风洞颤振试验速压制动装置计算分析

曲明 张国友 董国庆 于金革

摘要：速压制动装置是风洞颤振试验的保护装置，文中通过对其进行运动学分析，计算归纳出了机构在工作过程中的运动规律，并且对机构的薄弱件进行了柔性分析，保证了机构运行的安全性，从而为研发速压制动装置提供了理论依据和设计基础。

关键词：速压制动装置；运动学分析；柔性分析

目前飞机多数采用薄型机翼带有外挂物的结构形式，这样的设计在解决某些气动问题的同时，使得飞机机翼等部分原本就存在的结构变形问题更加严重，由于飞机的结构变形能改变其颤振特性，因此要在风洞中进行颤振试验以确定弹性影响。

飞机模型在风洞进行颤振试验过程中，当气流速度逐渐接近预计的临界颤振速度时，通过弹性支撑方式使得模型激振以测量模型的颤振模态等重要参数，剧烈的颤振可能造成模型局部毁坏，脱落部分将会对风洞造成破坏，因此在风洞的试验段安装速压制动装置，在预见到危险时，该机构可以在极短时间内将风速降下来，从而减小模型的振幅，保护风洞不受损坏。

1.速压制动装置结构简介

按照某风洞尺寸及模型试验参数要求，速压制动装置由4块翼型阻流板构成，结构简图如图1所示，采用液压系统提供动力，驱动机构原动件即滑块按照预定的位移-时间曲线在导轨上运动，通过偏置曲柄滑块机构带动曲柄即翼型阻流板旋转，从而逐渐增大风洞截流面积，达到短时间内降低风速的目的。

图1 速压制动装置结构简图

2.运动学分析

该装置传动机构采用偏置曲柄滑块形式，为简化计算，将一个曲柄滑块机构分离出来进行计算分析，机构运动简图如图2所示。

图2 偏置曲柄滑块机构运动简图

滑块为原动件，曲柄为从动件，运动学分析过程中，按逆运动求解原动件的运动规律，曲柄匀速旋转，转动90°的时间定为0.3秒，则曲柄转动速度：

(1)位移分析

该机构的封闭矢量方程式为：

（2）速度分析

將位移方程对时间求导数得：

（3）加速度分析

将速度方程对时间求导数得：

上式展开取实部得：

原加速度方程展开取虚部得：

由以上公式得出原动件的位移函数：

3.解析解与仿真结果对比验证

由于阻流板翻转90°时间设定为0.3秒，所以ADAMS仿真时间为0.3秒，在时间终点t=0.3秒时，验证位移、速度两个参数的解析解与仿真结果的吻合度。

在偏置曲柄滑块机构当中，曲柄长度为300mm，偏心距为450mm，图解法可知连杆长度为750mm，t=0.3s时，由运动方程得出如下解析解：

则滑块行程：

传动机构仿真模型各点坐标如图3所示，s-t曲线、 v-t曲线及 曲线分别如图4、图5及图6所示，几组曲线在0.3s数值与解析解相同，由此可以验证运动方程解析解的正确性。

图3 传动机构各点坐标

图4 s-t曲线

图5 v-t曲线

图6曲线

4.柔性分析

动力学分析过程中，将滑块的位移-时间关系以spline曲线形式输入ADAMS，作为原动件的控制曲线，仿真时间设定为0.3s，在仿真中圆锥滚子轴承摩擦因数u取0.005，推力球轴承圆锥滚子轴承摩擦因数u取0.0012，由此计算出的从动件即阻流板旋转速度-时间曲线如图7所示，可见角速度的数值一直稳定于 。

图7 阻流板旋转速度-时间曲线

液压系统需提供的外力-时间曲线如图8所示，由图可知液压缸需提供的最大外力约为1150N。

图8 液压缸提供动力-时间曲线

为考察机构部件在传动过程中的应力状态及分布规律，需要对部件进行有限元分析，可以从静态及动态两方面考虑，从该机构的运行状况可知连杆在0.3s内受力状态发生较大变化，是机构中的薄弱件，因此为全面考察机构的安全性，选择采用动强度分析方法对机构进行仿真模拟，其中薄弱件即连杆设置为柔性体。

刚-柔混合模型计算结果如图9所示，调入ADAMS/DURABILITY模块，将连杆在0.3s运动过程中产生较大应力的10个节点的计算结果信息列表显示，如图10所示，可知连杆运动过程中出现的最大应力约为0.358MPa，节点编号为id43380，柔性体出现较大应力的四个节点在传动过程中的应力-时间曲线如图11所示，可见最大应力均产生于运动初始及结束时刻。

图9 刚-柔混合模型

图10产生较大应力的10个节点信息列表

图11 产生较大应力节点的应力-时间曲线

5.结论

（1）采用解析法计算归纳出了速压制动装置在工作过程中的运动规律，为机构的控制系统设计提供了理论依据和设计基础。

（2）将解析解与仿真结果进行对比，验证了解析解的正确性。

（3）对机构在运动过程中受力状态发生较大变化的薄弱件进行了柔性体分析，保证了机构运行的安全性。

6.参考文献

[1] 李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].国防工业出版社.2008.8：140-145