防波板连杆机构启闭过程动态优化设计.pdf
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1、第4 8 卷第1期2024年1月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.020液压与气动Chinese Hydraulics&Pneumatics防波板连杆机构启闭过程动态优化设计Vol.48 No.1January.2024王闻航,储景瑞,卢古超?,陈伟,杨钢(1.华中科技大学机械科学与工程学院FESTO气动中心,湖北武汉4 30 0 7 4;2.中国舰船研究设计中心,湖北武汉4 30 0 6 4)摘要:随着潜航器功能的复杂化,其内部可用空间高度紧张,可携带的能源受到极大的限制。为减少潜航器防波板启闭机构能源消耗及空间尺寸,针对防波板启闭机构开展了受力状态
2、分析,基于Fluent仿真分析了防波板开启过程中所受的水动力,得到防波板水动力-开度函数,由此搭建了防波板启闭机构ADAMS动力学模型,基于控制变量法分析了不同结构参数条件下,防波板启闭全过程所需驱动力矩的变化规律,得出了使得防波板启闭全过程驱动力矩较小的结构参数。结果表明:采用优化结构参数后,其最大驱动力矩减小为8.8 12 kNm,较现有结构最大驱动力矩(17.934 kNm)减少了5 0.8 6%,优化效果较为显著。工作综合考虑了防波板启闭全过程中的动态受力情况,并优化得出了防波板启闭全过程驱动力矩均较小的结构参数,该方法对同类结构的全过程动态设计有借鉴意义。关键词:防波板机构;Flue
3、nt;ADAMS;动态优化设计中图分类号:TH137;TH13文献标志码:BDynamic Optimization Design of the Opening and Closing Process ofthe Connecting Rod Mechanism of a ShutterWANG Wen-hang,CHU Jing-rui,LU Chao,CHEN Wei,YANG Gang(1.FESTO Pneumatics Centre,School of Mechanical Science&Engineering,Huazhong University of Science&Tech
4、nology,2.China Ship Development and Design Center,Wuhan,Hubei 430064)Abstract:With the complexity of the functions of submersibles,the available space inside is highly limited,andthe energy that can be carried is greatly limited.In order to reduce the energy consumption and space size of theopening
5、and closing mechanism of the submersible anti-wave board,the stress state analysis was carried out for theopening and closing mechanism of the anti-wave board.The ADAMS dynamic model of the opening and closingmechanism of the anti-wave board was established by combining the hydrodynamic-opening func
6、tion of the anti-waveboard,and the variation law of the driving torque required for the whole process of the opening and closing of theanti-wave board was analyzed under the conditions of different structural parameters.According to the controlvariable method,the structural parameters that make the
7、driving torque smaller in the whole process of opening andclosing of the anti-wave board are obtained.The results show that:after adopting the optimized structureparameters,the maximum driving torque is reduced to 8.812 kN m,which is 50.86%lower than the maximumdriving torque of the existing structu
8、re(17.934 kN m),and the optimization effect is more significant.The workof this paper comprehensively considers the dynamic force in the whole process of opening and closing of the anti-收稿日期:2 0 2 2-0 2-2 3作者简介:王闻航(1999一),男,重庆人,硕士研究生,主要从事流体传动与控制领域的研究工作。3文章编号:10 0 0-4 8 5 8(2 0 2 4)0 1-0 16 5-0 7Wuha
9、n,Hubei 430074;修回日期:2 0 2 3-0 7-0 4166wave board,and optimizes the structural parameters with small driving torque in the whole process of opening andclosing of the anti-wave board.This method is suitable for the whole process dynamic design of similar structuresInstructive.Key words:anti-wave plate
10、 mechanism,Fluent,ADAMS,dynamic optimization design引言防波板位于潜航器表面,航行时可保持航行器流线外形,以减小阻力 而工作时,需开启防波板,以保证工作空间。由于潜航器内部空间十分紧张,需对某现有防波板启闭机构进行优化 2 ,减小其开启过程中的最大驱动力矩 3,从而降低防波板机构驱动器尺寸,同时降低开启功率,减少启闭过程的能源消耗。防波板启闭机构由电机驱动,通过连杆机构传递动力,驱动防波板开启和关闭。对于连杆机构中力矩优化的研究 4-7 较多,刘杰等 8 对载具连杆机构展开状态下的力矩进行了优化,优化后力矩下降6 0%,取得较好优化效果。但目前
11、对于连杆机构运动全过程的优化研究较少,全过程动态优化 9 即综合考虑整个运动过程的受力、力矩变化,能够在一定程度上提高优化效果。本研究对防波板的启闭连杆机构进行全过程动态优化设计,以启闭过程中所需的最大驱动力矩为优化目标,结合Fluent流体仿真 10 获得启闭过程防波板所液压与气动(2)防波板启闭过程中无死点。由上述约束条件分别得B,C两点坐标的约束方程如式(1)、式(2)所示,式中单位为mm。ry。2.335 4 x。-12 6.5 8 0 6(x。2 0.2 2)y。-1.6 13x。-2 6 5.7(x。2 0.2 2)Lyc-367.04(yAl-y.)cos(-40)+(xAr-x
12、。)s i n(-4 0)YB(xA1-x.)cos(-40)-(yAl-ye)sin(-40)(xB-xc)+yeyB -0.8474xg-91.75B点约束范围关闭状态曲柄初始位置AX第4 8 卷第1 期(1)(2)机构初始状态机构开启状态约束范围防波板B受负载力的开度-水动力函数,通过ADAMS建立动力学仿真模型以获取驱动力矩变化特性 ,最后通过控制变量法实现了目标力矩优化。1防波板启闭装置结构与约束防波板启闭装置三维结构如图1所示,通过四杆机构带动防波板完成启闭动作。图1防波板启闭装置三维模型Fig.1 3D model of shutter opening and closing d
13、evice机构的平面示意图如图2 所示。启闭连杆机构曲柄OA杆初末位置固定,连杆BC与防波板固连,防波板绕C点旋转4 0 即ZBCB1。优化参数为铰接点B与铰接点C横纵坐标。机构的约束条件为:(1)防波板开启后需满足工作空间;开启状态A1曲柄末端位置图2 平面连杆机构示意图Fig.2 Schematic diagram of planar linkage mechanism由该方程组,可得出点和B点的约束范围,分别如图2 三角形阴影和四边形阴影所示。由于运动过程中,杆长应保持不变,以C点为坐标原点推导得到B点横纵坐标限制关系,如式(3)所示:XA1COS40+yA1sSin40-xAxRYB=
14、xA1 in40-yA1COs40+yA欢-+次-A2(xA sin40-yArCos40+yA)由式(3)可知,当A,A1,C点位置确定时,B点横纵坐标满足线性关系,如图2 所示。2防波板负载力数值计算为确定驱动力大小,需首先计算防波板所受负载力,而在航行过程中,防波板所受的负载力近似认为等于航行过程中的水动力。放大C点约束范围X+(3)2024 年第 1 期2.1计算模型本研究以防波板为研究对象,基于Fluent开展水动力仿真分析。为真实模拟海水流过防波板的状况,对防波板及附近的部分潜航器结构进行数值计算,计算模型如图3所示。划分网格约为16 0 万个并验证了网格无关性 12 ,计算模型设
15、定为k-s中的RNG流模型 13O压力出口a)Schematic diagram of watershed model防波板b)Schematic diagram of submersible vehicle model图3流体计算模型Fig.3 Fluid computational model为综合考虑防波板启闭全过程的负载力,将防波板绕旋转点C开启角度从0 5 0 均分为11种工况进行数值计算。2.2计算结果针对0 5 0 间的11种工况,分别开展了仿真计算,得出了防波板所受水动力及表面应力。其中,防波板全闭(ZBCB,=0)、半开(ZBCB,=2 5)、全开(Z BCB,=5 0)工况
16、压力云图,如图4 所示。防波板所受水动力可分解为,y,z方向,而z方向受力被连杆结构平衡,防波板负载力主要为x,方向所受水动力。防波板所受和方向水动力,如表1所示。基于上述仿真结果拟合得出防波板开度-水动力函数,如式(4)所示:F,=0.00024x-0.033x4+1.5x3-24x-19xl+1000F,=-0.00051x5+0.067x4-3.1x3+58x-110 xl-900液压与气动式中,F,一一防波板x方向受力F.Y一一防波板y方向受力,N一防波板绕下旋转点旋转角度,()1:34e+041.21e4041.08e+049.53e+038.24e+036.95e4035.6e+0
17、4.37e-03无滑移壁面3.08e+091.79+035.06e402-7.89e+02-2.07e+03-3.36e+03-4.65e+03速度入口-6.94e+03-7.238+036.168 m/s-8:.52+03-9:81e+03-1.1+041:24e+04pascala)外流域模型图a)Pressure contour map under fully closed operating conditions7.84e+036.70e4033.56e+03142e+03-7.16e+02-2.85e+03-4.99e+03-7.19e+03-9.27e+03-1.14e+04-1.
18、36404-1.57e+04-1.78e+04-2.00+404-2.21e+04-2.42e-04b)潜航器模型图-2.64e+042.85e+04-3.07e+04-8.28e+04-3.49e+04pascalb)Pressure contour map under partially open operating conditions-9.4+4039.63403-9.82403-1.00404-1.028+04-1.04404-1.068404-1.08404-1.108+04:-1.12e+04-1.148+04-1.15e404-4.178+04-1.196+04-1.21e40
19、4-1.23e404-1.256404-1.270404-1.290+404-1.318404133e-04pascallc)Pressure contour map under fully open operating conditionsFig.4Pressure contour map of shutter防波板x方向受力随开启角度变大先变小和增大,在开启角度为4 0,即防波板与航行方向平行时防波板水动力约为0。方向受力随开启角度变大而变大,符合实际情况。2.3开度-水动力函数通用性验证(4)因防波板开启特定角度后,其位置与旋转点C位167a)全闭工况压力云图b)半开工况压力云图c)全开
20、工况压力云图图4 防波板压力云图168置相关,故需验证防波板开度-水动力函数在C点位置不同时的通用性。考虑到旋转点C可变范围较小,在C点约束范围内,对3个边界顶点位置分别进行半开、全开两种工况仿真,仿真结果如表2 所示。表1防波板水动力Tab.1Hydrodynamics of shutter开启角度F/N0990.45532.610-318.815-1119.6液压与气动B,C。O A 杆为驱动杆,在O铰接点处施加位移驱动,使得防波板经历开启(0 5 s)、暂位(5 7 s)、关闭(712 s)过程,开启阶段驱动杆OA匀速运动至乙ACA1=80,暂位阶段驱动杆0 A保持静止,关闭阶段驱动杆O
21、A匀速运动回原位;在BC杆对应防波板受力中心位置施加水动力,该力作用点分别添加x,方向集中力,力函数为开度-水动力函数。由于防波板开启和F,/N备注883.2全闭-369.31087.63104.5第4 8 卷第1期关闭过程为匀速、慢速启闭过程,可认为驱动杆OA所受力矩等于克服水动力负载所需力矩。MAFxX20253035404550Tab.2Simulation results of three extreme positions全开上顶点x向受力/N-1031.50左顶点向受力/N1093.97右顶点x向受力/N-1090.11上顶点向受力/N4571.15左顶点y向受力/N4497.58
22、右顶点y向受力/N4678.50由表可见,旋转点C位置对防波板水动力无明显影响,可认为不同的旋转点位置下的开度-水动力函数相同。3动力学仿真计算防波板启闭连杆机构为平面连杆机构,基于ADAMS14-15搭建动力学模型并开展仿真分析,得出启闭连杆机构驱动防波板启闭过程所需驱动力矩的变化特性。3.1动力学模型动力学模型如图5 所示,从左至右分别为点0,A,1273.7-1008.2-751.8-454.813.5491.61022.5表2 三极限位置仿真结果半开4286.74515.15245.35984.86490.36506.46226.5图5 ADAMS动力学模型图Fig.5ADAMS dy
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