高速风洞三自由度模型送进机构设计

 甘小明，鲍禄强，陈万华，韩洪伟

 （中国空气动力研究与发展中心，四川  绵阳  621000）

摘要：模型送进机构是风洞的关键部件，其作用是支撑和运送试验模型至试验指定位置，送进机构的运动精度和动态特性直接影响风洞的试验精度。建立送进机构数字样化样机，井对机构进行有限元、动力学的仿真分析。仿真结果表明送进机构满足各项技术指标。

关键词：风洞；三自由度；送进机构中图分类号：TP391.7：V211. 74  

0  引言

 高速风洞是航空航天飞行器研制的基础性地面模拟试验设备。模型送进机构是高速风洞必不可少的关键部件，其作用是将试验模型快速准确地运送到风洞试验所指定位置，模型送进机构的运动精度和动态特性直接影响风洞试验数据的精确度和重复性。

1模型送进机构结构方案

1.1  总体结构方案

 模型送进机构安装在风洞试验段底板上，具有升降（y向机构）、平移（X向机构）及俯仰（迎角机构又称a机构）3个自由度，3个自由度采用串联布置，其中最里层为a机构、中间层为Y向机构、最外层为X向机构。3个自由度均采用伺服油缸驱动、精密滚珠导轨导向的布局方式，其中X、Y向为直线导轨，a向为弧形导轨。该布局具有传动简单、结构紧凑、承载能力强、运动精度高、各自由度运动独立不耦合的特点。模型送进机构总体结构示意图如图1所示。

1.2  驱动方式的选择

 3个自由度驱动均采用中间无过渡环节的伺服液压缸直接驱动。液压驱动与电机驱动相比，具有以下优点：①功率-重量比大，在同样功率的控制系统中，液压系统体积小、重量轻；②力矩-惯量比大，一般液压驱动的力矩惯量是同容量电机的10倍～20倍，因此液压系统具有产生加速度大、时间常数小、响应速度快的优良动态性能；③液压伺服系统抗负载刚度大，输出位移受负载变化影响小，运动传递均匀平稳，负载变化时速度稳定、定位准确，控制精度高；④由于该套机构运行在真空环境中，伺服电机在真空环境运行将会产生散热困难及稀薄气体放电等情况，而液压伺服油缸可运行在高真空环境中；⑤风洞试验时所采集的

数据信号较为微弱，若采用大功率伺服电机将对试验数据信号产生电磁干扰，从而影响试验数据的准确性和真实性。

2迎角机构动力学分析

 X、Y向机构均为直线运动，其速度和推（拉）力较易确定，而a机构运动轨迹为圆弧，其重心随运动轨迹变化而变化，故伺服油缸推（拉）力也是变化的，因此有必要对其进行运动学和动力学分析，以确定油缸推（拉）力变化曲线。

 在动力学分析软件ADAMS中建立迎角机构运动学分析模型，迎角机构俯仰角为00、正攻角、负攻角时的极限运动位置如图2所示。对机构运动部件添加相应的运动副，即为弧形导轨施加固定副、在弯刀支板与导轨间施加旋转副、在油缸活塞杆与弯刀支板间施加旋转副、在油缸活塞杆与缸筒间施加滑动副、在油缸缸筒与油缸座间施加旋转副、为油缸座添加固定副。迎角机构动力学模型中共有8个移动部件、3个旋转副、1个移动副、5个固定副。

  应用ADAMS动力学分析软件在油缸缸筒与活塞杆间滑动副上施加运动，得出油缸推（拉）力曲线，如图3、图4所示。

  为验证动力学分析软件计算油缸推（拉）力的正确性，利用解析法对油缸推（拉）力进行校核计算。在不计摩擦力的情况下，根据图5计算迎角机构00攻角时的油缸推（拉）力。根据力矩平衡原理，有：

3模型送进机构有限元分析

  有限元分析是目前解决工程问题最有效、最可靠、最简便的方法之一。通过有限元分析，可以得到复杂结构的刚强度及动态特性，设计人员可根据有限元计算结果对结构进行优化。

 运用MSC公司Patran软件对风洞模型送进机构三维模型进行简化及网格划分，网格大小为40，单元类型为Tet 10，共划分Tetl0单元50 471个，节点800 820个，1个MPC。根据模型送进系统运行情况设置边界条件：X向导轨安装面和X向油缸安装面移动和转动的6个自由完全约束；在重力及模型旋转中心处施加气动载荷。通过NASTRAN求解器，得到模型送进机构应力及变形云图，见图6、图7。通过对模型送进机构进行模态分析，得到机构前6阶振型云图及其对应的频率，见图8和表1。

 由图6～图8和表1可知，模型送进机构最大应力为62.9 M Pa，位于迎角机构弯刀支板前端，机构整体应力水平较低；最大变形为0. 94 mm，位于弯刀支板末端，变形量对模型送进机构的运行精度影响较小；模型送进机构振型以弯刀支板偏转为主，频率与风洞内的气流激励频率相差超过20%，不会发生共振。

4结论

 高速风洞三自由度模型送进机构采用紧凑的串联布局，以高精度、大载荷的液压伺服油缸作为各自由度的驱动，通过对迎角机构动力学分析及模型送进机构整体有限元分析，得到了迎角机构油缸驱动力曲线及模型送进机构的应力应变及模态结果。模型送进机构实际运行情况和试验表明，机构的各项技术指标满足设计及使用要求。