杜鑫, 盧岳良, 陳建偉
(航空工業(yè)南京機電液壓工程研究中心,南京211106)
沖壓空氣渦輪系統(tǒng)(Ram Air Turbine,簡稱RAT)是一種在飛機失去主動力和輔助動力的緊急情況下,利用飛機滑行速度,吸收相對氣流的沖壓能量,向飛機關(guān)鍵系統(tǒng)提供應(yīng)急液能源以保持飛機的可操縱性的應(yīng)急動力系統(tǒng)[1-2]。
沖壓空氣渦輪系統(tǒng)艙門聯(lián)動機構(gòu)為連接RAT與飛機RAT艙門的功能部件,實現(xiàn)RAT運動過程中與艙門的聯(lián)動功能。艙門聯(lián)動機構(gòu)可簡化為連桿機構(gòu)模型。目前,國內(nèi)對沖壓空氣渦輪系統(tǒng)艙門聯(lián)動機構(gòu)的研究較少,在設(shè)計過程中僅對聯(lián)動機構(gòu)進行運動軌跡計算,驗證艙門連桿的基本功能,尚未開展對艙門連桿機構(gòu)的動力學仿真、優(yōu)化方面的研究。
虛擬樣機技術(shù)為連桿類產(chǎn)品的設(shè)計、分析和優(yōu)化提供了仿真平臺[3-10]。本文在動力學仿真平臺ADAMS環(huán)境中建立了沖壓空氣渦輪系統(tǒng)艙門聯(lián)動機構(gòu)的動力學仿真模型,并分析了影響艙門聯(lián)動機構(gòu)性能的設(shè)計參數(shù)。通過對設(shè)計參數(shù)的分析、優(yōu)化,有效地改善了RAT收放機構(gòu)的受力情況,降低了對RAT收放機構(gòu)初始推力的設(shè)計要求。
沖壓空氣渦輪系統(tǒng)主要有收放作動筒、液壓泵、渦輪部件、齒輪箱部件、艙門連桿組件和支撐臂部件等部分組成(如圖1)。
飛機正常狀態(tài)時,收放作動筒鎖定在回收狀態(tài),并將RAT固定在飛機RAT艙門內(nèi)(如圖2)。緊急情況下,收放作動筒上位解鎖,在其彈簧力作用下,作動筒內(nèi)缸從外缸伸出,同時推動支撐臂轉(zhuǎn)動,從而將渦輪部件釋放至相對氣流中,直至收放作動筒展開到位,并鎖定在展開位置。
艙門連桿組件一端安裝在RAT支撐臂上,另一端安裝在RAT艙門上(如圖2)。RAT展開過程中,支撐臂帶動艙門連桿組件運動,同時,艙門連桿組件進一步推動RAT艙門繞其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)RAT與艙門的聯(lián)動。
艙門連桿組件較為復雜,通過對艙門連桿各關(guān)節(jié)的功能分析,可將連桿組件簡化為兩端帶球鉸的桿單元。簡化后RAT艙門聯(lián)動機構(gòu)運動簡圖如圖3所示。
圖1 RAT結(jié)構(gòu)簡圖
圖2 產(chǎn)品及艙門回收/展開狀態(tài)
其中,A、O為RAT在機上的掛點,B為收放作動筒與支撐臂之間的轉(zhuǎn)動副,C為艙門連桿組件與支撐臂之間的鉸接點、D為艙門連桿與RAT艙門之間的鉸接點,M-M為艙門轉(zhuǎn)動軸。
RAT回收狀態(tài)時,渦輪部件貯存在RAT艙內(nèi),此時RAT通過艙門連桿組件將RAT艙門固定在關(guān)閉狀態(tài)。
RAT展開過程中,收放作動筒內(nèi)、外缸之間的預壓彈簧力克服RAT艙門的氣動阻力、RAT及RAT艙門慣性力等阻力,驅(qū)動RAT及艙門轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)RAT與艙門的同步展開功能。
RAT艙門連桿組件的優(yōu)化可以有效地減小對收放作動筒的預壓彈簧力的要求,而預壓彈簧力為收放作動筒的重要設(shè)計指標,直接影響收放作動筒的外形尺寸、質(zhì)量等物理特性。通過降低收放作動筒預壓彈簧力要求,可以減小收放作動筒的設(shè)計難度,有效減小收放作動筒外形尺寸及質(zhì)量。同時可以減小收放作動筒對RAT支撐臂、RAT機上掛點的作用力,從而改善飛機受力狀態(tài)。
對RAT收放作動筒及艙門連桿組件進行簡化,在ADAMS環(huán)境中建立圖4所示RAT艙門聯(lián)動機構(gòu)的動力學仿真模型。該多體動力學仿真模型主要由剛體、約束、力、數(shù)據(jù)元素(data element)、驅(qū)動等組成。其中,選取圖中O點為坐標原點,坐標系方向如圖4所示。
圖3 艙門聯(lián)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖
圖4 艙門聯(lián)動機構(gòu)簡化仿真模型
RAT展開過程主要承受艙門的氣動阻力矩N、渦輪的氣動軸向力F、收放作動筒彈力、RAT及艙門慣性力等載荷,且上述載荷均與RAT展開角度相關(guān)。
在模型對支撐臂與大地之間的轉(zhuǎn)動副添加Measure,動態(tài)測量RAT展開角度。根據(jù)對渦輪部件的氣動仿真結(jié)果,在模型中建立渦輪部件軸向氣動推力與RAT展開角度相關(guān)的data element曲線。仿真過程中,模型根據(jù)RAT展開角度,運用AKISPL 函數(shù),動態(tài)求取渦輪軸向氣動推力。同理對艙門與大地之間轉(zhuǎn)動副添加Measure,并根據(jù)艙門轉(zhuǎn)動角度動態(tài)求取艙門在展開過程中受到的氣動阻力。
因RAT在機上的安裝位置受飛機安裝空間、飛機結(jié)構(gòu)等因素限制,故RAT在飛機上的安裝位置O點、A點的坐標為定量值。
RAT設(shè)計中,主要的設(shè)計變量為收放作動筒與支撐臂、支撐臂與艙門連桿、艙門連桿與艙門之間的鉸接點位置,故在仿真模型中將點B、點C及點D的三維坐標值設(shè)置為設(shè)計變量,具體如表1所示。
設(shè)置驅(qū)動運動為支撐臂轉(zhuǎn)動角度,在Design Exploration 中對各設(shè)計變量進行分析研究,目標值為收放作動筒受力初始推力值,設(shè)置Default levels為5,運行仿真模型,仿真結(jié)果如圖5所示。
通過分析模型各設(shè)計變量對目標函數(shù)的影響可知,設(shè)計變量DV_Y1、DV_X2、DV_Z2、DV_X3和DV_Y3與目標函數(shù)正相關(guān),DV_Z1、DV_Y2、DV_Z3與目標函數(shù)負相關(guān)。
設(shè)計變量DV_Y1、DV_Z1和DV_Y2對目標的敏感度較大,在設(shè)計中起到?jīng)Q定性作用。DV_X3、DV_Y3和DV_Z3對目標函數(shù)的影響較小。
表1 模型中的設(shè)計變量
RAT艙門聯(lián)動機構(gòu)優(yōu)化的一個重要的目的是減小對收放作動筒初始彈簧力要求,從而減小收放作動筒結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量。
RAT展開后,因渦輪部件轉(zhuǎn)動過程不能對艙門產(chǎn)生干涉,故要求RAT艙門轉(zhuǎn)動角度不小于75°。根據(jù)收放作動筒設(shè)計經(jīng)驗,受10 kN彈簧力級別的彈簧外形影響,收放作動筒結(jié)構(gòu)行程(內(nèi)缸從外缸伸出的最大距離)應(yīng)不小于100 mm。受作動筒外缸安裝座和連接桿等結(jié)構(gòu)尺寸的限制,收放作動筒的結(jié)構(gòu)長度不小于270 mm。故模型中的約束條件如下:αθ=68≥75°;DV_Y1≥30;DV_Z1≥60;DV_X1≥35;L2-L1≥100;2L1-L2≥270。其中:θ為RAT展開角度;α為艙門轉(zhuǎn)動角度;
在Design Evaluation Tool中選擇optimization選項,并對優(yōu)化目標設(shè)置為 minimize Des。在ADAMS 中采用OPTDES-SQP二次規(guī)劃算法對設(shè)計變量進行仿真,對關(guān)鍵鉸接點位置進行優(yōu)化計算。
優(yōu)化后,各設(shè)計變量取值如表2所示。RAT展開到位后,收放作動筒行程為150.7 mm,艙門展開角度為75.9°。優(yōu)化前后,收放作動筒初始彈簧力要求分別為8470 N和5149 N,展開過程作動筒受力曲線如圖7所示。由受力曲線可知,優(yōu)化后,收放作動筒初始彈簧力要求有明顯的減小,RAT展開過程,收放作動筒彈力要求有明顯改善。
表2 優(yōu)化后各設(shè)計變量取值
本文基于虛擬樣機技術(shù),為RAT艙門聯(lián)動機構(gòu)的設(shè)計、分析和優(yōu)化提供了一種方法。本文在ADAMS平臺中建立了沖壓空氣渦輪系統(tǒng)艙門聯(lián)動機構(gòu)動力學仿真模型,對艙門聯(lián)動機構(gòu)的運動特性進行了仿真分析。同時,在模型中對設(shè)計變量進行了參數(shù)化處理,通過仿真,分析了各設(shè)計變量對艙門聯(lián)動機構(gòu)的特性的影響。最后,對沖壓空氣渦輪系統(tǒng)艙門聯(lián)動機構(gòu)進行優(yōu)化,有效地降低了對RAT收放作動筒初始彈力的要求,從而減小了收放作動筒的外形尺寸、質(zhì)量等特性,對沖壓空氣渦輪系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的積極意義。
圖5 各設(shè)計變量對作動筒推力影響
圖6 優(yōu)化后RAT及艙門展開角度曲線
圖7 優(yōu)化前后收放作動筒受力曲線