考虑关节间隙的可调矢量喷管动力学特性

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230219

摘要/Abstract

摘要：

针对航空发动机可调矢量喷管机构运动稳定性差的问题，开展了间隙对其动力学特性影响的研究.首先，采用第一类Lagrange方程建立可调矢量喷管单链机构动力学模型，得到单链机构驱动力变化曲线.然后采用Lankarani-Nikravesh接触力模型和修正的Coulomb摩擦模型建立运动副间隙模型，并利用函数在动力学仿真软件中构建间隙模型.最后基于虚拟样机技术建立含关节间隙的单链机构动力学模型，仿真分析了间隙位置、间隙尺寸对可调矢量喷管机构动力学特性的影响.结果表明，间隙与气动力的力臂越大，系统动力学特性波动越显著，小间隙范围内关节间隙尺寸增大时，可调矢量喷管机构动力学特性的波动幅值先减小后增大，当三角拉杆与转向控制环之间的间隙为0.3 mm时，系统动力学最稳定.

关键词: 航空发动机, 可调矢量喷管, 动力学建模, 关节间隙, 动力学特性

Abstract:

Aiming at the problem of poor kinematic stability of the adjustable vector nozzle mechanism used in the aero‑engine system， the effect of clearance on its dynamic characteristics was studied. Firstly， the dynamic model of the adjustable vector nozzle single‑chain mechanism was established using the first type of Lagrange equation， and the driving force variation curve of the single‑chain mechanism was obtained. Then， the contact force model proposed by Lankarani and Nikravesh and the modified Coulomb friction model were used to establish the moving pair clearance model， which was constructed in the dynamic simulation software by using the function. Finally， a dynamic model of the single‑chain mechanism with joint clearance was established based on the virtual prototyping technology. The effects of clearance position and clearance size on the dynamic characteristics of the adjustable vectoring nozzle mechanism were simulated and analyzed. The results showed that the larger the clearance and aerodynamic force arm， the more significant the fluctuation of the system dynamics characteristics. As the joint clearance size increases within the small clearance range， the fluctuation amplitude of the dynamic characteristics of the adjustable vector nozzle mechanism decreases first and then increases. When the clearance between the triangular rod and the steering control ring is 0.3 mm， the system dynamics become the most stable.

Key words: aircraft engine, adjustable vector nozzle, dynamic modeling, joint clearance, dynamic characteristics

中图分类号:

V 231.91

罗忠, 赵江, 许春阳, 曹航. 考虑关节间隙的可调矢量喷管动力学特性[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2025, 46(1): 61-67.

Zhong LUO, Jiang ZHAO, Chun-yang XU, Hang CAO. Dynamic Characteristics of Adjustable Vector Nozzles Considering Joint Clearance[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2025, 46(1): 61-67.

图/表 14

图1 典型AVEN装置单链结构图

Fig.1 Single‑chain structure diagram of the typical AVEN device

图2 可调矢量喷管单链机构运动简图

Fig.2 Kinematic diagram of the adjustable vector nozzlesingle‑chain mechanism

图3 间隙模型结构图

Fig.3 Structural diagram of the clearance model

图4 修正的Coulomb摩擦模型系数变化曲线

Fig.4 Coefficient change curve of the modified Coulombfriction model

图5 可调矢量喷管虚拟样机模型

Fig.5 Virtual prototype model of the adjustable vector nozzle

表1 构件之间运动副关系

Table 1 Kinematic pair relationship between components

关节序号	构件1	构件2	约束	运动副	关节序号	构件1	构件2	约束	运动副
关节1	大地	机匣	固定约束	固定	关节7	扩张调节片	十字接头	固定约束	固定
关节2	机匣	收敛骨架	转动约束	旋转副	关节8	连杆	扩张调节片	固定约束	固定
关节3	收敛骨架	滚子	线-线约束	凸轮副	关节9	三角拉杆	连杆	转动约束	旋转副
关节4	收敛调节环	滚子	固定约束	固定	关节10	转向控制环	三角拉杆	转动约束	旋转副
关节5	收敛调节环	大地	移动约束	移动副	关节11	转向控制环	大地	移动约束	移动副
关节6	十字接头	收敛骨架	转动约束	旋转副

图6 驱动力随时间变化曲线

Fig.6 Variation curves of driving forces with time

表2 主要运动构件材料属性

Table 2 Material properties of main components

构件	材料	弹性模量E/GPa	泊松比	恢复系数
收敛骨架	K424	213	0.300	0.90
滚子	GH2132	195	0.305	0.93
连杆	TC6	125	0.300	0.84
三角拉杆	TC6	125	0.300	0.84

表3 间隙位置分布

Table 3 Distribution of clearance locations

间隙位置编号	关节	构件1	构件2
1	2	机匣	收敛骨架
2	6	收敛骨架	十字接头
3	9	连杆	三角拉杆
4	10	三角拉杆	转向控制环

图7 转向控制环驱动下不同间隙位置系统动态特性曲线（a）—扩张调节片偏转角度变化曲线；（b）—扩张调节片偏转角速度变化曲线；（c）—系统驱动力变化曲线.

Fig.7 Dynamic characteristic curves of the system with different clearance positions driven by the steering control ring

图8 收敛调节环驱动下不同间隙位置系统动态特性曲线（a）—收敛骨架偏转角度变化曲线；（b）—收敛骨架偏转角速度变化曲线；（c）—系统驱动力变化曲线.

Fig.8 Dynamic characteristic curves of the system with different clearance positions driven by the convergence regulator ring

图9 关节10不同间隙下碰撞力变化曲线

Fig.9 Change curves of impact force of the joint 10 with different clearances

图10 不同间隙下收敛骨架偏转角速度变化曲线

Fig.10 Change curves of angular velocity variation of the convergent skeleton deflection with different clearances

图11 不同间隙下关节3接触力变化曲线

Fig.11 Change curves of contact force of the joint 3 with different clearances

参考文献 18

1	王玉新.喷气发动机轴对称推力矢量喷管［M］.北京：国防工业出版社，2006：122-130.
	Wang Yu‑xin.Axial‑symmetric vectoring exhaust nozzle for jet‑thrust‑aircraft［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2006：122-130.
2	Erkaya S.Prediction of vibration characteristics of a planar mechanism having imperfect joints using neural network［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2012，26（5）：1419-1430.
3	Ordiz M， Cuadrado J， Cabello M，et al.Prediction of fatigue life in multibody systems considering the increase of dynamic loads due to wear in clearances［J］.Mechanism and Machine Theory，2021，160：104293.
4	Erkaya S， Uzmay I.Experimental investigation of joint clearance effects on the dynamics of a slider‑crank mechanism［J］.Multibody System Dynamics，2010，24（1）：81-102.
5	Erkaya S.Clearance‑induced vibration responses of mechanical systems： computational and experimental investigations［J］.Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering，2018，40（2）：1-12.
6	Flores P， Lankarani H M.Dynamic response of multibody systems with multiple clearance joints［J］.Journal of Computational and Nonlinear Dynamics，2012，7（3）：031003.
7	Marques F， Isaac F， Dourado N，et al.An enhanced formulation to model spatial revolute joints with radial and axial clearances［J］.Mechanism and Machine Theory，2017，116：123-144.
8	肖安建，李红军，戴水东，等.运动副间隙对MCCB操作机构动力学特性的影响研究［J］.机械科学与技术，2024，43（10）：1654-1663.
	Xiao An‑jian， Li Hong‑jun， Dai Shui‑dong，et al.Study on the influence of kinematic pair clearance on the dynamic characteristics of MCCB manipulator［J］.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2024，43（10）：1654-1663.
9	Bai Z F， Liu T X， Li J Y，et al.Numerical and experimental study on dynamic characteristics of planar mechanism with mixed clearances［J］.Mechanics Based Design of Structures and Machines，2023，51（11）：6142-6165.
10	Yao S B， Luo Z， Wei K，et al.Analysis of fluid‑solid‑thermal coupling characteristics of axial‑symmetric vectoring exhaust nozzle［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part C：Journal of Mechanical Engineering Science，2022，236（17）：9472-9484.
11	Wang X Y， Wang H F， Zhao J C，et al.Rigid‑flexible coupling dynamics modeling of spatial crank‑slider mechanism based on absolute node coordinate formulation［J］.Mathematics，2022，10（6）：1-13.
12	刘洋，赵志刚，李维维，等.轴对称推力矢量喷管喉道面积的精度分析与补偿［J］.机械科学与技术，2018，37（7）：1137-1142.
	Liu Yang， Zhao Zhi‑gang， Li Wei‑wei，et al.Precision compensation of throat area for axial‑symmetric vectoring exhaust nozzle［J］.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2018，37（7）：1137-1142.
13	柳亚冰，符大伟，蔡常鹏，等.轴对称矢量喷管空间运动学建模仿真［J］.航空发动机，2020，46（6）：34-40.
	Liu Ya‑bing， Fu Da‑wei， Cai Chang‑peng，et al.Modeling and simulation of spatial kinematics of axisymmetric vectoring nozzle［J］.Aeroengine，2020，46（6）：34-40.
14	闫世洲，赵志刚，霍树林.轴对称矢量喷管喷口Lagrange动力学分析［J］.机械科学与技术，2019，38（5）：809-815.
	Yan Shi‑zhou， Zhao Zhi‑gang， Huo Shu‑lin.Lagrange dynamics analysis of axisymmetric vector nozzle［J］.Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering，2019，38（5）：809-815.
15	Marques F， Roupa I， Silva M T，et al.Examination and comparison of different methods to model closed loop kinematic chains using Lagrangian formulation with cut joint，clearance joint constraint and elastic joint approaches［J］.Mechanism and Machine Theory，2021，160：104294.
16	Lankarani H M， Nikravesh P E.A contact force model with hysteresis damping for impact analysis of multibody systems［J］.Journal of Mechanical Design，1990，112（3）：369-376.
17	Marques F， Flores P， Claro J C P，et al.A survey and comparison of several friction force models for dynamic analysis of multibody mechanical systems［J］.Nonlinear Dynamics，2016，86（3）：1407-1443.
18	Skrinjar L， Slavič J， Boltežar M.A review of continuous contact‑force models in multibody dynamic［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2018，145：171-187.

[1]	李小彭, 付嘉兴, 刘海龙, 尹猛. 柔性空间机械臂RBF神经网络补偿滑模控制策略[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(9): 1258-1267.
[2]	刘芳名, 孙伟. 基于管-实体单元耦合的串联管路动力学建模及降应力优化[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(9): 1277-1286.
[3]	张禹，鹿浩，吕董，巩亚东. 基于IMOFA的航空发动机管路多目标优化布局[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(8): 1120-1126.
[4]	胡蛟，胡茑庆，沈建，罗鹏. 直升机主减典型部件故障动力学建模与仿真[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(12): 1732-1740.
[5]	许江波，费东阳，孙浩珲，崔易仑. 节理千枚岩能量传递与动力学特性[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2021, 42(7): 986-995.
[6]	罗忠，孙永航，葛长闯，许春阳. 引射器活门调节机构的流固热耦合特性[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2021, 42(1): 75-82.
[7]	马辉，崔璨，曾劲，闻邦椿. 考虑弹性支承的旋转凸肩叶片动力学特性分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(8): 1115-1121.
[8]	李玉奇，罗忠，栗江，侯小捷. 含螺栓联接的转子系统轴向刚度不确定性分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(5): 700-705.
[9]	李播博，袁惠群，王光定，赵天宇. 基于振动环境预测的结构动力学特性分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2018, 39(2): 216-220.
[10]	李翔宇，高宪文，侯延彬，王宏日. 游梁式抽油机悬点负载耦合动力学建模[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2016, 37(9): 1225-1229.
[11]	杨文军，袁惠群，赵天宇. 基于Kriging模型的数据拟合及多场耦合动力学特性分析[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2016, 37(6): 834-838.
[12]	张禹，白晓兰. 基于CAFSC算法的航空发动机多管路智能布局[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2016, 37(5): 683-687.
[13]	张宏远，袁惠群，寇海江. 基于激励阶次的失谐叶盘振动响应局部化研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2016, 37(3): 378-382.
[14]	张禹，白晓兰，武芃睿. 基于ABC算法的航空发动机管路自动优化布局[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2013, 34(10): 1461-1464.
[15]	李永强;李洁;刘杰;李小号;. 原点反共振振动机1:3内共振动力学特性分析[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2012, 33(5): 715-718.