骤S6中，对作用于所述阻流门上的作动筒添加驱动包括仅对作用于阻流门上的中间作动筒添加驱动。

优选的是，中间作动筒添加驱动包括：

添加“-((移动外罩行程/2)*sin(pi*time/2-pi/2)+(移动外罩行程/2))”的位移控制规律。

优选的是，所述步骤S1还包括对模型进行简化处理，所述简化处理包括：

将主承力框架上除作为作动筒运动前铰点的安装座、及涉及接触运算的主、辅导轨衬套之外的其他零组件合并；

将移动外罩上共同进行沿反推轴线平动的承力框、外涵外壁及外壳体零组件合并；

将阻流门、拉杆、转接件、作动筒前铰点及主辅导轨盖板、衬套分别作为单独的整体。

本申请的发明点及关键点在于：

反推力装置动力学仿真模型树状结构的建立；

反推力装置动力学仿真模型过约束的消除；

反推力装置动力学仿真模型载荷的等效及插值。

通过本申请涉及的仿真分析方法对反推进行动力学仿真分析，获取反推运动机构在工作过程中的运动特性和载荷传递特性，提高了对产品性能的全方位认识，同时也使设计的改进工作得到充分的数据支撑。

附图说明

图1是本申请叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法的一优选实施例的流程图。

图2是本申请反推力装置收起状态示意图。

图3是本申请反推力装置工作状态示意图。

图4是本申请反推力装置工作状态下结构立体图。

图5是本申请所建模型过程中各部件之间的关系示意图。

图6是本申请消除过约束前的模型约束关系。

图7是本申请消除过约束后的模型约束关系。

图8是本申请阻流门气动载荷等效示意图。

图9是本申请阻流门气动载荷等效简化流程图。

图10是本申请阻流门等效载荷插值流程图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。

本申请提供了一种叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法，包括：

步骤S1、确定叶栅式反推力装置的各部件运动关系及叶栅式反推力装置工作工程中的受载，所述受载包括阻流门2通过翻转改变排气方向过程中承受的作用在阻流门2上的气动载荷；

步骤S2、确定叶栅式反推力装置各部件的相对坐标；

步骤S3、对叶栅式反推力装置各部件施加约束；

步骤S4、按照行程步长依次对受载面进行载荷加载，利用阻流门2下边缘中间点的约束反力及力矩来等效作用在阻流门2表面的分布气动载荷；

步骤S5、对步骤S4按步长得到的离散载荷进行插值，得到随反推力行程变化的载荷曲线；

步骤S6、对作用于所述阻流门2上的作动筒添加驱动；以及

步骤S7、进行仿真解算输出。

结合图1，对本申请的一优选实施例进行说明。

1、分析反推力装置装配关系、受载状况、运动机理

如图2-图4所示，反推力装置主要由左右各三组作动筒、左右各一组移动外罩、左右各一组主承力框架及左右各五组阻流门-拉杆组件等组成，图2为反推力装置收起状态示意图，图3及图4为反推力装置工作状态示意图，箭头表示气流流动方向。叶栅式反推力装置工作过程运动，主要包括移动外罩3相对主承力框架1的平动(通过主、辅导轨)、阻流门2相对移动外罩3的偏转、拉杆4相对阻流门2的转动、拉杆4相对主承力框架1的转动等。

叶栅式反推力装置工作过程受载，主要为阻流门通过翻转改变排气方向过程中承受的作用在阻流门上的气动载荷。载荷输入为反推力装置在不同展开行程下，即由图2至图3的转变过程中，作用在阻流门迎风面的分布力。

可以理解的是，反推收起时，运动机构状态与展开状态的运动机理相反。

2、模型简化处理

为降低仿真模型规模，去除冗余运算。需根据反推力装置运动机构各部件设计状态的相对运动关系，将各构件间进行必要的合并简化。处理原则如下：

1)将主承力框架1上除作为作动筒运动前铰点的安装座、及涉及接触运算的主、辅导轨衬套之外的其他零组件合并；

2)将移动外罩3上共同进行沿反推轴线平动的承力框、外涵外壁及外壳体等零组件合并；

3)将阻流门2、拉杆4、转接件、作动筒前铰点及主辅导轨盖板、衬套分别作为单独整体处理。

3、添加部件相对坐标

反推力装置需要添加的约束和相对坐标点众多，为准确高效的建立仿真模型，需将整个反推搭建为一种树状结构，确立若干设计铰点的准确位置后，再依据零件的尺寸确定下一级坐标位置和方位，依此类推，逐级确立主干、枝叶等零件上的相对坐标，而约束的具体方位则取决于用来定义该约束的相对坐标点的位置和方向。

第2步及第3步确定的部件及部件之间的关系如图5所示。

以全局坐标系的全局作为基准点，使用LOC_RELATIVE_TO函数和ORI_RELATIVE_TO函数来完成相对坐标的位置和方向的设置，然后以这些点向前推进直至全部相对坐标点建立完毕。

4、施加部件约束

相对坐标点添加完成后可在其基础上施加约束，定义完一组相对坐标后向其所属部件间施加约束。反推力装置运动机构约束关系复杂，包含转动副、球副、滑动副、点线接触等多种不同约束。其中部分部件间约束关系相同：

1)“移动外罩-阻流门-转接件-拉杆-主承力框架”间约束关系一致；

2)“移动外罩-作动筒-主承力框架”间约束关系一致；

3)“上下主、辅导轨-导轨衬套”间约束关系一致。

对约束关系一致的部件间，可做约束重复处理。

5、约束关系调整

反推力装置运动机构是高度复杂的多回路空间机构，如按实际设计状态约束，会产生很多过约束。

图6为反推装置实际约束下机构简图，机构不仅形成了封闭回路，而且是环中套环的复杂约束结构，会产生大量的过约束关系。

消除过约束前的模型约束关系如图6所示。

需要在保证运动规律的基础上，合理的释放机构自由度，准确反映运动机构运动关系和载荷传递特性。过约束的主要消除原则如下：

a)使用基础副代替高级副；

b)使用接触等单一约束形式代替无法简化的基础副；

c)根据系统提示过约束方式定位过约束。

消除过约束后的模型约束关系如图7所示。

6、载荷转化

阻流门是板筋结构，受载面是弧形面而非平面，非受载面又分布着不均匀的加强筋，采用单层的六面体网格进行划分。

反推力装置运动过程中，运动机构主要承受作用在阻流门2上的气动载荷，本方法借助有限元法，按照行程步长依次对受载面加载，利用阻流门2下边缘中间点的约束反力、力矩来等效作用在阻流门2表面的分布气动载荷。

如图8所示，将处理好的阻流门2网格小弧端中点设置一个参考节点，将气动面与该参考节点用MPC BEAM予以刚性耦合，约束参考节点的六个自由度，同时在阻流门2的来流面上采用施加分布的气动载荷，得到参考节点的约束反力及力矩就是气动载荷的等效约束反力、力矩，计算过程如图9所示。

7、载荷插值

按以上方法得到的等效约束反力、力矩，是反推展开行程按一定步长离散的载荷，无法直接调用。所以需将不同阻流门上六个方向离散的载荷，按状态空间插值成随反推行程变化的Spline曲线。

借助移动外罩行程变化规律就可确定其所处的位置，根据反推力装置关键运动构件的位置在典型状态空间中进行插值计算，将得到的随反推力装置不同展开行程离散的集中力和力矩，转化为获取任意行程下气动载荷等效集中力、力矩。

首先在反推力装置多刚体动力学模型的阻流门等效载荷点上添加相应的GForce来模拟气动流的载荷，该GForce载荷需要对每个阻流门六个方向的受载，载荷计算结果的坐标选取应与运动机构仿真模型中，阻流门等效作用相对坐标点一致，保证载荷等效的有效性，其次，采用非等距差值的形式，将载荷数据拟合成Spline曲线，按状态空间进行插值运算来调用AKISPL子程序对应载荷Spline曲线来获取，最终完成载荷的实际加载来模拟气动载荷。具体插值流程如图10。

8、驱动添加

实际反推力装置驱动来自于左右部分的所有作动筒，但是由于在模型中对每个作动筒都添加驱动，会产生过约束，故只在中间作动筒上添加位移控制规律“-((移动外罩行程/2)*sin(pi*time/2-pi/2)+(移动外罩行程/2))”，该运动驱动保证了作动筒在初始时刻的位移和速度为0，既有效避免了动力学的瞬时极大过载，又确保了计算的平稳性。

9、解算输出

通过以上步骤，可输出以下结果：

1)拉杆、阻流门等主要运动构件随反推行程变化的实时位置及变化规律；

2)拉杆、阻流门等主要运动构件随反推行程变化的实时速度及变化规律；

3)拉杆、阻流门等主要运动构件随反推行程变化的实时加速度及变化规律；

4)拉杆、阻流门等主要运动构件随反推行程变化的实时干涉监测情况；

5)拉杆、阻流门等主要运动构件随反推行程变化的实时载荷及变化规律；

6)反推力装置运动机构工作状态载荷传递路径；

7)反推力装置运动机构全行程状态正常工作所需的驱动负载；

8)反推力装置阻流门上气动力作用压心位置随反推行程变化情况；

9)反推力装置展开-收起过程三维仿真动画。

本申请首次确立了反推力装置的结构拓扑关系，并基于树状拓扑关系构建了反推力装置的多刚体动力学模型；

本申请采用有限状态的分布气动载荷等效简化为集中力和集中力矩，并利用状态空间的插值计算获取了反推力装置展开/收起(包含过渡态)过程中的载荷变化特性；

本申请采用反推力装置多刚体动力学模型仿真，得到了机构的动力学和受载特性，获取了拉杆、阻流门、作动系统等运动机构的运动和受载特性，为结构设计和动力选配提供了重要依据。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法，其特征在于，包括：

步骤S1、确定叶栅式反推力装置的各部件运动关系及叶栅式反推力装置工作工程中的受载，所述受载包括阻流门(2)通过翻转改变排气方向过程中承受的作用在阻流门(2)上的气动载荷；

步骤S2、确定叶栅式反推力装置各部件的相对坐标；

步骤S3、对叶栅式反推力装置各部件施加约束；

步骤S4、按照行程步长依次对受载面进行载荷加载，利用阻流门(2)下边缘中间点的约束反力及力矩来等效作用在阻流门(2)表面的分布气动载荷；

步骤S5、对步骤S4按步长得到的离散载荷进行插值，得到随反推力行程变化的载荷曲线；

步骤S6、对作用于所述阻流门(2)上的作动筒添加驱动；以及

步骤S7、进行仿真解算输出。

2.如权利要求1所述的叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法，其特征在于，所述步骤S1中确定叶栅式反推力装置的各部件运动关系包括：

移动外罩(3)相对主承力框架(1)的平动；阻流门(2)相对于移动外罩(3)的偏转；拉杆(4)相对阻流门(2)的转动以及拉杆(4)相对主承力框架(1)的转动。

3.如权利要求1所述的叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法，其特征在于，步骤S2中，确定叶栅式反推力装置各部件的相对坐标包括：

将所述反推力装置搭建为一种树状结构，并确立部分设计铰点的位置；

依据零件的尺寸确定下一级坐标位置和方位；

依此类推，逐级确立主干、枝叶上各零件的相对坐标。

4.如权利要求1所述的叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法，其特征在于，所述步骤S3中，进一步包括进行过约束消除，所述过约束消除包括：

使用基础副代替高级副；或者使用单一约束形式代替无法简化的基础副。

5.如权利要求1所述的叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法，其特征在于，步骤S4进一步包括：

将所述阻流门(2)下边缘中间点作为参考节点，将阻流门(2)的气动面与所述参考节点予以刚性耦合，约束所述参考节点的六个自由度，同时在阻流门(2)的来流面上施加分布的气动载荷，得到所述参考节点的约束反力，即得到气动载荷的等效约束反力及力矩。

6.如权利要求1所述的叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法，其特征在于，步骤S6中，对作用于所述阻流门(2)上的作动筒添加驱动包括仅对作用于阻流门(2)上的中间作动筒添加驱动。

7.如权利要求6所述的叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法，其特征在于，中间作动筒添加驱动包括：

添加“-((移动外罩行程/2)*sin(pi*time/2-pi/2)+(移动外罩行程/2))”的位移控制规律。

8.如权利要求1所述的叶栅式反推力装置多刚体动力学仿真分析方法，其特征在于，所述步骤S1还包括对模型进行简化处理，所述简化处理包括：

将主承力框架上除作为作动筒运动前铰点的安装座、及涉及接触运算的主、辅导轨衬套之外的其他零组件合并；

将移动外罩上共同进行沿反推轴线平动的承力框、外涵外壁及外壳体零组件合并；

将阻流门、拉杆、转接件、作动筒前铰点及主辅导轨盖板、衬套分别作为单独的整体。