劉錦濤

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院飛控系統(tǒng)設(shè)計研究部高升力系統(tǒng)室,上海 200125)

內(nèi)襟翼運(yùn)動機(jī)構(gòu)多體動力學(xué)仿真分析

劉錦濤

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院飛控系統(tǒng)設(shè)計研究部高升力系統(tǒng)室,上海 200125)

本文在LMS Virtual.Lab Motion平臺上建立了飛機(jī)內(nèi)襟翼運(yùn)動機(jī)構(gòu)多體運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真分析模式,通過仿真模型的分析結(jié)果,意在說明對飛機(jī)內(nèi)襟翼等大型復(fù)雜運(yùn)動結(jié)構(gòu)建立多體動力學(xué)仿真模型的流程及方法,為下一步進(jìn)行大型復(fù)雜運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)可靠性的分析和探討提供計算仿真模型的依據(jù)。

襟翼運(yùn)動機(jī)構(gòu) Virtual.Lab Motion 多體動力學(xué) 仿真分析

現(xiàn)代飛機(jī)為了增加升力提高機(jī)動性，減小大迎角下失速速度，提高低速飛行時的升力，改善起飛和著陸性能，在機(jī)翼前、后緣上布置了增升裝置。其中位于機(jī)翼后緣的襟翼，通過傳動裝置繞其轉(zhuǎn)軸作向后直線或圓弧曲線運(yùn)動，以擴(kuò)大機(jī)翼的面積和彎度，達(dá)到增加升力和控制阻力的目的。但由于襟翼運(yùn)動形式較為復(fù)雜，其內(nèi)外襟翼的運(yùn)動轉(zhuǎn)軸不一樣，一般CAD軟件無法準(zhǔn)確的計算其傳動關(guān)系，因此必須利用動力學(xué)仿真軟件創(chuàng)建三維空間動力學(xué)仿真模型，進(jìn)行仿真分析。

圖1 內(nèi)襟翼運(yùn)動機(jī)構(gòu)部分視圖

圖2 襟翼作動器運(yùn)動軌跡

1 內(nèi)襟翼連接關(guān)系和邊界條件分析

由于內(nèi)襟翼的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，需要在LMS Virtual.Lab Motion平臺上將CAD模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得該模型包含多個part部分，以便重新裝配這些部件并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)仿真。這些部件分別為：滑輪架整體、滑軌和襟翼整體、滑輪架上下各4個滾輪以及側(cè)面沿滑軌移動方向各1個滾輪。同時，為了更加合理的描述內(nèi)襟翼的邊界條件，增加了螺旋作動器機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由絲杠和螺旋作動筒組成。在LMS Virtual.Lab Motion平臺上給定各個部件的連接關(guān)系和邊界條件：

(1)機(jī)身與螺旋作動器機(jī)構(gòu)1：螺旋作動器1通過一個轉(zhuǎn)動副(Revolute Joint)鉸接在機(jī)身上。

(2)螺旋作動器機(jī)構(gòu)1與滑軌和襟翼的接頭：將螺旋作動器機(jī)構(gòu)1中的作動筒與滑軌和襟翼的接頭采用一個轉(zhuǎn)動副(Revolute Joint)進(jìn)行連接。在螺旋作動器機(jī)構(gòu)內(nèi)部，作動器通過一個旋轉(zhuǎn)副(Revolute Joint)與絲杠進(jìn)行連接；絲杠與作動筒之間的連接采用轉(zhuǎn)動副(screw joint)，這樣，絲杠受到一個鉸鏈驅(qū)動使得作動筒向前運(yùn)動，從而帶動滑軌運(yùn)動。

(3)滑軌與滾輪：滑軌在運(yùn)動過程中與滾輪產(chǎn)生接觸，針對不同的處理模型，滑軌與滾輪之間采用不同的接觸模型。

(4)滾輪與滑軌架：8個滾輪與滑軌架各自通過一個轉(zhuǎn)動副(Revolute Joint)與滑軌架進(jìn)行連接。每個滾輪在受到來自滑軌運(yùn)動時產(chǎn)生的接觸力后能繞各自的轉(zhuǎn)動副發(fā)生轉(zhuǎn)動，滾輪的主要目的是為了保證滑軌的運(yùn)動方向，滾輪之間的相互距離對滑軌的運(yùn)動過程有一定影響，因此在模型中考慮滾輪間距的作用。

(5)滑軌架與機(jī)身：滑軌架固定了機(jī)身上，滑軌架部件的定義中Fix to ground設(shè)置為true。

(6)滑軌與襟翼：滑軌與襟翼中間通過兩個接頭進(jìn)行連接，在全剛體模型中，滑軌與襟翼視為一個part，但處理過程中將滑軌與襟翼進(jìn)行分割，主要為了方便對滑軌和襟翼物理模型進(jìn)行不同方式的處理，滑軌與襟翼之間采用固接(Bracket joint)。

(7)機(jī)身與螺旋作動器機(jī)構(gòu)2：如同螺旋作動器機(jī)構(gòu)1，將螺旋作動器2通過一個轉(zhuǎn)動副(Revolute Joint)鉸接在機(jī)身上。

(8)螺旋作動器機(jī)構(gòu)2與襟翼：將螺旋作動器機(jī)構(gòu)2中的作動筒與滑軌采用一個轉(zhuǎn)動副(Revolute Joint)進(jìn)行連接，螺旋作動器機(jī)構(gòu)2的工作原理如機(jī)構(gòu)1，通過絲桿運(yùn)動驅(qū)動襟翼運(yùn)動。

圖3 驅(qū)動力矩曲線

圖4 滾輪接觸力曲線

(9)襟翼與機(jī)身：襟翼通過一個轉(zhuǎn)動副(Revolute Joint)鉸接在機(jī)身上，飛機(jī)在飛行過程中，由于受到氣流等時變因素的影響，使得飛機(jī)襟翼位置也會隨時間發(fā)生變化，因此轉(zhuǎn)動副的位置在模擬過程中應(yīng)該隨時間發(fā)生變化。

2 仿真算例

在模擬過程中，整個襟翼運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動由絲杠的運(yùn)動進(jìn)行驅(qū)動。模型中的驅(qū)動設(shè)置采用Joint Position Driver對絲杠與螺旋作動器之間的轉(zhuǎn)動副施加驅(qū)動力，設(shè)置為勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/分鐘，作動筒前進(jìn)0.9mm /每轉(zhuǎn)。圖1給出了內(nèi)襟翼運(yùn)動機(jī)構(gòu)的部件以及連接關(guān)系。

3 仿真結(jié)果及分析

通過應(yīng)用LMS Virtual.Lab Motion軟件建立了考慮滑軌和滾輪之間剛性接觸的內(nèi)襟翼運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析模型。此模型中滑軌架上下8個滾輪和滑軌之間存在剛性接觸力，模型中采用CAD接觸進(jìn)行處理。由于CAD接觸模型中將幾何模型劃分成了網(wǎng)格狀，求解過程將引入近似解，幾何參數(shù)的設(shè)置勢必會影響計算的時間和精度。為了提高計算精度和節(jié)省計算時間，在該模型中，滾輪和滑軌的幾何參數(shù)中輸入選擇相同的參數(shù)值。

在Virtual.Lab Motion中，根據(jù)設(shè)置的初始條件、約束條件、驅(qū)動和摩擦力(矩)等，通過設(shè)置襯套力等參數(shù)設(shè)置，可以進(jìn)行襟翼運(yùn)動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)仿真，得到內(nèi)襟翼運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡(圖2)，以及絲杠的驅(qū)動力矩，滾輪和滑軌之間的接觸力等隨時間的變化曲線(圖3、圖4)。給出的結(jié)果能初步分析襟翼的運(yùn)動規(guī)律，包括結(jié)構(gòu)在運(yùn)動過程中載荷變化關(guān)系，以及各部件的運(yùn)動位移、速度以及加速度的大小和方向等。

從這些關(guān)系可以看出，僅僅研究各構(gòu)件剛性運(yùn)動之間的相互作用及其對系統(tǒng)動力學(xué)行為的影響，該襟翼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和載荷變化規(guī)律就已經(jīng)十分復(fù)雜。通過更詳細(xì)的部件細(xì)化，建立各運(yùn)動部件的仿真分析模型可以給出運(yùn)動機(jī)構(gòu)的大致運(yùn)動規(guī)律，為襟縫翼控制系統(tǒng)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)分析提供了參考。要說明的是，模型設(shè)置參數(shù)有些是按照經(jīng)驗(yàn)取值，需經(jīng)實(shí)測數(shù)據(jù)校正，并作進(jìn)一步的細(xì)化分析，但仿真中得到的一些趨勢性的結(jié)果仍可作為后續(xù)工作的參考。

4 結(jié)語

本文在LMS Virtual.Lab Motion平臺上建立了飛機(jī)內(nèi)襟翼運(yùn)動機(jī)構(gòu)多體運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真分析模式，結(jié)合襟翼運(yùn)動機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈咸攸c(diǎn)，討論了利用LMS Virtual.Lab Motion軟件對飛機(jī)內(nèi)襟翼等大型復(fù)雜運(yùn)動結(jié)構(gòu)建立多體動力學(xué)仿真模型的流程及方法，為進(jìn)一步研究更符合工程實(shí)際的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真模型提供了依據(jù)。

[1]萬曉峰,劉嵐.LMS Virtual.Lab Motion入門與提高.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[2]LMS international, LMS Virtual. Lab online help.