張恒

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001）

0.引言

操縱系統(tǒng)是直升機(jī)的重要部件之一，直接影響直升機(jī)的飛行品質(zhì)，它通過座艙操縱裝置、機(jī)械線系、助力器、自動(dòng)傾斜器等部件將駕駛員的操縱指令傳到主尾槳葉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)的姿態(tài)和航跡的控制。其中在進(jìn)行機(jī)械線系的設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常需要對(duì)某些運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整優(yōu)化以達(dá)到設(shè)計(jì)要求[1]。操縱線系往往比較復(fù)雜，并且所涉及的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整比較頻繁，涉及的設(shè)計(jì)變量比較多，設(shè)計(jì)優(yōu)化周期較長。一般來說，優(yōu)化分析問題可以歸結(jié)為：在滿足各種設(shè)計(jì)條件和在指定的設(shè)計(jì)變量變化范圍內(nèi)，通過自動(dòng)地選擇設(shè)計(jì)變量，由分析程序求取目標(biāo)函數(shù)的最大值和最小值[2]。

虛擬樣機(jī)分析軟件ADAMS可用于對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，已在航空航天、船舶、工程機(jī)械等眾多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[3-8]。本文利用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS在對(duì)操縱系統(tǒng)的某一運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上，通過ADAMS設(shè)計(jì)研究模塊得到了各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)性能影響的靈敏度，最后針對(duì)敏感參數(shù)運(yùn)用ADAMS的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)機(jī)構(gòu)完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 仿真模型建立

針對(duì)操縱系統(tǒng)某一運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動(dòng)仿真模型如圖1所示（灰色部分為機(jī)架），運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由一系列連桿和搖臂組成。優(yōu)化前，在輸入連桿L1與機(jī)架的夾角θ從30°擺動(dòng)到45°的過程中，輸出連桿L2與機(jī)架的夾角β的擺角范圍只有22.21°。優(yōu)化前夾角β隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示。為了使得輸出連桿L2與機(jī)架的夾角β的擺角范圍達(dá)到最大，需要對(duì)連桿機(jī)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真模型

運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中各鉸接點(diǎn)的位置直接決定機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，是主要設(shè)計(jì)參數(shù)。各鉸接點(diǎn)的位置P2～P17如圖2所示，其中P2、P5、P8、P11、P14、P17處的鉸接位置通過支座與機(jī)架固定（支座未示出）。在連桿L1的P1位置施加一個(gè)大小為50N的力F，并建立一傳感器用于在連桿L1的擺角達(dá)到45°時(shí)停止仿真。分別將鉸接點(diǎn)P3～P16處的X、Y坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)參數(shù)，在保證鉸接點(diǎn)P2和P17的位置不發(fā)生改變的情況下，優(yōu)化P3～P16處的X、Y坐標(biāo)值，使得輸入連桿轉(zhuǎn)動(dòng)同等角度時(shí)夾角β的擺角范圍達(dá)到最大。

圖2 優(yōu)化前夾角β隨時(shí)間的變化曲線

1.2 設(shè)計(jì)研究

在完成參數(shù)化建模后，設(shè)計(jì)變量按照一定的規(guī)則在一定的范圍內(nèi)取值，利用ADAMS的設(shè)計(jì)研究模塊分別對(duì)每一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，可以得到以下內(nèi)容：（1）設(shè)計(jì)變量的變化對(duì)樣機(jī)性能的影響；（2）設(shè)計(jì)變量的最佳取值；（3）設(shè)計(jì)變量的靈敏度，即樣機(jī)有關(guān)性能對(duì)設(shè)計(jì)變量值的變化的敏感程度[9-14]。

對(duì)設(shè)計(jì)變量P3的X坐標(biāo)“DV_1”進(jìn)行設(shè)計(jì)研究仿真可以得到夾角β隨不同試驗(yàn)變量的變化曲線，如圖3所示，同時(shí)也可以得到優(yōu)化設(shè)計(jì)分析報(bào)告如表1所示。同樣可以分別對(duì)P3～P16處的其他坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究分析，得到表2所示的分析結(jié)果。由表2可知設(shè)計(jì)變量“DV_6”“DV_10”“DV_18”“DV_19”“DV_21”“DV_23”“DV_27”“DV_28” 的靈敏度較高，也即鉸接點(diǎn)P5的Y坐標(biāo)、P7的Y坐標(biāo)、P11的Y坐標(biāo)、P12的X坐標(biāo)、P13的X坐標(biāo)、P14的X坐標(biāo)、P16的X坐標(biāo)、P16的Y坐標(biāo)對(duì)夾角β的影響較大。

圖3 DV_1設(shè)計(jì)研究結(jié)果曲線

表1 DV_1設(shè)計(jì)研究結(jié)果

表2 設(shè)計(jì)研究結(jié)果

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，分別對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)“DV_6”“DV_10”“DV_18”“DV_19”“DV_21”“DV_23”“DV_27”“DV_28”設(shè)定變化范圍后，以輸出連桿L2與機(jī)架的夾角β的擺角最大為設(shè)計(jì)目標(biāo)，運(yùn)用ADAMS的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終的優(yōu)化結(jié)果如表3所示，優(yōu)化前后的夾角β如圖4所示。

圖4 優(yōu)化前后夾角β隨時(shí)間的變化曲線

由表3和圖4可知當(dāng)設(shè)計(jì)變量“DV 6”“DV 10”“DV18”“DV 19”“DV 21”“DV23”“DV 27”“DV 28”的值分別 為 356.40、256.40、196.40、1570.0、1575.5、1645.5、1725.5、690.80時(shí)夾角β的擺角范圍最大，為66.29°，較優(yōu)化前有明顯提高。

表3 最終優(yōu)化結(jié)果

2.結(jié)論

利用ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)直升機(jī)操縱系統(tǒng)某運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得輸出連桿的擺角范圍從22.21°增大到66.29°，優(yōu)化效果明顯。表明利用ADAMS的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以為直升機(jī)操縱系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)手段和思路。