渦輪阻尼器數(shù)值仿真與試驗(yàn)

文桂林，周 華，金秋談，王艷廣，文 登

(湖南大學(xué) 教育部特種裝備先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)與仿真國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082)

渦輪阻尼器相對(duì)于傳統(tǒng)的直線(xiàn)活塞式液壓阻尼器，具有緩沖行程長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)與阻尼性能耦合參數(shù)較多，具有適應(yīng)多工況的可調(diào)性，適合用作無(wú)人機(jī)攔阻網(wǎng)回收系統(tǒng)的吸能裝置［1－4］。國(guó)內(nèi)李?lèi)?、周儒榮等項(xiàng)目組對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸和不同液體介質(zhì)的渦輪阻尼器樣件，進(jìn)行了阻尼力矩系數(shù)的測(cè)量試驗(yàn)［5］。

針對(duì)某型無(wú)人機(jī)攔阻網(wǎng)回收系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，需要研制滿(mǎn)足回收系統(tǒng)緩沖過(guò)載要求的渦輪阻尼器。本文是在利用LS－DYNA軟件對(duì)某型無(wú)人機(jī)攔阻網(wǎng)回收過(guò)程仿真得出渦輪阻尼器必須滿(mǎn)足某特定的力學(xué)性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，以Fluent軟件的滑移網(wǎng)格法對(duì)阻尼器進(jìn)行數(shù)值仿真，求解渦輪阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并設(shè)計(jì)瞬時(shí)沖擊試驗(yàn)，測(cè)試阻尼器的阻尼力響應(yīng)，驗(yàn)證數(shù)值仿真的正確性以及阻尼器在攔阻網(wǎng)回收系統(tǒng)中的工程實(shí)用性。

1 渦輪阻尼器的基本理論

1.1 渦輪阻尼器的基本構(gòu)造

渦輪阻尼器由轉(zhuǎn)子和定子組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。葉片、轉(zhuǎn)盤(pán)分別和轉(zhuǎn)軸之間固定聯(lián)接，組成轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)軸上鑲有若干個(gè)具有縱向和橫向梯形截面的轉(zhuǎn)子葉片，轉(zhuǎn)子葉片中間根據(jù)需要設(shè)計(jì)間隙孔或條形縫隙，相鄰葉片的中間間隙位置錯(cuò)開(kāi)。箱體為定子，外部固連地基。箱體內(nèi)側(cè)鑲有固定不動(dòng)的葉片，稱(chēng)為定子葉片。定子葉片與轉(zhuǎn)子葉片間有一定的間隙，相鄰轉(zhuǎn)子葉片的這類(lèi)間隙一大一小。剎車(chē)帶纏繞在轉(zhuǎn)盤(pán)上，轉(zhuǎn)盤(pán)上有一個(gè)手柄，以便手動(dòng)收回剎車(chē)帶。液體介質(zhì)被密封在轉(zhuǎn)子和箱體之間。渦輪阻尼器的阻尼性能主要由葉片面積(結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2)與數(shù)量、上述縫隙或孔隙以及不可壓縮液體介質(zhì)的粘性等因素決定。由于影響因素多，需要通過(guò)仿真分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期阻尼性能。

圖1 渦輪阻尼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure of turbine damper

圖2 葉片結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of rotated blade

1.2 工作原理

渦輪阻尼器屬于液力式制動(dòng)器，工作形式是高速向前運(yùn)動(dòng)的物體拖動(dòng)剎車(chē)帶向前運(yùn)動(dòng)，剎車(chē)帶驅(qū)動(dòng)渦輪阻尼器轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的葉片攪拌阻尼器內(nèi)腔中的液體。當(dāng)液體流經(jīng)定子葉片與轉(zhuǎn)子葉片之間的間隙g以及轉(zhuǎn)子葉片的孔隙或條形縫隙c時(shí)，由于通流面積急劇減少，造成間隙處有較高的流速，產(chǎn)生作用于轉(zhuǎn)子葉片正反面較大的壓力差，從而形成阻止轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻尼力矩，以阻礙剎車(chē)帶隨物體一起向前運(yùn)動(dòng)，使物體減速。

1.3 阻尼力矩分析

渦輪阻尼器的阻尼力矩公式如式(1)所示，阻尼力矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的平方成正比，阻尼力矩系數(shù)K與渦輪阻尼器轉(zhuǎn)子葉片的數(shù)目、轉(zhuǎn)子的尺寸、轉(zhuǎn)子葉片間的間隙、定轉(zhuǎn)子葉片間的間隙、流體介質(zhì)的密度等因素有著密切的關(guān)系［4］。

2 阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

2.1 數(shù)值模擬方法

渦輪阻尼器的數(shù)值模擬采用有限元軟件Fluent的滑移網(wǎng)格法來(lái)仿真［6］。Fluent的滑移網(wǎng)格模型(Sliding Mesh)可以用來(lái)數(shù)值模擬移動(dòng)和變形區(qū)域中的流體流動(dòng)問(wèn)題。在滑移網(wǎng)格計(jì)算中，流體計(jì)算域至少包含兩個(gè)以上存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的子域，每個(gè)子域至少有一個(gè)與相鄰子域連接的交界面，交界面兩側(cè)子域在交界面上不共用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，交界面兩側(cè)的子域的信息就是通過(guò)交界面進(jìn)行插值相互傳遞的。

渦輪阻尼器的數(shù)值模擬中，液體被簡(jiǎn)化成單一的不可壓縮的流體，采用SIMPLEC算法解決速度與壓力的耦合問(wèn)題，渦輪阻尼器內(nèi)的流態(tài)為湍流，在計(jì)算時(shí)采用RNG k－ε模型，定義為非定常求解。把定子設(shè)置為靜止邊界條件，轉(zhuǎn)子設(shè)置為旋轉(zhuǎn)邊界條件，定義靜止區(qū)域與轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域之間的交界面，在設(shè)置完所有的邊界條件后，再設(shè)置各項(xiàng)收斂殘差為10－4。

2.2 阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取

首先應(yīng)用LS-DYNA有限元軟件［7］仿真某型無(wú)人機(jī)攔阻網(wǎng)回收系統(tǒng)如圖3所示，其中阻尼器采用軟件中的Discrete單元來(lái)模擬，仿真得到無(wú)人機(jī)在各種工況下成功攔阻時(shí)Discrete單元的力學(xué)特性為F=λv2，即阻尼器的剎車(chē)帶所受拉力與速度的關(guān)系為F=λv2，其中F為阻尼器提供給剎車(chē)帶的阻尼力，v為剎車(chē)帶的運(yùn)動(dòng)速度，λ是仿真中得到的系數(shù)，詳細(xì)的仿真工作由于篇幅有限不加以詳細(xì)說(shuō)明，然后根據(jù)阻尼器與剎車(chē)帶的力學(xué)關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系計(jì)算阻尼器的阻尼力矩系數(shù)K，阻尼器的阻尼力矩公式為Mα=Kn2，剎車(chē)帶的運(yùn)動(dòng)速度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速關(guān)系為v=2лrn，r為纏繞在阻尼器轉(zhuǎn)盤(pán)上的剎車(chē)帶的有效半徑，剎車(chē)帶的拉力與阻尼器的阻尼力矩的關(guān)系為Mα=Fr，計(jì)算出渦輪阻尼器的阻尼力矩系數(shù)K=4л2λr3，因此渦輪阻尼器的設(shè)計(jì)指標(biāo)就是使阻尼力矩系數(shù)為所計(jì)算出的K值。

圖3 LS-DYNA無(wú)人機(jī)攔阻網(wǎng)回收仿真Fig.3 Arresting recovery simulation in LS-DYNA

通過(guò)圖4的阻尼器參數(shù)確定流程，確定渦輪阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過(guò)仿真獲得其阻尼特性曲線(xiàn)如圖5所示，同時(shí)從曲線(xiàn)的形狀看出:渦輪阻尼器的阻尼力矩與轉(zhuǎn)速基本成二次曲線(xiàn)的關(guān)系，與理論分析相符合。

圖6是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為300 r/min，渦輪阻尼器最終結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子表面的壓力分布，可以看出在單個(gè)葉片上靠近轉(zhuǎn)子葉片中間間隙處的壓力最大，轉(zhuǎn)軸處壓力較小遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸處壓力較大，同時(shí)葉片的正反面具有較大的壓力差。原因是靠近轉(zhuǎn)軸處液體運(yùn)動(dòng)的速度較小而且流動(dòng)狀態(tài)較為平緩，所以轉(zhuǎn)軸處的壓力小，離轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，液體的流動(dòng)速度較大，且處于紊流狀態(tài)，所以遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)軸處壓力大;轉(zhuǎn)子葉片間間隙以及定轉(zhuǎn)子葉片間間隙處由于通流面積的突然減小，導(dǎo)致此處形成較大的液體流速，所以壓力大，同時(shí)葉片的正反面產(chǎn)生較大的壓力差，正是這種壓力差形成阻止轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的阻尼力矩，仿真結(jié)果與實(shí)際情況相吻合。

圖4 阻尼器參數(shù)確定流程圖Fig.4 Parameters definition flow chart of turbine damper

圖5 最終結(jié)構(gòu)的阻尼力矩—轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)Fig.5 Damp moment vs.rotor speed of final structure

圖6 300 r/min時(shí)轉(zhuǎn)子表面壓力分布Fig.6 Pressure distribution on rotor surfaces at 300 r/min

3 渦輪阻尼器試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)最終確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)和制造了渦輪阻尼器，實(shí)物如圖7所示，試驗(yàn)設(shè)備還包括三角架，剎車(chē)帶，配重物，加速度傳感器，數(shù)據(jù)采集儀，電機(jī)，滑輪，掛鉤等。

3.2 試驗(yàn)原理

圖7 渦輪阻尼器實(shí)物Fig.7 Turbine damper

為了模擬某型無(wú)人機(jī)攔網(wǎng)回收時(shí)渦輪阻尼器受到瞬時(shí)沖擊力的工作性能，設(shè)計(jì)了原理如圖8所示的沖擊試驗(yàn)，測(cè)試了阻尼器在沖擊力作用下的動(dòng)態(tài)緩沖特性。渦輪阻尼器通過(guò)地腳螺栓固定在硬基地面上，阻尼器的剎車(chē)帶繞過(guò)三角架頂端的滑輪與配重物相連，配重物懸掛在滑輪的掛鉤上，電機(jī)用于控制滑輪距頂端的高度H1來(lái)調(diào)整配重物自由下落的高度H，進(jìn)而控制阻尼器受到的瞬時(shí)沖擊速度。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，配重物從掛鉤上脫落作自由落體運(yùn)動(dòng)，當(dāng)配重物快著地的瞬間剎車(chē)帶被拉直，渦輪阻尼器受到?jīng)_擊力作用。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果比較

試驗(yàn)時(shí)配重物重50 kg，配重物在著地瞬時(shí)速度為25 m/s，同時(shí)以相同的工況對(duì)阻尼器進(jìn)行仿真計(jì)算，得到了試驗(yàn)與仿真兩種情況下阻尼器的阻尼力對(duì)比曲線(xiàn)如圖9所示。

試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比看出，兩曲線(xiàn)比較接近，緩沖吸能都在1 s左右完成，響應(yīng)時(shí)間的起點(diǎn)都在3.9 s左右，試驗(yàn)拉力峰值為2.84 kN，仿真結(jié)果為3.10 kN，拉力峰值誤差為8.39%，在工程許可誤差范圍內(nèi)，結(jié)果表明阻尼器的數(shù)值仿真是正確的，渦輪阻尼器滿(mǎn)足某型無(wú)人機(jī)攔阻網(wǎng)回收系統(tǒng)的緩沖性能設(shè)計(jì)要求。

圖8 阻尼器沖擊試驗(yàn)原理圖Fig.8 Impact test principle diagram of damper

圖9 試驗(yàn)和仿真結(jié)果曲線(xiàn)對(duì)比Fig.9 Comparison of test and simulation results

4 結(jié)論

本文應(yīng)用流體有限元軟件Fluent對(duì)渦輪阻尼器進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算，通過(guò)仿真獲得了滿(mǎn)足某型無(wú)人機(jī)攔網(wǎng)回收系統(tǒng)所需阻尼特性的渦輪阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù);試驗(yàn)測(cè)試了阻尼器的動(dòng)態(tài)緩沖特性，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，達(dá)到了工程許可范圍。

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