CFM56-5B發(fā)動機VBV活門的鋼絲軟軸操控原理及軟軸剛度研究

CFM56-5B發(fā)動機VBV活門的鋼絲軟軸操控原理及軟軸剛度研究摘要CFM56-5B發(fā)動機空氣控制中的可調(diào)放氣活門（VBV）和可調(diào)靜子葉片（VSV）控制系統(tǒng)是及其重要的兩部分。它們可以讓低壓壓氣機（LPC）和高壓壓氣機（HPC）實現(xiàn)氣流匹配以便避免發(fā)動機喘振同時提供壓氣機最佳效率。發(fā)動機喘振如果得不到及時準確控制會很有可能導(dǎo)致飛機失速，從而使飛機失去穩(wěn)定性導(dǎo)致事故發(fā)生?？烧{(diào)放氣活門（VBV）根據(jù)飛機及發(fā)動機參數(shù)計算出對應(yīng)的開度，在頻繁的開度變換中活門零部件的性能具有較高的挑戰(zhàn)，尤其是實現(xiàn)周向同步傳動控制的鋼絲軟軸（FLEXIBLESHAFT）其對活門能準確快速開啟到指令位置起著很關(guān)鍵的作用。而在日常的維護中，鋼絲軟軸出現(xiàn)故障的頻率最高維護工作量最大。鑒于此，本文對活門鋼絲軟軸操控原理做出介紹以及借助ANSYSWorkbench對其剛度進行深入研究以便能夠進一步認識掌握VBV活門及其零件鋼絲軟軸。關(guān)鍵字：CFM56-5B發(fā)動機，VBV，LPC，HPC，氣流匹配，喘振，失速，穩(wěn)定性，最佳效率，鋼絲軟軸，ANSYSWorkbench，剛度

AbstractVariableBleedValve(VBV)andVariableStatorVane(VSV)controlsystemarethetwocriticalimportantpartsoftheCFM56-5Bengineaircontrolsystem.TheycangiveaerodynamicmatchingoftheLowPressureCompressor(LPC)withtheHighPressureCompressor(HPC)topreventenginesurgeasaresultgivingtheoptimumcompressorefficiency.Itispossiblethattheairplanewillstalliftheenginesurgecannotbecontrolwellandthentheairplanewouldlossstabilitywhichresultstheaccident.TheVariableBleedValve(VBV)calculatesthecorrespondingopeningaccordingtotheaircraftandengineparameters.Duringthefrequentopeningtransformation,theperformanceofthevalvepartsisinahighchallenge,particularlytheFLEXIBLESHAFTrealizingthecircumventialsynchronoustransmissioncontrolingwhichplaysacriticalroleintheaccuratlyandrapidlyopeningthevalvetothecommandposition.Duringthedailymaintenance,theflexibleshaftappearsthehighestfrequencyofbreakdownandthenthemaintenanceworkloadisgratest.Becauseofthis,thispaperwilldoaillustrationaboutthecontrolprincipleoftheflexibleshaftandconductsanin-depthstudyonitsrigiditywiththehelpofANSYSWorkbenchsoftware,asaresulttofurtherlyunderstandingandmasteringtheVBVvalveanditspartsflexibleshaft.KeyWords：CFM56-5Bengine，VBV，LPC，HPC，aerodynamicmatching，surge，stall，stability，optimumefficiency，flexibleshaft，ANSYSWorkbench，rigidity目錄31217_WPSOffice_Level11緒論 118012_WPSOffice_Level21.1背景及目的 120367_WPSOffice_Level21.2CFM56-5B發(fā)動機簡介 118012_WPSOffice_Level31.2.1發(fā)動機總概 120367_WPSOffice_Level31.2.2CFM56-5B發(fā)動機組成 27124_WPSOffice_Level21.3研究方法 37193_WPSOffice_Level21.4論文構(gòu)成及內(nèi)容 318012_WPSOffice_Level12CFM56-5B發(fā)動機防喘 322020_WPSOffice_Level22.1基元級速度三角形 331296_WPSOffice_Level22.2壓氣機防喘 431296_WPSOffice_Level32.2.1攻角 45666_WPSOffice_Level32.2.2喘振 528559_WPSOffice_Level32.2.3防喘措施 520367_WPSOffice_Level13VBV控制系統(tǒng) 65666_WPSOffice_Level23.1VBV系統(tǒng) 76632_WPSOffice_Level33.1.1VBV結(jié)構(gòu)組成 74447_WPSOffice_Level33.1.2鋼絲軟軸簡介 128638_WPSOffice_Level33.1.3鋼絲軟軸操控原理 1328131_WPSOffice_Level33.1.4VBV系統(tǒng)邏輯 147124_WPSOffice_Level14基于故障樹的VBV系統(tǒng)故障原因定性分析 1728559_WPSOffice_Level24.1VBV系統(tǒng)故障樹 176632_WPSOffice_Level24.2VBV系統(tǒng)故障樹定性分析 177193_WPSOffice_Level15基于ANSYSWorkbench仿真的鋼絲軟軸剛度研究 199068_WPSOffice_Level25.1仿真模型建立 192206_WPSOffice_Level35.1.1模型簡化 1928299_WPSOffice_Level35.1.2基于SolidWorks的鋼絲軟軸模型建立 1910212_WPSOffice_Level25.2ANSYSWorkbenchStaticStructural簡介 20860_WPSOffice_Level35.2.1ANSYSWorkbench簡介 2027894_WPSOffice_Level35.2.1StaticStructural簡介 2018273_WPSOffice_Level25.3鋼絲軟軸的設(shè)計參數(shù)對其彎曲剛度KM的影響研究 2120869_WPSOffice_Level35.3.1芯棒直徑d0對鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響 2216522_WPSOffice_Level35.3.2第i層鋼絲直徑di對鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響 239211_WPSOffice_Level35.3.3層數(shù)m對鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響 2417934_WPSOffice_Level35.3.4第i層鋼絲根數(shù)zi對鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響 2529288_WPSOffice_Level25.4鋼絲軟軸的設(shè)計參數(shù)對其扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響研究 263282_WPSOffice_Level35.3.1芯棒直徑d0對鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響 264101_WPSOffice_Level35.3.2第i層鋼絲直徑di對鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響 2721099_WPSOffice_Level35.3.3層數(shù)m對鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響 2819143_WPSOffice_Level35.3.4第i層鋼絲根數(shù)zi對鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響 2828760_WPSOffice_Level16鋼絲軟軸剛度公式推導(dǎo) 2928760_WPSOffice_Level26.1仿真模型建立 295463_WPSOffice_Level36.1.1模型簡化 29緒論1.1背景及目的航空運輸作為我國五大運輸方式——水運、公路、鐵路、管道、空運中的一種，以其快速性、安全性、舒適性、等特點成為龍頭。隨著航空科學(xué)技術(shù)的越發(fā)成熟和人民生活水平的提高，航空運輸越來越受到人們的青睞。應(yīng)中國民用航空局（CAAC）要求，民航運輸以適航安全為第一工作基準。所以，保證每輛飛機的安全可靠持續(xù)適航是航空公司穩(wěn)健運營的基礎(chǔ)，是必須放在最高工作位置上。以我國南方航空龐大機隊來看，A320系列機隊可以說是撐起半邊天，承擔(dān)著中短程航線的主要載客任務(wù)，可見A320系列機隊對航空公司重要性。同時，A320系列機隊中又有近三分之一的飛機配裝了CFM56-5B發(fā)動機。我們都知道發(fā)動機之于飛機而言就是它的“心臟”，是整輛飛機的動力來源，其重要性不言而喻。那么，發(fā)動機性能的好壞直接關(guān)系著飛機的適航安全，也關(guān)系著航空公司的經(jīng)濟效益?？紤]飛機的飛行高度、經(jīng)濟性、效率，發(fā)動機的設(shè)計有一系列設(shè)計參數(shù)。然而，由于外界環(huán)境的不斷變化，發(fā)動機往往是工作在非設(shè)計狀態(tài)，此時的運作參數(shù)與發(fā)動機本身設(shè)計的幾何形狀不協(xié)調(diào)匹配。如果此運作參數(shù)不加以修正調(diào)整就會很可能使發(fā)動機發(fā)生喘振，性能下降進而導(dǎo)致飛機失速緊接著發(fā)生事故。依據(jù)發(fā)動機防喘的原理現(xiàn)行有效的三種措施是：1）中間級放氣2）可調(diào)靜子葉片3）雙轉(zhuǎn)子或多轉(zhuǎn)子。對應(yīng)上述的前兩種防喘措施，CFM56-5B發(fā)動機的可調(diào)放氣活門（VBV）和可調(diào)靜子葉片（VSV）控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)直接關(guān)系著發(fā)動機防喘的成功與否。因此，本文對可調(diào)放氣活門（VBV）控制系統(tǒng)進行闡述并依據(jù)典型故障中鋼絲軟軸這個零件借助ANSYSWorkbench仿真分析來研究其剛度讓讀者充分認識VBV控制系統(tǒng)和其零件鋼絲軟軸。1.2CFM56-5B發(fā)動機簡介1.2.1發(fā)動機總概1903年萊特兄弟采用活塞式發(fā)動機把第一架裝有兩個推進式螺旋槳的雙翼飛機送上天空。經(jīng)過36年的發(fā)展創(chuàng)新，1939年第一架配裝噴氣發(fā)動機的德國亨克爾He178飛機試飛成功，宣告噴氣時代的到來。經(jīng)由半個多世紀的發(fā)展，噴氣發(fā)動機發(fā)展出渦噴、渦扇、渦軸、渦槳、槳扇等不同用途和性能的發(fā)動機。本文所提及的CFM56-5B發(fā)動機就是屬于渦扇類型。燃氣渦輪噴氣發(fā)動機是將燃油化學(xué)能燃燒釋放出的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的裝置。它是熱機也是推進器，熱機實現(xiàn)把燃油化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)化為熱能，推進器實現(xiàn)把熱能轉(zhuǎn)化為推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的機械能。其核心機是由壓氣機、燃燒室、渦輪這三大部分組成。在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的渦扇發(fā)動機以其推力大、推進效率高、噪音低等特點成為現(xiàn)民航發(fā)動機的主流【1】。1.2.2CFM56-5B發(fā)動機組成CFM56-5B發(fā)動機屬于雙轉(zhuǎn)子渦扇發(fā)動機。其由進氣道、風(fēng)扇、低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和尾噴管組成，如圖1.1所示。其有內(nèi)外兩個涵道，如圖1.2所示。氣流經(jīng)過風(fēng)扇后被分成兩股，一股進入內(nèi)涵道，另一股進入外涵道。進入內(nèi)涵道的氣流經(jīng)壓氣機壓縮后再燃燒室與燃油混合燃燒，釋放的高溫高壓氣流推動渦輪葉片對核心機轉(zhuǎn)子做功（產(chǎn)生N2），核心機轉(zhuǎn)子通過齒輪箱進而帶動低壓轉(zhuǎn)子上的風(fēng)扇和壓氣機轉(zhuǎn)動（產(chǎn)生N1）。對渦輪葉片做功后的氣體經(jīng)尾噴管向后高速排出并作用在外界氣體上。由于反作用，外界氣體對飛機機體產(chǎn)生持續(xù)反作用推力。進入外涵道的氣流經(jīng)風(fēng)扇壓縮后向后加速排出也產(chǎn)生反作用推力。而且，外涵道的產(chǎn)生反作用推力占整個發(fā)動機推力的80%以上。-進氣道；-風(fēng)扇；-低壓壓氣機；?-高壓壓氣機；?-燃燒室；?-高壓渦輪；?-低壓渦輪；?-尾噴管圖1.1發(fā)動機組成PRIMARYFLOW-內(nèi)涵道；SECONDARYFLOW-外涵道；THRUSTREVERSER-反推圖1.2內(nèi)涵道和外涵道1.3研究方法本論文在闡述VBV鋼絲軟軸操控原理后借助ANSYSWorkbench仿真分析來研究其設(shè)計參數(shù)對其剛度的影響規(guī)律。研究方法就是在SolidWorks中建好模型然后倒入ANSYSWorkbench中運用StaticStructural模塊研究其設(shè)計參數(shù)對其彎曲剛度KM和扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響。1.4論文構(gòu)成及內(nèi)容本論文主要是闡述VBV鋼絲軟軸的操控原理和運用ANSYSWorkbench研究鋼絲軟軸設(shè)計參數(shù)對其彎曲剛度KM和扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響。為了能透徹說明VBV鋼絲軟軸操控原理，本論文將對航空發(fā)動機、發(fā)動機防喘、VBV結(jié)構(gòu)組成、鋼絲軟軸建模、ANSYSWorkbench-StaticStructural進行闡述說明。2CFM56-5B發(fā)動機防喘由于外界環(huán)境參數(shù)（壓力、溫度等）的不斷變化，發(fā)動機往往是工作在非設(shè)計狀態(tài)，此時的運作參數(shù)與發(fā)動機本身設(shè)計的幾何形狀不協(xié)調(diào)匹配。如果此運作參數(shù)不加以修正調(diào)整就會很可能使發(fā)動機發(fā)生喘振，使發(fā)動機性能急劇下降。發(fā)動機防喘就是要控制調(diào)節(jié)流到壓氣機氣流的流量和角度。下面我們就壓氣機氣流分析和防喘做出闡述。2.1基元級速度三角形壓氣機的基元級葉柵包括一級動葉葉柵（工作葉柵）和一級靜葉葉柵（整流器葉柵）。針對動葉葉柵氣流速度研究，我們定義動葉葉柵以圓周速度（牽連速度）u運動，w代表氣流與葉片的相對速度，c代表氣流絕對速度。由力學(xué)公式絕對速度=相對速度+牽連速度可得：（2.1）以下標表示動葉進口，以下標表示動葉出口，則葉輪速度三角形如圖2.1所示。圖中c代表動葉進口絕對速度，c代表動葉出口絕對速度，w代表動葉進口相對速度,w代表動葉出口相對速度，u代表牽連速度。為研究方便，將動葉進口和出口的速度三角形簡化后畫在一起得到簡化速度三角形，如圖2.2所示。圖中ca代表動葉進口絕對速度c在軸向的分量，cu代表動葉進口絕對速度c在切向的分量，ca代表動葉出口絕對速度c在軸向的分量，cu代表動葉出口絕對速度c在切向的分量。圖2.1葉輪速度三角形圖2.2簡化速度三角形2.2壓氣機防喘2.2.1攻角壓氣機的攻角是指動葉進口處的相對速度w與葉片弦線之間的夾角，如圖2.3所示。由圖2.2簡化速度三角形可以看到影響攻角大小的因素有：轉(zhuǎn)速u動葉進口處絕對速度c大小和方向（ca和cu）α-攻角圖2.3攻角攻角的正負定義采用逆時針為正，順時針為負的原則。圖2.3所示就是正攻角。2.2.2喘振喘振是氣流在壓氣機軸向方向上發(fā)生低頻率、高振幅的震蕩運動，是一種能量很高的激振力來源。喘振會導(dǎo)致發(fā)動機構(gòu)件的強烈機械振動和熱端超溫，在很短時間內(nèi)造成機構(gòu)嚴重損壞，嚴重影響飛機適航安全。因此，在任何情況下都不允許飛機在喘振區(qū)工作。喘振的根本原因是壓氣機實時工作下的攻角與設(shè)計攻角不一致，過大或過小。壓氣機的設(shè)計是按照設(shè)計工作點的氣動參數(shù)來設(shè)計的，而飛機實時運轉(zhuǎn)往往是在非設(shè)計狀態(tài)，也就是非設(shè)計狀態(tài)的參數(shù)與壓氣機的幾何形狀不協(xié)調(diào)匹配，這便會導(dǎo)致氣流攻角過大或過小【2】。2.2.3防喘措施防喘的原理是通過一些措施使壓氣機在非設(shè)計狀態(tài)下也能保持與葉片幾何形狀相協(xié)調(diào)的速度三角形，以致于攻角合適。根據(jù)影響攻角的因素（ca、cu和u），我們可得到以下三種防喘的措施：壓氣機中間級放氣壓氣機中間級放氣會改變氣流流量，由流量公式：（2.2）可得，改變流量也就是改變動葉進口處絕對速度的軸向分量ca的大小來改變其相對速度w的大小和方向，改變攻角。CFM56-5B發(fā)動機采用可調(diào)放氣活門（VBV）來實現(xiàn)中間級放氣。當活門打開時，后幾級葉片空氣流量減小，軸向速度減小，使得其負攻角減小，實現(xiàn)防喘?？烧{(diào)導(dǎo)向葉片和整流葉片可調(diào)導(dǎo)向葉片和整流葉片的安裝角隨著壓氣機氣流流量的變化而變化，使得動葉進口處相對速度w方向基本保持不變，也就是攻角保持不變從而實現(xiàn)防喘?？烧{(diào)導(dǎo)向葉片和整流葉片不改變動葉進口處的相對速度w方向，只改變其大小，也就是改變動葉進口處絕對速度的切向分量cu。CFM56-5B發(fā)動機采用可調(diào)靜子葉片（VSV）系統(tǒng)來改變進口導(dǎo)向葉片（IGV）和靜子葉片（VSV）的安裝角以便達到防喘目的。雙轉(zhuǎn)子或多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雙轉(zhuǎn)子或多轉(zhuǎn)子的防喘是通過改變轉(zhuǎn)速u來改變動葉進口處相對速度w方向，以減小攻角實現(xiàn)防喘。CFM56-5B發(fā)動機設(shè)計成雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。當壓氣機偏離設(shè)計狀態(tài)時兩轉(zhuǎn)子會自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使得壓氣機在非設(shè)計狀態(tài)時攻角變化很小實現(xiàn)防喘。3VBV控制系統(tǒng)為了避免壓氣機喘振和能夠良好加速，CFM56-5B發(fā)動機裝備有可調(diào)放氣活門（VBV）這個空氣控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)是由液壓機械裝置（HMU）通過燃油伺服控制和由電子控制組件（ECU）控制，如圖3.1所示。ECU是發(fā)動機“大腦”控制著發(fā)動機的運行法則，HMU是將ECU發(fā)送來的電信號轉(zhuǎn)化為液壓能輸出的裝置?？烧{(diào)放氣活門（VBV）系統(tǒng)通過12個活門來控制流經(jīng)風(fēng)扇和升壓機到高壓壓氣機（HPC）的氣流流量。通過把多余的氣流旁通到外涵道中，VBV提高了在低速時低壓壓氣機（LPC）和高壓壓氣機（HPC）的氣流匹配。LPCOMPRESSOR-低壓壓氣機；HPCOMPRESSOR-高壓壓氣機;UNISSONRING-作動環(huán)；FUELGEARMOTOR-燃油伺服馬達；圖3.1VBV控制系統(tǒng)3.1VBV系統(tǒng)低速時，低壓壓氣機提供的空氣流量遠大于高壓壓縮機所能接受的流量。為了提供更合適的氣流，我們在升壓機和高壓壓氣機機之間安裝上VBV控制系統(tǒng)。在低速時，VBV是全開的，并將部分升壓機排入高壓壓氣機（HPC）的空氣旁通入外涵道中以此來避免低壓壓氣機（LPC）失速。在高速時，VBV是關(guān)閉的。3.1.1VBV結(jié)構(gòu)組成VBV位于風(fēng)扇罩中部箱體結(jié)構(gòu)中如圖3.2所示，并由以下部件組成：1）一個燃油伺服馬達2）一個止動機構(gòu)3）一個主放氣閥4）11個可調(diào)放氣閥5）軟軸6）反饋式傳感器（角位移傳感器）電子控制組件（ECU）計算VBV的位置。液壓機械組件（HMU）通過專用燃油伺服閥開度提供相應(yīng)的燃油壓力來驅(qū)動燃油伺服馬達。FUELGEARMOTOR-燃油伺服馬達；FUELPORTS-燃油口；FEEDBACKROD-反饋長桿；POSITIONSENSOR(RVDT)-位置傳感器；INTER-CONNECTINGFLEXIBLESHAFT-內(nèi)聯(lián)結(jié)軟軸；BLEEDVALVEANDMASTERBALLSCREWACTUATOR-主放氣閥和滾珠絲桿致動器；STOPMECHANISM-止動機構(gòu)圖3.2VBV系統(tǒng)組成1、燃油伺服馬達燃油伺服馬達將高壓燃油流轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力，通過止動機構(gòu)中的一個隨動螺母來定位主放氣閥。它是一個固定在止動機構(gòu)后法蘭上的容積式齒輪馬達，有兩個內(nèi)嚙合直齒輪，并由滾針軸承支撐。主動齒輪軸的密封采用碳密封。在輸出軸上安裝一個副唇形密封，并有一個排放裝置收集可能發(fā)生的任何內(nèi)部燃油泄漏，如圖3.3所示。電子控制組件（ECU）通過發(fā)送信號到液壓機械組件（HMU）中來控制燃油伺服閥的開度來持續(xù)控制流到伺服馬達的燃油壓力和流量。STOPMECHANISM-止動機構(gòu)；OUTPUTSHAFT-輸出軸；O-RINGSEAL-O型圈；SECONDARYLIPSEAL-副唇密封；CARBONSEALS-碳密封；BEARING-軸承；GEAR-齒輪；ATTACHINGPOITSTOSTOPMECHANISM-止動機構(gòu)固定點；FUELGEARMOTOR-燃油伺服馬達；OPENPORTTUBE-開啟油管；CLOSEDPORTTUBE-關(guān)閉油管圖3.2燃油伺服馬達2、止動機構(gòu)止動機構(gòu)能夠?qū)⑷加退欧R達的轉(zhuǎn)數(shù)限制一個準確數(shù)量。這個數(shù)量是指VBV閥門執(zhí)行一個完整的行程(從關(guān)閉到最大打開位置)所需的轉(zhuǎn)數(shù)。因此，這能為VBV系統(tǒng)的安裝和調(diào)整提供了參考位置。其后部法蘭有一個位置是來安裝位置傳感器的。止動機構(gòu)位于燃油伺服馬達和主滾珠絲桿執(zhí)行機構(gòu)之間，如圖3.3所示，它主要的部件如下：1）一條軟軸軟軸連接著燃油伺服馬達輸出軸和主放氣閥滾珠絲桿執(zhí)行機構(gòu)的減速箱。2）一個隨動螺母隨動螺母隨著螺桿旋轉(zhuǎn)移動，當它觸及安裝在螺桿兩端的止動點時會說明已經(jīng)到達活門開關(guān)最大行程處，這時就會阻止燃油伺服馬達繼續(xù)轉(zhuǎn)動。STOPMECHANISM-止動機構(gòu)；DOGSTOPS-止動點；FANFRAME-風(fēng)扇罩；PROTECTIVEBOOT-保護靴套；MAINFLEXIBLEDRIVESHAFT-主驅(qū)動軸；SCREW-螺桿；FOLLOWERNUT-隨動螺母圖3.3止動機構(gòu)3、主放氣閥主放氣閥和滾珠絲杠致動器是一個整體組件，如圖3.4所示，它將從燃油伺服馬達輸入的驅(qū)動力傳輸?shù)狡溆?1個可變放氣閥（VBV’s）。它位于風(fēng)扇罩中部箱體結(jié)構(gòu)中支板10和支板11之間,主要部件如下：一個減速箱減速箱裝配有一對外嚙合直齒輪和兩對斜齒輪。燃油伺服馬達輸出軸傳輸?shù)街鞣艢忾y的動力經(jīng)由減速箱的三對齒輪減速后傳遞到滾珠絲桿致動器進而控制活門的開關(guān)。2）一個滾珠絲桿致動器滾珠絲桿致動器與閥門鉸接，直接驅(qū)動主放氣閥的開關(guān)。閥門通過一個反饋短桿與反饋長桿鉸接，活門運動時通過反饋長桿把其具體位置傳遞給反饋式傳感器（RVDT）。MAINSHAFTSOCKET-主軸槽；FLEXIBLESHAFTSOCKET-軟軸槽；BALLSCREW-滾珠絲桿；TRANSLATINGNUT-變換螺母；PROTECTINGBOOT-保護靴套；INPUTSHAFTSOCKET-輸入軸槽；LINK-鉸鏈；BALLSCREWACTUATOR-滾珠絲桿致動器；DOORPOSITIONFEEDBACKINDICATOR-閥門位置反饋指示圖3.4主放氣閥4、可調(diào)放氣閥其余11個可調(diào)放氣閥也是安裝在風(fēng)扇罩中部箱體結(jié)構(gòu)中，每一個風(fēng)扇罩相鄰支板間安裝一個，12個風(fēng)扇罩支板總共安裝了12個放氣閥（1個主放氣閥和11個可調(diào)放氣閥）?？烧{(diào)放氣閥參照主放氣閥相同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計，但是它們減速箱只有一對斜齒輪而不是主放氣閥減速箱那樣有一對直齒輪和兩對斜齒輪。可調(diào)放氣閥與主放氣閥同步運動，它們之間的聯(lián)動是靠一系列的軟軸實現(xiàn)的。5、主驅(qū)動軸主驅(qū)動軸是一個撓性軸，它一端是六邊頭另一端是花鍵頭，如圖3.5所示?；ㄦI頭這端安裝有一條彈簧，當操作時彈簧能保持軸在位以及有助于軸的拆裝。主驅(qū)動軸是多股鋼索扭結(jié)在一起組成的，其在軸向上可以很靈活彎曲，耐扭性很強以便傳遞扭矩。主驅(qū)動軸安裝在驅(qū)動它的燃油伺服馬達和主放氣閥之間，如圖3.3所示。6、放氣閥位置傳感器放氣閥位置傳感器通過電反饋信號把VBV閥門的實時角位置傳輸給電子控制組件（ECU），ECU通過與其計算的指令位置比較后實現(xiàn)閉環(huán)控制。它是一個旋轉(zhuǎn)差動式傳感器并安裝在止動機構(gòu)后法蘭上。它有兩條白色直刻槽標線（一條在反饋短桿上一條在傳感器機體上），這兩個標線在系統(tǒng)調(diào)整到參考全關(guān)位置時要對齊，如圖3.6所示。我們可以通過連接在傳感器反饋短桿上的反饋長桿（圓棒）來調(diào)整到參考位置。FEEDBACKROD-反饋長桿；FEEDBACKLEVER-反饋短桿；ALIGNMENTMARK-參考標線圖3.6位置傳感器7、軟軸軟軸安裝在可調(diào)放氣閥之間，它一端是六邊頭另一端是雙正方形頭，如圖3.5所示。六邊頭這端安裝有一條彈簧，當操作時彈簧能保持軸在位以及有助于軸的拆裝。軟軸是多股鋼索扭結(jié)在一起組成的，其在軸向上可以很靈活彎曲這樣方便周向分布活門之間的連接，耐扭性很強以便傳遞扭矩。MAINDRIVESHAFT-主驅(qū)動軟軸；INTER-CONNECTINGFLEXIBLESHAFT(TIPICAL)-內(nèi)連接軟軸圖3.5主驅(qū)動軸和軟軸3.1.2鋼絲軟軸簡介軟軸其和我們熟悉的普通軸一樣是用來傳遞轉(zhuǎn)矩的。除此之外，軟軸因為彎曲剛度較小可以輕易實現(xiàn)軸向彎曲來避開障礙物，這可以實現(xiàn)軸線不在同一直線的兩傳動件的傳動，同時其在振動場所也能起到緩和沖擊的作用。依據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為鋼絲繞線式、聯(lián)軸器式和鋼絲彈簧式；依據(jù)其功能可分為“G型”動力傳動用軟軸和“K型”控制傳動用軟軸。本文中所涉及到的VBV軟軸因為其需要精準控制和傳動所以屬于“K型”鋼絲繞線式軟軸，其層數(shù)和每層根數(shù)較多因而扭轉(zhuǎn)剛度較大能實現(xiàn)精準控制和傳動。1、鋼絲軟軸結(jié)構(gòu)鋼絲軟軸屬于“K型”鋼絲繞線式軟軸，其有一條芯棒，圍繞著芯棒是一層一層的彈簧鋼絲層，每層又是由多根機械性能一樣的彈簧鋼絲并緊繞制而成。相鄰兩層鋼絲層繞制方向相反，一層左旋，另一層右旋，如圖3.6和圖3.7所示。這樣在傳遞轉(zhuǎn)矩時一層趨于擰松一層趨于擰緊，使得各層之間趨于擰緊；其旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)使最外層鋼絲擰緊是最好的。圖3.6鋼絲軟軸模型結(jié)構(gòu)圖3.7鋼絲軟軸結(jié)構(gòu)2、鋼絲軟軸規(guī)格鋼絲軟軸屬于“K型”鋼絲繞線式軟軸。根據(jù)機械手冊中對于“K型”鋼絲軟軸的軸心和各層鋼絲根數(shù)其規(guī)格如圖3.8所示。圖3.8K型鋼絲軟軸結(jié)構(gòu)規(guī)格3.1.3鋼絲軟軸操控原理VBV閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3.7所示。電子控制組件（ECU）使用發(fā)動機參數(shù)根據(jù)內(nèi)部控制法則來計算出VBV的指令位置。信號傳遞到液壓機械組件（HMU）中通過控制燃油伺服閥的開度來把電信號轉(zhuǎn)化輸出為伺服馬達需要的燃油壓力和流量。伺服燃油在燃油伺服馬達中轉(zhuǎn)化為機械信號后驅(qū)動由主驅(qū)動軟軸轉(zhuǎn)動。主驅(qū)動軟軸經(jīng)由減速箱減速后借助滾珠絲桿機構(gòu)控制主放氣活門的開動，同時主活門的滾珠絲桿機構(gòu)通過其余11根軟軸同步傳動控制其余11個放氣活門的開動，如圖3.2所示。3.1.4VBV系統(tǒng)邏輯VBV閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3.7所示。電子控制組件（ECU）使用發(fā)動機參數(shù)根據(jù)內(nèi)部控制法則來計算出VBV的指令位置。信號傳遞到液壓機械組件（HMU）中通過控制燃油伺服閥的開度來把電信號轉(zhuǎn)化輸出為伺服馬達需要的燃油壓力和流量。伺服燃油在燃油伺服馬達中轉(zhuǎn)化為機械信號后經(jīng)由主驅(qū)動軸控制主放氣閥的開關(guān)。閥門的位置經(jīng)由反饋桿機械反饋到傳感器中，傳感器把這個實時位置轉(zhuǎn)化為電信號后又反饋回ECU中與指令位置信號相比較來實現(xiàn)閉環(huán)控制VBV的位置。ECU-電子控制組件；HMU-液壓機械組件；SERVO-CONTROLVALVE-燃油伺服閥；FUELGEARMOTOR-燃油伺服馬達；STOPMECHANISM-止動機構(gòu)；POSITIONSENSOR-位置傳感器；FEEDBACKROD-反饋長桿；BALLSCREWACTUATOR-滾珠絲桿致動器；FEEDBACKREVERSERARM-反饋短桿圖3.7VBV閉環(huán)控制ECU通過各種發(fā)動機和飛機參數(shù)來計算VBV指令位置，如圖3.8所示。1）風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（N1）2）修正風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（N1K12）3）修正核心機速度（N2K25）4）環(huán)境靜壓力（P0）5）修正氣體總溫（T2）和HPC進氣口溫度（T25）6）VSV指令7）油門解析器角度（TRA）8）馬達測試指令圖3.8VBV指令計算參數(shù)VBV系統(tǒng)邏輯的7個塊如圖3.9所示：1、VBV基線原則這個塊包含3個基線原則，它們是用來計算VBV指令位置的。這3個基線準則是修正風(fēng)扇速度（N1K12）的函數(shù)。2、升壓機和高壓壓氣機匹配參數(shù)計算為了更有效地匹配兩個壓氣機，這是有必要去計算一個能體現(xiàn)它們當前匹配的項。這個項是通過修正風(fēng)扇速度（N1K12），修正氣體總溫（T2），HPC進氣口溫度（T25）,修正核心機速度（N2K25），和指示高壓壓氣機情況的VSV位置這些參數(shù)來計算的。3、VBV指令計算這個塊使用塊2中計算好的項和VBV基線來計算一個VBV指令位置。4、控制反推力偏差這個塊檢查油門位置。VBV在發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時會打開來排氣，所以當油門解析器角度（TRA）到達反推慢速上限時，這個塊會發(fā)送一個指令去增大VBV閥門的開度。5、惡劣天氣修正，反推（T/R）修正和濾選根據(jù)環(huán)境靜壓力（P0）和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（N1）來判斷是否為惡劣天氣。如果是，VBV開度就變大也就是高濕度的空氣進入內(nèi)涵道的流量就少了，這樣能更好去除冰雹和水來阻止發(fā)動機熄火。這個塊也接受塊4中的反推力偏差信號來計算反推門的開度。最后，輸出信號會濾選在最小值和最大值之間來限制活門的行程來避免觸及止動機構(gòu)中的止動點。6、阻尼邏輯速率限制器的運行邏輯限制VBV閥門在運動時速率的大小來減小機械磨損。7、VBV指令選擇這個功能選擇以下中的一個或者兩個輸出：1）測試信號：這個邏輯塊會根據(jù)FADEC靜態(tài)測試中馬達測試指令把VBV設(shè)立在全開位或者全關(guān)位。它檢查VBV閥門的整個運動范圍是否正常。2）VBV指令信號：在正常操作中，塊6發(fā)出的信號會直接發(fā)送到塊7中然后輸出VBV指令并發(fā)送到VBV閉環(huán)控制回路中。圖3.9VBV系統(tǒng)邏輯塊VBV控制法則基線：VBV控制法則的三條基線是修正風(fēng)扇速度（N1K12）的函數(shù)，它來提供VBV位置的標準值，如圖3.10所示。這個標準值會根據(jù)發(fā)動機真實情況比如油門位置、惡劣天氣等來進行修改。如圖3.10所示，VBV在低速時全開，在達到巡航速度后全關(guān)。圖3.9VBV控制法則基線4基于故障樹的VBV系統(tǒng)故障原因定性分析4.1VBV系統(tǒng)故障樹根據(jù)3.1章節(jié)對VBV系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)介紹以及在日常維修中的記錄，我們可以看到導(dǎo)致VBV系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因有：閥門故障、滾珠絲桿致動器故障、鋼絲軟軸故障、止動機構(gòu)故障、燃油伺服馬達故障、傳感器故障、液壓機械組件（HMU）故障。正對這些原因因素的邏輯關(guān)系，我們可以得到以下故障樹，如圖4.1所示。圖4.1VBV系統(tǒng)故障樹4.2VBV系統(tǒng)故障樹定性分析根據(jù)圖4.1所示的故障樹，我們定義其七個基本事件和頂事件如下表4.1所示。表4.1故障事件定義代碼YX1X2X3X4X5X6X7故障事件VBV系統(tǒng)閥門滾珠絲桿致動器鋼絲軟軸止動機構(gòu)燃油伺服馬達傳感器HMU根據(jù)圖4.1和表4.1，利用上行法，自下而上凡是有或門則輸出是輸入事件的邏輯和，則頂事件的結(jié)果邏輯表達式為：（4.1）在X1-X7這七個基本事件中，根據(jù)飛機飛行記錄和維修記錄，對基本事件的頻率大小排序如下：X3>X5>X4>X6>X1>X7>X2也就是說CFM56-5B發(fā)動機VBV系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因次數(shù)最多的三種分別是：鋼絲軟軸鉸斷、燃油伺服馬達漏油、止動機構(gòu)卡阻。1、止動機構(gòu)卡阻相比于CFM56-3發(fā)動機，CFM56-5B發(fā)動機采用全權(quán)限數(shù)字電子控制（FADEC）系統(tǒng)。VBV系統(tǒng)采集除了CFM56-3要求的VSV的開度信號外更多的信號來控制邏輯，如圖3.8所示。如此多的信號源使得VBV控制系統(tǒng)的靈敏度很高，任何一個參數(shù)的微小變化就可能使得VBV活門作動。也就是說，止動機構(gòu)會頻繁作動使得隨動螺母加速磨損，產(chǎn)生變形。有時甚至有高能沖撞，撞裂螺母，隨即止動機構(gòu)卡死，也就導(dǎo)致活門的卡阻，VBV系統(tǒng)出現(xiàn)故障。2、燃油伺服馬達漏油在航線維護中有因為發(fā)動機故障原因而導(dǎo)致航班延誤或取消；而發(fā)動機故障中燃油伺服馬達漏油是首要因素。當發(fā)動機冷發(fā)啟動時，尤其是在冬天溫度較低的時候，燃油伺服馬達里的橡膠密封圈由于外界溫度原因收縮較大，而流過的燃油溫度不足以使密封圈及時完全膨脹，使得密封圈密封存在短暫間隙，從而高壓燃油便會漏出，這是正?，F(xiàn)象。但燃油伺服馬達可能由于磨損而出現(xiàn)漏油，這是要值得注意的。在磨損原因中齒輪表面和軸承板之間過度磨損、軸承磨損并過熱和主軟軸碳封嚴磨損是主要原因。3、鋼絲軟軸鉸斷VBV系統(tǒng)采用機械傳動的方式，那么其位置的調(diào)定往往是保證機構(gòu)正常安全運轉(zhuǎn)的首要因素。而這些調(diào)定工作由于存在人為因素差錯會不能保證是真正調(diào)定到參考位置。比如止動機構(gòu)時，沒有轉(zhuǎn)動到全關(guān)參考位置或者連接主鋼絲軟軸軸時松動了隨動螺母，這會導(dǎo)致活門已經(jīng)全關(guān)時，燃油伺服馬達因為隨動螺母未到達止動點而繼續(xù)轉(zhuǎn)動。此時作用在鋼絲軟軸的力矩過大，造成鋼絲軟軸鉸斷，VBV系統(tǒng)出現(xiàn)故障。5基于ANSYSWorkbench仿真的鋼絲軟軸剛度研究由4.2章節(jié)可知，在VBV系統(tǒng)故障原因中，鋼絲軟軸出現(xiàn)的頻率最大，可見其性能的保證是VBV系統(tǒng)能正常運轉(zhuǎn)準確控制的首要因素。那么我們就很有必要對鋼絲軟軸這個零件做研究。鋼絲軟軸在VBV系統(tǒng)中是起傳動控制的作用，要想實現(xiàn)精準控制，那么對于鋼絲軟軸的剛度要求就要很高。鑒于此，本章運用ANSYSWorkbench仿真軟件研究鋼絲軟軸的設(shè)計參數(shù)對其彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的影響。5.1仿真模型建立5.1.1模型簡化由3.1.1章節(jié)我們可以看到鋼絲軟軸又三部分組成，其前端是六邊頭中部是鋼絲軟軸后端是花鍵頭，如圖5.1所示。其前后端與中部的軟軸是剛性連接，其約束載荷可以認為是無損失傳遞到鋼絲軟軸兩段。所以，在ANSYS分析中，為了減小工作量和方便載荷約束施加，我們可以把前后端的剛性結(jié)構(gòu)看做一個節(jié)點，只需要針對中間部分的鋼絲軟軸進行建模分析即可。圖5.1軟軸實物圖5.1.2基于SolidWorks的鋼絲軟軸模型建立ANSYSWorkbench中有DesignModeler模塊可以進行幾何模型的建立，但是其操作步驟相較于SolidWorks比較繁瑣。所以我采取在SolidWorks中把模型建好再導(dǎo)入ANSYSWorkbench的DesignModeler模塊中進行分析。DesignModeler可以讀取的外部CAD模型格式有：UGNX（*.prt）、Pro/ENGINEER（*.prt，*.asm）、SolidWorks（*.sldprt，*.sldasm）、IGES（*.igs，*.iges）、STEP（*.stp，*.step）等等本文中采用在SolidWorks中建好模型保存為*.step格式后導(dǎo)入DesignModeler中進行分析。在SolidWorks建模中使用拉伸掃描命令來建立鋼絲軟軸的三維模型，其結(jié)果如圖5.2所示。圖5.2鋼絲軟軸建模5.2ANSYSWorkbenchStaticStructural簡介5.2.1ANSYSWorkbench簡介ANSYSWorkbench是ANSYS公司為了把其旗下的所有軟件包括其收購的軟件都整合在一起的一個新一代協(xié)同仿真工作平臺。其操作簡單，方便快捷，很適合初學(xué)者進行ANSYS有限元分析學(xué)習(xí)。其操作很符合工程分析思維，操作模塊化，流程非常清晰。ANSYSWorkbench能實現(xiàn)對機械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、模態(tài)分析、屈曲分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、熱分析和流體動力學(xué)分析。5.2.1StaticStructural簡介StaticStructural是ANSYSWorkbench靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析集成模塊。本文中研究鋼絲軟軸的設(shè)計參數(shù)對其彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的影響就是要運用StaticStructural集成模塊，其包含的模塊如圖5.3所示。其各個模塊的含義如下：1、EngineeringData這個模塊實現(xiàn)模型材料屬性的定義，包括密度、彈性模量、泊松比和剪切模量。Geometry這個模塊可以直接讀入符合格式的模型信息也可以啟動DesignModeler應(yīng)用程序進行建模。3、Model這個模塊啟動Mechanical應(yīng)用程序可以實現(xiàn)網(wǎng)格劃分控制、約束載荷施加、求解和結(jié)果顯示。Setup——設(shè)置、Solution——求解和Results——結(jié)果這三個模塊都集成到Model中的Mechanical應(yīng)用程序中。StaticStructural操作流程是上而下：1）先在EngineeringData中定義材料屬性。本論文中所賦予的材料是普通彈簧鋼，密度（Density）：7850kg/m3，彈性模量（Young’sModulus）:209Gpa，泊松比（Poission’sRatio）：0.3，剪切模量（ShearModulus）：80Gpa2）接著在Geometry模塊中右鍵讀入預(yù)先在SolidWorks中建模后另存為*.step格式的幾何模型文件。3）然后在Model模塊中右鍵啟動Mechanical應(yīng)用程序進行對幾何模型的材料定義、網(wǎng)格劃分控制、施加約束載荷，求解得到結(jié)果。圖5.3StaticStructural5.3鋼絲軟軸的設(shè)計參數(shù)對其彎曲剛度KM的影響研究由3.1.2章節(jié)我們可以看到鋼絲軟軸有一條芯棒，圍繞著芯棒是一層一層的彈簧鋼絲層，每層又是由多根機械性能一樣的彈簧鋼絲并緊繞制而成。如圖3.7所示，其設(shè)計參數(shù)包括：1、芯棒直徑d02、第i層鋼絲直徑di3、層數(shù)m4、第i層鋼絲根數(shù)zi本章將研究4個設(shè)計參數(shù)對鋼絲軟軸彎曲剛度的影響。在StaticStructural中對鋼絲軟軸施加的約束是一端固定（FixedSupport），另一端施加一個向下的F=10N的力（Force），取軟軸長度l=30mm,網(wǎng)格劃分采用六面體主導(dǎo)方法（HexDominantMethod），網(wǎng)格單元尺寸（ElementSize）取0.1mm,求解時插入總體變形（TotalDeformation）看其在F作用下的撓度。把鋼絲軟軸看做是一根一端固定的懸臂梁，根據(jù)材料力學(xué)中懸臂梁最大撓度fB公式：（5.1）可知，當Fl3一定時，其最大撓度fB與其彎曲剛度KM成發(fā)比例關(guān)系。也就是彎曲剛度KM可以轉(zhuǎn)化為對最大撓度fB的比較。5.3.1芯棒直徑d0對鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響為研究芯棒直徑d0對鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響，我們需針對不同芯棒直徑d0進行建模，其模型具體數(shù)據(jù)如表5.1所示。表5.1不同芯棒直徑d0模型數(shù)據(jù)芯棒直徑d0第一層螺旋鋼絲中徑D21公稱直徑D螺距t編號Φ0.52xφ0.3Φ0.8Φ1.10.61Φ0.62xφ0.3Φ0.9Φ1.20.62Φ0.72xφ0.3Φ1.0Φ1.30.63Φ0.82xφ0.3Φ1.1Φ1.40.64Φ0.92xφ0.3Φ1.2Φ1.50.65Φ1.02xφ0.3Φ1.3Φ1.60.66Φ1.12xφ0.3Φ1.4Φ1.70.67按照以上參數(shù)建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到撓度結(jié)果，由于模型較多，取其中4個有代表性的仿真結(jié)果展示如圖5.4所示。d0=0.5d0=0.6d0=0.7d0=0.8圖5.4不同芯棒直徑d0仿真結(jié)果根據(jù)圖5.4所顯示的仿真結(jié)果我們可以看到：隨著芯棒直徑d0的變大，彎曲剛度KM先變大后變小，所以我們在設(shè)計鋼絲軟軸軸芯棒時在滿足其強度的條件下盡可能選擇小的直徑。鋼絲軟軸軸芯棒直徑d0按照彎扭合成來計算強度的公式是：（5.2）5.3.2第i層鋼絲直徑di對鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響為研究第i層鋼絲直徑di對鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響，我們需針對不同鋼絲直徑di進行建模，其模型具體數(shù)據(jù)如表5.2所示。表5.2不同鋼絲直徑di模型數(shù)據(jù)芯棒直徑d0第一層螺旋鋼絲中徑D21公稱直徑D螺距t編號Φ0.52xφ0.3Φ0.8Φ1.10.61Φ0.52xφ0.4Φ0.9Φ1.20.88Φ0.52xφ0.5Φ1.0Φ1.31.09Φ0.52xφ0.6Φ1.1Φ1.41.210Φ0.52xφ0.7Φ1.2Φ1.51.411Φ0.52xφ0.8Φ1.3Φ1.61.612Φ0.52xφ0.9Φ1.4Φ1.71.813按照以上參數(shù)建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到擾度結(jié)果，由于模型較多，取其中4個有代表性的仿真結(jié)果展示如圖5.5所示。di=0.3di=0.4di=0.5di=0.6圖5.5不同鋼絲直徑di仿真結(jié)果根據(jù)圖5.5所顯示的仿真結(jié)果我們可以看到：隨著鋼絲直徑di的變大，彎曲剛度KM先變大后變小再變大。那么我們在設(shè)計的時候就要避開使彎曲剛度KM減小的鋼絲直徑di。5.3.3層數(shù)m對鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響為研究層數(shù)m對鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響，我們需針對不同層數(shù)m進行建模。1、當芯棒直徑d0一定時，其模型具體數(shù)據(jù)如表5.3所示。表5.3d0一定層數(shù)m模型數(shù)據(jù)d0第一層第二層第三層第四層第五層第六層編號Φ0.52xφ0.31Φ0.52xφ0.32xφ0.314Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.315Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.316Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.317Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.318按照以上參數(shù)建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到擾度結(jié)果，由于模型較多，取其中4個有代表性的仿真結(jié)果展示如圖5.6所示。m=1m=2m=3m=4圖5.6d0一定層數(shù)m仿真結(jié)果根據(jù)圖5.6所顯示的仿真結(jié)果我們可以看到：當軸芯棒直徑d0一定時，隨著鋼絲層數(shù)m逐漸變大，彎曲剛度KM也隨著變大。那么我們在設(shè)計的時候可以隨著鋼絲軟軸公稱直徑的增大而增加層數(shù)m。2、當芯棒直徑d0和公稱直徑D一定時，其模型具體數(shù)據(jù)如表5.4所示。表5.4d0&D一定層數(shù)m模型數(shù)據(jù)d0第一層第二層第三層第四層第五層編號Φ0.52xφ1.719Φ0.52xφ0.72xφ1.020Φ0.52xφ0.32xφ0.62xφ0.821Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.52xφ0.622Φ0.52xφ0.32xφ0.32xφ0.32xφ0.42xφ0.423按照以上參數(shù)建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到擾度結(jié)果，由于模型較多，取其中4個有代表性的仿真結(jié)果展示如圖5.7所示。m=1m=2m=3m=4圖5.7d0&D一定層數(shù)m仿真結(jié)果根據(jù)圖5.7所顯示的仿真結(jié)果我們可以看到：當軸芯棒直徑d0和軟軸公稱直徑D一定時，隨著鋼絲層數(shù)m逐漸變大，彎曲剛度KM先變小后變大再變小。那么我們在設(shè)計的時候就要避開使彎曲剛度KM減小的鋼絲層數(shù)m。5.3.4第i層鋼絲根數(shù)zi對鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響為研究第i層鋼絲根數(shù)zi對鋼絲軟軸彎曲剛度KM的影響，我們需針對不同第i層鋼絲根數(shù)zi進行建模，其模型具體數(shù)據(jù)如表5.5所示。表5.5不同第i層鋼絲根數(shù)zi模型數(shù)據(jù)芯棒直徑d0第一層螺旋鋼絲中徑D21公稱直徑D螺距t編號Φ0.52xφ0.3Φ0.8Φ1.10.61Φ0.53xφ0.3Φ0.8Φ1.10.924Φ0.54xφ0.3Φ0.8Φ1.11.225Φ0.55xφ0.3Φ0.8Φ1.11.526Φ0.56xφ0.3Φ0.8Φ1.11.827Φ0.57xφ0.3Φ0.8Φ1.12.128Φ0.58xφ0.3Φ0.8Φ1.12.429按照以上參數(shù)建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到擾度結(jié)果，由于模型較多，取其中4個有代表性的仿真結(jié)果展示如圖5.8所示。z=2z=3z=3z=4根據(jù)圖5.8所顯示的仿真結(jié)果我們可以看到：隨著當層鋼絲根數(shù)z的逐漸增加，彎曲剛度KM先變大后變小。那么我們在設(shè)計的時候就要選擇使彎曲剛度KM最大的鋼絲根數(shù)z。5.4鋼絲軟軸的設(shè)計參數(shù)對其扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響研究本章將研究5.3章節(jié)所提到的4個設(shè)計參數(shù)對鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度的影響。在StaticStructural中對鋼絲軟軸施加的約束是一端固定（FixedSupport），另一端施加一個T=1000N.mm的扭矩（Moment），取軟軸長度l=30mm,網(wǎng)格劃分采用六面體主導(dǎo)方法（HexDominantMethod），網(wǎng)格單元尺寸（ElementSize）取0.1mm,添加局部柱坐標系，求解時插入用戶自定義結(jié)果（UserDefineResult）用表達式UY/R輸出扭轉(zhuǎn)角φ。把鋼絲軟軸看做是一根一端固定的圓軸，根據(jù)材料力學(xué)中圓軸扭轉(zhuǎn)角φ公式：（5.1）可知，當Tl一定時，其扭轉(zhuǎn)角φ與其扭轉(zhuǎn)剛度KT成反比例關(guān)系。也就是扭轉(zhuǎn)剛度KT可以轉(zhuǎn)化為對扭轉(zhuǎn)角φ的比較。5.3.1芯棒直徑d0對鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響為研究芯棒直徑d0對鋼絲軟軸扭轉(zhuǎn)剛度KT的影響，我們需針對不同芯棒直徑d0進行建模，其模型具體數(shù)據(jù)如表5.6所示。表5.6不同芯棒直徑d0模型數(shù)據(jù)芯棒直徑d0第一層螺旋鋼絲中徑D21公稱直徑D螺距t編號Φ0.52xφ0.3Φ0.8Φ1.10.61Φ0.62xφ0.3Φ0.9Φ1.20.62Φ0.72xφ0.3Φ1.0Φ1.30.63Φ0.82xφ0.3Φ1.1Φ1.40.64Φ0.92xφ0.3Φ1.2Φ1.50.65Φ1.02xφ0.3Φ1.3Φ1.60.66Φ1.12xφ0.3Φ1.4Φ1.70.67按照以上參數(shù)建模后在ANSYSWorkbench-StaticStructural中仿真得到扭轉(zhuǎn)角結(jié)果，由于模型較多，取其中4個有代表性的仿