1.本发明属于发动机尾喷管优化仿真领域。更具体地，涉及一种收敛扩张型复合材料发动机尾喷管的可靠运动优化方法。
背景技术：
：：2.尾喷管是发动机的重要组成部分，其主要功能为通过将高温气流向后喷出获得向前推力。按照喷口是否固定可划分为可调尾喷管和不可调尾喷管。可调尾喷管能够调节喷管流量。根据截面积的变化形式，可调尾喷管又分为收敛型和收敛扩张型，其中收敛扩张型可调尾喷管由于具有较好的超音速性能，被广泛运用于先进战机、导弹的发动机中。收敛扩张型尾喷管的特征为内径先减小后扩大，由于中间部分直径最小，形状类似一窄喉，因此该部分被称为“尾喷管喉部”，尾喷管通过喉部的收缩实现流量调节。3.尾喷管一般工作于高温尾流中，其工作温度范围大致处于800‑2000k区间。为承受高温其零部件多采用frcmcs材料制造，其具有硬度高、脆性大、加工性能差的特性，这使得尾喷管零部件加工误差较大，表面质量较差，在复杂高温温度场条件下收缩时存在速度慢、灵活性差的问题；而在气压驱动到达收缩极限位置时，容易在关键装配连接位置产生较大冲击载荷，引发关键部位上的高局部应力乃至损伤失效，严重影响尾喷管可靠性。近年来，我国对高新武器装备的需求日趋迫切，尾喷管运动灵活度和可靠性是众多武器装备正常发挥效能的关键因素，因此，如何优化尾喷管的运动性能和可靠性，具有重要的意义。技术实现要素：4.本发明的目的是探究发动机尾喷管装配工艺参数、工况条件对尾喷管运动特性和局部应力集中状态的影响规律，形成相应的优化理论与设计方法。实现从感觉经验到理论方法、从定性摸索到定量优化的提升，为尾喷管运动性能和可靠性的提升提供分析优化方法，为我国装备性能水平提升提供技术支撑。5.为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：6.本发明提供一种复合材料发动机尾喷管的可靠运动优化方法，包括：7.第一步、分析影响因素，确定优化对象8.发动机尾喷管的运动特性主要受其装配工艺参数、工作条件参数和材料本身属性影响，装配工艺参数中最重要的是连接销轴和销孔的单边间隙，销轴和孔的间隙值对尾喷管的运动灵活度影响最大；工作条件参数中最重要的是尾喷管内外驱动气压，驱动气压大小决定尾喷管收缩扩张的速度大小，对工件损伤失效程度影响是最显著的；材料本身属性中最重要的是表面摩擦系数，摩擦系数对尾喷管的运动速度和灵活度影响也是较大的。9.第二步、选择待优化参数范围10.根据确认的三个优化对象：销孔单边间隙、材料表面摩擦系数、驱动气压，针对各对象选择合适的数值范围进行优化计算，便于后续在此范围中得出最优参数和较优区间。11.第三步、制定性能评价指标和失效评价指标12.制定发动机尾喷管的运动性能评价指标和应力损伤失效指标，用于评价各优化对象参数的优化程度或优化效果是否达标。13.第四步、建立各参数的冲击动力学优化仿真14.探究同一对象不同参数设置对尾喷管的运动特性和应力损伤情况的影响趋势，以abaqus作为有限元分析工具，以一个优化对象作为单一变量输入到abaqus中进行非线性动力学分析。15.第五步、分析不同参数对可靠运动的影响趋势，提出参数选择建议指标16.根据动力学分析结果，得到优化对象各个参数和运动速度、运动时间、最大接触应力、损伤比例的变化趋势，将变化趋势可视化为曲线关系，并利用曲线关系和优化指标分析出各优化对象的最优参数和较优区间。17.所述第一步中，确定重要参数的过程是：通过灵敏度分析方法对多个模型多种变量进行计算，得出销孔间隙、驱动气压、材料表面摩擦系数对模型的仿真计算影响都是最显著，换言之，销孔间隙、驱动气压、材料表面摩擦系数对尾喷管的可靠运动影响最大是具有普适性的。因此确认上述三者为优化对象。18.所述的第一步中，销轴与销孔的单边间隙具体指的是发动机尾喷管上的各个部位的销钉与各自的销孔的单边间隙值。驱动气压具体指施加在尾喷管的固定端和滑动端中间区域的外围的气压压强值，外围驱动气压克服尾喷管内部压强，驱使尾喷管喉道收缩。材料表面摩擦系数具体指尾喷管材料表面的摩擦系数，在探究摩擦系数对可靠运动的影响时，主要考虑各个位置的销轴外圆柱面和销孔圆柱面以及其他接触面的摩擦系数。摩擦系数通过复合材料表面粗糙度ra与摩擦系数μ函数关系得到，函数关系式为：[0019][0020]所述第三步中，为进行尾喷管驱动气压、摩擦系数的优化研究，需确定优化效果的评价指标。在尾喷管运动过程中的冲击‑震荡，尤其初次冲击‑震荡过程是分析的重点，应关注与其相关的运动指标。除运动性能外，还需要从局部应力集中状态和损伤失效情况两方面对优化效果进行评估。尾喷管所用复合材料属于脆性材料，符合第二强度准则所述情况，所以采取抗拉强度和抗压强度作为失效判据。因此，所述的评价指标具体指：以尾喷管运动过程中冲击碰撞前后的速度、碰撞过程关键时间节点和收缩稳定时间时间等作为尾喷管运动性能评价指标，以尾喷管关键分析位置，各销轴的复合材料在x，y，z方向上最大拉压应力和节点拉伸、压缩损伤失效比例作为局部应力集中状态和损伤失效评价指标。[0021]所述第四步中，要对不同参数进行有限元计算，需要创建模型、设置材料属性、设置分析步、设置边界条件和载荷、划分网格等步骤，在划分网格时，有限元法将分析模型划分为诸多较小网格单元实现模型离散化，其中通过网格单元中积分点确定单元节点上力学响应，在一定程度内网格单元和其上的节点数量越多，计算结果越精确，但网格单元和节点数量的增加导致计算量的显著增加；因浮点计算舍入误差的存在，当网格单元数量过多时，计算精度反而会因误差累计而下降。因此对尾喷管模型主要结构网格尺寸值进行设定。[0022]所述第五步中，所述的可靠运动具体指满足运动灵活度评价指标和应力损伤失效评价指标的发动机尾喷管运动所述的参数选择建议指标具体指每个优化对象的最优数值建议以及较优数值区间建议，其中对销轴与销孔间隙参数的建议指标是根据销轴所在位置分别提出的，材料表面摩擦系数的建议指标也是根据销轴所在位置分别提出的。[0023]本发明的用于发动机尾喷管可靠运动的优化方法的有益效果为：[0024]本发明通过冲击动力学有限元仿真计算，分析出销轴位置装配间隙、摩擦系数和驱动气压均会对尾喷管运动性能、尾喷管中各个销轴局部应力集中状态和销轴损伤失效情况产生显著影响，直接影响尾喷管运动灵活性和可靠性。并通过调整装配间隙和驱动气压改善尾喷管运动性能，提升其运动灵活性；通过调整装配间隙和摩擦系数改善销轴局部应力集中状态和损伤情况，提升尾喷管的可靠性。附图说明[0025]图1为本发明的方法流程图；[0026]图2为收敛扩张型尾喷管的主要结构；[0027]图3为尾喷管的内外气压分布情况；[0028]图4为a、b、c销钉的速度和位移随时间变化的图像；[0029]图5为c销钉的最大拉压应力随时间变化的图像；[0030]图6为优化评价指标随装配间隙值变化的图像；[0031]图7为优化评价指标随摩擦系数变化的图像；[0032]图8为优化评价指标随驱动气压变化的图像。具体实施方案[0033]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将参照附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0034]下面将详细描述本发明实施例的各个方面的特征。在下面的详细描述中，提出了许多具体的细节，以便对本发明的全面理解。本发明不限于下面所提供的任何具体设置和方法，而是覆盖了不脱离本发明精神的前提下所覆盖的所有的产品结构、方法的任何改进、替换等。[0035]在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。[0036]应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。[0037]下面以某型号发动机复合材料可调尾喷管可靠运动优化实例说明本发明的发动机尾喷管可靠运动优化方法：[0038]图1为cf/sic材料收敛扩张型可调尾喷管的结构示意图，结构在周向上具有周期重复性。d、e片跟随ab片和bc片运动，而ab片和bc片结构在理想化情况下运动形式等同于连杆滑块系统。由于cf/sic复合材料加工性较差，功能实现和加工工艺的考虑，尾喷管a、b、c销轴处为间隙配合，各位置销轴、销孔尺寸中间值为：a～e销直径6.00mm；a～e销孔直径6.40mm；间隙值0.2mm。尾喷管通过气压驱动完成喉道缩小动作，驱动气压恒定为0.12mpa。如图2所示，尾喷管内侧压力在周向上大小相等，其中固定端处气压为0.16mpa，喉部位置气压为0.10mpa，滑动端位置气压为0.04mpa。气压值在固定端和喉部间、喉部和滑动端间延轴向方向线性变化。[0039]本实例的尾喷管可靠运动优化方法具体为：[0040]第一步、确定优化对象[0041]发动机尾喷管的运动特性主要受其装配工艺参数、工作条件参数和材料本身属性影响，通过对多个装配工艺参数、工作条件参数和材料表面参数进行敏感度分析得出，装配工艺参数中最重要的是连接销轴和销孔的单边间隙，销轴和孔的间隙值对尾喷管的运动灵活度影响最大；工作条件参数中最重要的是尾喷管内外驱动气压，驱动气压大小决定尾喷管收缩扩张的速度大小，对工件损伤失效程度影响是最显著的；材料本身属性中最重要的是表面摩擦系数，摩擦系数对尾喷管的运动速度和灵活度影响也是较大的。因此，为使喉道截面能够按要求变化，尾喷管机构各构件应尽可能快速、平顺地无损运动至指定位置，确定该收敛扩张型尾喷管的优化对象是销轴销孔单边间隙、材料表面摩擦系数以及驱动气压。[0042]销轴与销孔的单边间隙具体指的是发动机尾喷管上的各个部位的销钉与各自的销孔的单边间隙值。材料表面摩擦系数具体指尾喷管材料表面的摩擦系数，在探究摩擦系数对可靠运动的影响时，主要考虑各个位置的销轴外圆柱面和销孔圆柱面。摩擦系数通过复合材料表面粗糙度ra与摩擦系数μ函数关系得到，函数关系式为：[0043][0044]驱动气压具体指施加在尾喷管的固定端和滑动端中间区域的外围的气压压强值，外围驱动气压克服尾喷管内部压强，驱使尾喷管喉道收缩。[0045]第二步、确定参数优化范围[0046]根据确认的三个优化对象：销孔单边间隙、材料表面摩擦系数、驱动气压，针对各对象选择合适的数值范围进行优化计算，以便后续在此范围得出最优参数和较优区间。[0047]尾喷管结构中，a销，b销，c销，d销，e销与销孔的装配间隙设计值均为0.2mm，尾喷管外围驱动气压为0.12mpa，经表面粗糙度摩擦系数转换计算，各销轴与销孔的表面摩擦系数为0.29。根据以上尾喷管的实际情况设置合理的参数优化范围，对于销轴与销孔装配间隙，取优化范围为0.05～0.35mm，每隔0.05mm计算一次；对于驱动气压，取优化范围为0.1～0.18mpa，每隔0.01mpa计算一次；对于销轴销孔表面摩擦系数，取优化范围为0～0.5，每隔0.01计算一次。[0048]第三步、制定尾喷管可靠运动相关指标[0049]为进行尾喷管驱动气压、摩擦系数的优化研究，需确定优化效果的评价指标。为保证相关指标的有效性，首先对初始数据进行冲击动力学仿真计算，具体分析各个位置的销钉与销孔的接触情况，由于尾喷管整体模型复杂，其周向结构具有周期性，因此可以对尾喷管主要结构部分简化，图1放大部位即为简化结构，为了清楚表达销轴的运动形式，指定尾喷管轴向和尾喷管径向两方向，可见d销和a销的运动状态相差较小，e销和c销的运动状态相差较小，因此仅选取a、b、c三个位置的销钉进行比较。由初始数据仿真计算得出三个位置销钉的运动速度和位移如图4所示，可见c销的最大运动速度和位移是大于a销和b销的，发生碰撞时c销所承受的应力也是最大的。在结构上c销一方面与bc片上销孔配合，另一方面又和尾喷管尾部机构上的销孔配合。由于尾喷管尾部装置起到尾喷管运动限位作用，其运动自由度被限制为仅有尾喷管轴向，这使得c销能随其上的销孔发生沿尾喷管轴向的单向主运动，避免了运动方向、运动形式复杂以及震动过大、状态不稳带来的分析困难。综上，在a销、b销、c销三处销轴中以c销速度‑时间、位移‑时间曲线为主，b销为辅对尾喷管整体运动状态开展分析最为合适。[0050]对尾喷管运动过程中c销在x，y，z各方向上的展开分析。提取处理仿真模型中c销上各节点数据，获取各时刻c销上最大拉伸应力和最大压缩应力数据，如图4所示，c销在尾喷管运动过程中x，y，z方向上拉伸、压缩应力具有如下趋势特性：[0051](1)c销上压缩应力最大值水平显著高于拉伸应力最大值水平，其中压缩应力以x、y方向为主，z向压缩应力不显著；拉伸应力则以z向为主，x、y方向均不显著。[0052](2)c销应力峰值出现在初次冲击前的加速阶段和两次冲击‑震荡阶段，因此初始状态至第二次冲击完成这一时间区间为尾喷管运动过程中c销应力分析的主要对象。[0053]基于c销的典型性和各销轴处结构的相似，以上c销应力特性适用于尾喷管中各处销轴，并以此为参考开展后续参数优化研究。[0054]基于以上特性，制定运动性能评价指标和指标符号如下表所示：[0055][0056][0057]尾喷管所用的cf/sic复合材料强度极限值在这一范围时变化不大，复合材料属于脆性材料，符合第二强度准则所述情况，因此采取抗拉强度和抗压强度作为失效判据。该复合材料宏观尺度上为正交各向异性材料，在材料坐标系x、y、z三个主方向上具有不同力学性能，各方向上强度极限值如下表所示：[0058][0059]应力指标和损伤失效指标及其符号如下表所示：[0060][0061]第四步、建立尾喷管冲击动力学仿真[0062]将各参数优化范围中的数值分别输入到abaqus中进行冲击动力学仿真计算，本实例选择适合冲击等强非线性问题分析、无收敛性问题、计算效率更高的显式算法；接触类型选择通用接触，分别对通用接触算法中的法向接触行为和切向接触行为进行研究。根据冲击工况和材料特性在法向上通过罚函数方式定义“硬接触”行为；网格类型设置为：模型关键部位、接触位置和主体部位使用c3d8r网格，针对形状较为复杂的非重要部位使用c3d10m网格。[0063]第五步、分析仿真数据，提出建议指标[0064]对仿真分析结果进行数据提取和处理，得到运动性能评价指标、应力损伤评价指标与优化对象的图像关系，由于评价指标数量过多，而分析方法类似，因此选取几个评价指标与优化对象的图像关系作为示例。[0065]优化对象一、销孔配合单边间隙[0066]运动特性分析选取初次冲击碰撞前后c销速度绝对值之差和尾喷管收缩稳定时间作为示例，如图5所示的部分运动性能评价指标与装配间隙的变化趋势，初次冲击碰撞前后c销速度绝对值之差(即碰撞导致的速度损失)δvimpactloss值随配间隙值变化呈现三次曲线趋势，当装配间隙处于0.05‑ꢀ0.15mm范围和0.25‑0.35mm范围时，δvimpactloss值随装配间隙增加而减小；当装配间隙处于0.15‑ꢀ0.25mm范围时，δvimpactloss值随装配间隙增加而增加。当装配间隙为0.05mm时δvimpactloss值最大，装配间隙为0.20mm时最小。尾喷管收缩稳定时间tinitial‑stable值随装配间隙增加呈现先增加后趋于一稳定值的趋势。当装配间隙处于0.05‑0.20mm范围时，tinitial‑stable值随装配间隙增加而增加；当装配间隙处于0.20‑0.35mm范围时，tinitial‑stable值围绕23ms小幅波动，基本趋于一稳定值。[0067]销轴应力变化情况选取a、c销轴作为示例，如图6为a、c销各向上最大拉、压应力随装配间隙变化趋势，a销其上各向最大拉、压应力值随装配间隙增加先增加后减小，在间隙值0.10mm时达到最大，在0.10‑0.30mm范围时随间隙值增加显著减小，在0.30‑0.35mm范围时减小放缓，在间隙值为0.35mm时整体最优。c销中y向最大压应力值随间隙值增加而增加，z向最大压应力变化趋势不明显，综合为在间隙值为0.05mm时整体最优。销轴应力损伤失效情况要综合各轴上应力情况和强度指标进行统计，分析过程与应力变化情况分析过程近似，具体图表和详细步骤不再赘述。[0068]综上，从销轴上最大应力值和损伤失效比例值最小的同时满足尾喷管较优运动性能的考虑出发，应在c销位置采取0.05mm间隙值，d销位置采取0.20mm间隙值，a销、b销、e销位置均应采取0.35mm间隙值。[0069]优化对象二、表面摩擦系数[0070]销轴表面摩擦系数与运动特性指标变化趋势通过选取初次冲击碰撞前后c销速度绝对值之差δvimpactloss和尾喷管收缩稳定时间tinitial‑stable为示例进行分析，如图7，在摩擦系数处于0.00‑0.16范围时，初次冲击碰撞前后c销速度绝对值之差δvimpactloss值随摩擦系数增加波动增加；在摩擦系数处于0.16‑0.50范围时，δvimpactloss值随摩擦系数增加波动减小。在摩擦系数处于0.00‑0.23范围时，尾喷管收缩稳定时间tinitial‑stable值随摩擦系数增加阶梯式减小；在摩擦系数处于0.23‑0.50范围时，tinitial‑stable值随摩擦系数增加呈波动上升趋势。[0071]销轴表面摩擦系数与应力的变化趋势通过选取a、c轴为示例进行分析，如图8，a、c销中应力以z向最大拉应力和y向最大压应力为主，其次为y向最大拉应力和z向最大压应力，x向最大拉、压应力不显著，因此综合考虑各方向最大拉、压应力整体情况时以z向最大拉应力和y向最大压应力作为主要评价标准。a销、c销情况类似，其上各方向最大拉、压应力值随摩擦系数增加呈现减小趋势，在摩擦系数为0.50时时整体最优。损伤失效与摩擦系数关系分析方法近似，也不再赘述。[0072]综上，从销轴上最大应力值和损伤失效比例值最小的同时减小对尾喷管收缩过程运动性能影响的考虑出发，应分别控制a销、b销、c销摩擦系数在0.37、0.38和0.44以上，控制d销摩擦系数处于0.20‑0.44范围。如重视应力和损伤失效状态，应控制e销摩擦系数处于0.00‑0.05范围；若考虑牺牲e销部分力学表现，提升尾喷管整体运动性能，可控制e销摩擦系数处于0.22‑0.23范围。应尽量避免通过调整c销位置摩擦系数提升尾喷管收缩过程的运动性能。[0073]优化对象三、驱动气压[0074]驱动气压与运动特性指标变化趋势通过选取初次冲击碰撞前后c销速度绝对值之差δvimpactloss和尾喷管收缩稳定时间tinitial‑stable为示例进行分析，如图8，初次冲击碰撞前后c销速度绝对值之差δvimpactloss值随驱动气压变化波动较大，无显著整体趋势。在0.17mpa处δvimpactloss有最大值，0.11mpa处局部极大值与其接近；在0.13mpa处δvimpactloss有最小值，0.10mpa处δvimpactloss值与其接近。尾喷管收缩稳定时间tinitial‑stable值随驱动气压增加呈现二次减小趋势，减小速度逐渐放缓，在0.16‑0.18mpa范围基本趋于一稳定最小值。[0075]销轴表面摩擦系数与应力的变化趋势通过选取a、c轴为示例进行分析，如图8，a销在驱动气压处于0.10‑0.18mpa范围时其上各方向最大应力值随驱动气压增加而增加；在驱动气压处于0.10‑ꢀ0.17mpa范围时a销上除y向最大压应力外，其他各方向最大应力值随驱动气压增加出现增加放缓和减小趋势；c销在驱动气压从0.10mpa增加至0.11mpa各方向最大应力值快速增加，在驱动气压处于0.17‑0.18mpa范围时c销上各方向最大应力值随驱动气压增加出现增加放缓甚至减小的趋势。损伤失效与驱动气压关系分析方法近似，也不再赘述。[0076]综上，考虑尾喷管收缩过程运动性能、销轴上最大应力和损伤失效比例，应控制驱动气压使其处于0.11‑0.14mpa范围，当注重尾喷管收缩过程运动性能时，可在这一范围内采取较大值；当希望尽量改善尾喷管中销轴局部应力集中和损伤失效状态，关注尾喷管可靠性时，应在这一范围内采取较小的驱动气压。当前第1页12当前第1页12