基于多维联合仿真技术的鱼雷动力系统特性研究

李 鑫, 杨赪石, 彭 博

基于多维联合仿真技术的鱼雷动力系统特性研究

李 鑫, 杨赪石, 彭 博

(中国船舶重工集团公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

为获得鱼雷动力系统和组件特性改变时的相互影响规律, 文中建立了动力系统零维性能仿真模型、发动机缸内过程一维仿真模型和发动机三维虚拟样机模型, 将传统研究相对独立的零维、一维和三维仿真模型相结合, 使得数值计算更高效、准确, 并对动力系统的性能和发动机的动力学特性进行了数值计算, 仿真了动力系统启动、换速、变深和实航工况下发动机关键部位受力和运动情况, 以及发动机进气比对动力系统性能的影响, 仿真结果和试验结果基本吻合。文中研究的联合仿真技术为动力系统和发动机组件的设计提供了一种新方法, 可为产品的工程设计提供参考。

鱼雷动力系统; 零维; 一维; 三维; 联合仿真

0 引言

传统上, 鱼雷动力系统零维、一维和三维仿真相对独立。动力系统零维性能仿真模型沿着流动和功率传递的方向获得每一时刻各组件的进出口参数和性能参数, 反映系统总体性能以及各组件的匹配性, 如马为锋等[1]建立了包含燃料泵、流量调节器、喷嘴、燃烧室和发动机等的全系统动态分析模型, 获得了系统各主要参数随时间变化的规律。而发动机缸内过程一维仿真模型按照活塞的运动规律, 获得发动机1个热力循环下缸内的热力参数, 如张进军等[2]建立了缸内工质的内能和质量的微分方程, 得到了1个工作循环内内能、质量、温度及压强等热力参数的曲线图。零维和一维仿真模型的缺点是无法反映组件内部受力、运动等细节情况, 并且其准确性依赖于组件特性的准确性, 优点是仿真速度快, 可进行快速验证和评估。发动机三维仿真基于虚拟样机技术, 可得到组件内部各部件的空间运动方式以及详细受力情况, 如李鑫等[3]基于虚拟样机技术, 建立了不同形式周转斜盘发动机的动力学模型, 对发动机动力学性能进行了仿真分析。三维仿真的优点是可以获得更多的细节结果, 缺点是难以获取准确的边界条件, 且建模复杂, 仿真速度较慢[4-9]。

文中考虑不同精度仿真模型的优缺点, 以鱼雷动力系统和发动机组件为研究对象, 将传统相对独立的零维、一维和三维仿真模型相结合, 使得数值计算更高效、准确。通过多维联合仿真, 从不同层次探讨了鱼雷动力系统和发动机组件参数改变时的相互影响规律。

1 不同精度仿真模型

1.1 动力系统零维性能仿真模型

基于动力系统的工作原理和特性, 启动、换速和变深的系统零维仿真模型可用如下方程组描述[9]

1.2 发动机缸内过程一维仿真模型

鱼雷动力系统采用两冲程转缸式斜盘活塞外燃机。工作时, 缸内的高温高压燃气推动活塞做往复运动, 按照配气关系实现预进气—进气—膨胀—预排气—排气—压缩热力循环过程[7]。根据能量守恒定理和质量守恒定理, 缸内过程一维模型用如下的微分方程组描述

1.3 发动机三维虚拟样机模型

发动机动力传动机构工作时, 燃气推动活塞做往复运动, 活塞通过连杆将力传递给斜轴斜盘部件, 由于斜轴在空间成一定的角度, 斜轴斜盘之间将产生沿发动机轴线方向的驱动转矩, 驱动主齿轮、气缸体、活塞、连杆及斜盘等外轴部件旋转, 从而将活塞往复运动转换为输出轴的旋转运动, 滚轮和导槽之间形成滚轮直导槽约束机构, 保证气缸体和斜盘运动的同步性。

在Adams软件中建立鱼雷发动机三维虚拟样机模型, 如图1所示, 包含6个圆柱副(活塞和气缸体)、12个球副(前后球头和前后球座)、4个转动副(斜盘和斜轴、缸体和大地、滚轮和滚轮销轴)和19个固定副(斜轴等固定部件)[10]。

图1 鱼雷发动机三维虚拟样机模型

1.4 联合仿真模型

在MatlabSimulink中建立鱼雷动力系统零维性能仿真模型以及发动机缸内过程一维仿真模型, 在Adams中建立鱼雷发动机三维仿真模型。动力系统零维性能仿真获得的发动机进气压力, 作为发动机缸内过程一维模型的输入; 发动机缸内过程一维仿真得到的发动机6个缸的缸内压力作为三维虚拟样机模型的输入; 发动机虚拟样机仿真获得的转速作为动力系统零维性能仿真模型的输入, 不同精度模型之间的数据通信通过基础平台实现[11]。建立的联合仿真模型如图2所示。

2 联合仿真模型验证

对采用相同进气压力、配气参数、负载特性以及试验流程的动力系统联合仿真模型的仿真结果和物理样机试验结果进行了对比, 功率试验和仿真得到的输出轴转速随时间的变化曲线基本一致, 如图3所示, 两者的平均误差在8%以内, 说明联合仿真模型的置信度较高, 可对鱼雷动力系统的工程设计提供有效指导。

The influence of well doping concentration of a well is evaluated. The simulation results of devices with different concentration wells are shown in Fig. 5.

图2 联合仿真模型

3 动力系统特性分析

3.1 不同工况下发动机关键部位受力和运动情况

活塞侧向力的大小、滚轮和导板之间的接触力以及后球心相对于前球心的运动轨迹直接影响着活塞和气缸套之间的动密封性能、发动机的机械效率以及运转平稳性, 在设计时应重点考虑。

应用联合仿真模型进行一次浅深度低速启动、进燃料、换速、变深等典型工作过程的仿真, 从而获得发动机关键部位的受力和运动情况。发动机采用滚轮直导槽约束机构, 缸体和斜盘的转动存在相位差, 1缸、2缸和3缸所对应的零部件呈现不同的运动学和动力学特性, 但1缸和4缸, 2缸和5缸, 3缸和6缸的特性则完全相同, 因此文中只分析1缸、2缸和3缸对应零部件的受力情况。

图4给出了在整个工作流程下1缸活塞的侧向力(活塞和缸套之间的作用力)。可知, 低速变高速时, 活塞侧向力的均值成阶梯形显著增大。

图5~图7给出了1缸、2缸和3缸在50 m、300 m和600 m航深高速工况1个工作循环下活塞的侧向力, 可以看出, 高速变深时, 1缸活塞的侧向力均值变化不大(864~879 N), 峰值显著增大(1027~1460 N); 2、3缸活塞的侧向力均值和最大值均变化不大, 变化范围在50 N之内。在整个变深过程中, 1缸活塞和气缸体之间的力学负荷均大于其他两缸。

图4 1缸活塞侧向力

图5 50 m航深各缸活塞侧向力曲线

图6 300 m航深各缸活塞侧向力曲线

图8给出了1缸、2缸和3缸后球心相对于前球心的运动轨迹, 在整个工作过程中, 前球心始终位于后球心椭圆形运动轨迹的中心。不同的是, 1缸长短轴较小, 2缸和3缸的长短轴较大, 因此, 1个周期内, 3个缸的活塞和气缸体均在不同位置接触, 磨损均匀, 不会产生偏磨, 相比较而言, 1缸的活塞运动最为平稳。

图7 600 m航深各缸活塞侧向力曲线

图8 各缸后球心相对于前球心的运动轨迹

图9给出了该工况下滚轮和导板之间的接触力, 低速变高速时, 滚轮和导板之间的接触力显著增大, 且随着深度的增加, 滚轮和导板之间的接触力也逐渐递增。

图9 滚轮和导板之间接触力

3.2 实航工况下发动机受力仿真

利用建立的联合模型进行1次实航工况下的仿真, 以对故障进行复现和定位。图10和图11给出了发动机转速和滚轮导板之间的受力情况。可以看出, 该次实航在5 s时发生鱼雷跳水现象, 负载急剧下降, 发动机转速突增, 惯性作用增加, 滚轮和导板之间的接触力已不能平衡惯性力的作用而发生换向冲击, 冲击力可达 5500 N。这和实航试验中鱼雷跳水, 滚轮发生换向冲击, 导板非工作面出现深坑损坏的现象吻合。

图10 发动机转速随时间变化曲线

图11 实航工况下滚轮和导板之间接触力

3.3 发动机结构参数对动力系统性能参数的影响

缸径和冲程是发动机的主要结构参数, 为减小散热损失, 缸径和冲程比选择为1.07, 图12、图13和表1给出了鱼雷动力系统启动时不同缸径下的压力和转速曲线。

图12 启动时不同缸径下的压力曲线

随着缸径增大, 发动机做功容积增加, 启动时燃烧室的压力峰值逐渐减小, 发动机单转耗气量增加, 药柱等面燃烧(进燃料点)的压力减小, 燃烧室燃料入口前管路充填速度越来越慢, 进燃料时刻越来越晚。

图13 启动时不同缸径下转速曲线

表1 不同缸径下的参数

燃料需要满足一定的压力条件才能可靠点燃,根据表1缸径和缸内压力的关系可知, 缸径不能太大, 否则会导致进燃料时压力过小而无法可靠点燃。同时, 当进燃料点燃烧室压力远小于调节压力时, 进燃料时刻会产生较大的压力超调, 在设计时应予以避免; 另一种极限情况是, 缸径过小, 进燃料时燃烧室内压力过大, 超过压力调节泵在特定工况下的压力, 燃料全部溢流, 无法进入燃烧室, 造成启动失效。因此, 在启动过程中应选用合适的缸径, 既能满足总体要求的转速和进燃料时刻, 又能保证进燃料时刻的压力条件和较小的压力超调。

3.4 发动机不同进气比对动力系统性能参数影响

在相同进气压力条件下, 发动机采用不同的进气比, 会同时影响到动力系统的输出功率和比耗量, 表2给出了不同进气比下的输出功率和比耗量。

表2 不同进气比时动力系统性能参数

随着发动机进气比的增大, 动力系统功率增大, 单位功率下的秒耗量亦呈现递增的趋势, 因此, 在追求高功率时, 可适当提高进气比, 但此时消耗的燃料增大, 经济性变差; 在追求经济性时, 可适当降低进气比, 但此时的输出功率会减小。在工程上, 应选择特定的进气比同时满足功率和经济性的要求。

4 结束语

文中建立了鱼雷动力系统和发动机组件多维联合仿真模型, 相比传统独立的零维、一维和三维模型更高效、准确。通过联合仿真, 获得了动力系统启动、换速以及变深工况下发动机关键部位受力和运动情况, 实航工况下发动机的受力载荷以及发动机采用不同进气比对动力系统性能参数的影响。后续可将燃料泵、燃烧室等其他组件纳入联合仿真模型, 从不同层次更加全面地评价产品性能。

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Characteristics of Torpedo Power System Based on Multidimensional Co-Simulation Technology

LI Xin, YANG Cheng-shi, PENG Bo

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

To obtain the mutual influence law of the torpedo power system and components with characteristics change, a zero-dimensional performance simulation model of the power system, a one-dimensional simulation model of the engine’s in-cylinder process and a three-dimensional virtual prototype model of the engine are established. These relatively independent zero-dimensional, one-dimensional and three-dimensional simulation models in traditional research are combined to make the numerical calculation more efficient and accurate. Furthermore, the performance of the power system and the dynamic characteristics of the engine are numerically calculated, and the forces and motion of the main engine parts under start-up, speed-change, depth-change and sea trial of the power system, as well as the influence of the engine intake ratio on the performance of the power system, are simulated. Simulation results are basically consistent with the test data. This co-simulation technology may become a new method for design of torpedo power system and engine components.

torpedo power system; zero-dimension; one-dimension; three-dimension; co-simulation

TJ630.32; TK05

A

2096-3920(2019)04-0386-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.04.004

李鑫, 杨赪石, 彭博. 基于多维联合仿真技术的鱼雷动力系统特性研究[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(4): 386-391

2019-03-04;

2019-03-21.

李 鑫(1982-), 在读博士, 高工, 主要研究方向为鱼雷热动力技术.

(责任编辑: 杨力军)