田俊 羅琮杰 劉吉 潘琪 劉智軒/ 凌云科技集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京航空航天大學(xué)

0 引言

襟翼是飛機(jī)重要的增升裝置，在起飛、巡航和降落時(shí)，通過襟翼的富勒運(yùn)動(dòng)向下延展產(chǎn)生足夠大的升力，從而改善飛行性能并提升飛行安全。因此，在襟翼裝配過程中需要嚴(yán)格保證襟翼與機(jī)翼的剪刀差、階差等裝配尺寸滿足要求。文獻(xiàn)[1]以某型飛機(jī)襟翼為例，介紹了該型飛機(jī)襟翼裝配超差統(tǒng)計(jì)特性、產(chǎn)生原因和解決方法，提出導(dǎo)致襟翼與機(jī)翼裝配尺寸超差的主要原因有：過定位干涉導(dǎo)致的襟翼定位誤差；結(jié)構(gòu)變形大，對(duì)變形大小和變形方向既難檢測(cè)又難控制；在襟翼結(jié)構(gòu)中缺少抵消或適當(dāng)補(bǔ)償部件裝配誤差的設(shè)計(jì)；工藝協(xié)調(diào)誤差難以克服。

本文基于襟翼三維模型，以裝配過程襟翼姿態(tài)為研究對(duì)象，以內(nèi)、外作動(dòng)筒和傳動(dòng)軸可調(diào)接頭為調(diào)節(jié)參數(shù)，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真計(jì)算方法，分析襟翼裝配過程中襟翼與機(jī)翼的階差和剪刀差的變化特性，為襟翼裝配調(diào)試工藝提供優(yōu)化依據(jù)。

1 基本原理

1.1 襟翼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理分析

某型飛機(jī)襟翼為后退式襟翼，主要由滾輪、滑軌、襟翼舵面和驅(qū)動(dòng)絲桿等組成，襟翼的收放依靠轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿驅(qū)動(dòng)襟翼舵面沿滑軌運(yùn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)有：1）后緣襟翼運(yùn)動(dòng)的空間較前緣襟翼更為復(fù)雜。由于機(jī)翼結(jié)構(gòu)存在上反角，在順氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)固定的轉(zhuǎn)軸，該襟翼的收放過程為后退加旋轉(zhuǎn)，同時(shí)伴隨翼展方向的空間六自由度復(fù)合運(yùn)動(dòng)。2）后緣襟翼收放運(yùn)動(dòng)必須滿足等百分比弦長(zhǎng)的設(shè)計(jì)要求。機(jī)翼平面可近似等效為一個(gè)梯形，導(dǎo)致一個(gè)襟翼舵面上的內(nèi)外兩個(gè)作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)量不同，需要按照襟翼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律反求協(xié)同規(guī)律[2]。根據(jù)機(jī)構(gòu)矢量方程，建立該型飛機(jī)襟翼機(jī)構(gòu)的位移方程。

結(jié)合圖1，式（1）中O 為襟翼作動(dòng)筒支座位置，Bi為襟翼滑架在滑軌上的位置，A 為滑軌旋轉(zhuǎn)中心，αi、分別為作動(dòng)筒和襟翼滑架沿水平方向的轉(zhuǎn)角，li分別為襟翼在各個(gè)角度時(shí)的作動(dòng)筒長(zhǎng)度。

1.2 基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的襟翼運(yùn)動(dòng)分析

在襟翼裝配過程中，通過調(diào)節(jié)拉桿十字接頭連接角度和襟翼作動(dòng)筒花鍵角度，改變襟翼內(nèi)外作動(dòng)筒的初始長(zhǎng)度，可以使襟翼舵面結(jié)構(gòu)的位姿發(fā)生變化。這種在襟翼裝配過程中微調(diào)角度的調(diào)試方法，可以等效為對(duì)應(yīng)作動(dòng)筒的驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度，進(jìn)而影響了襟翼與機(jī)翼的階差和剪刀差等裝配尺寸。該調(diào)節(jié)特性可用于對(duì)襟翼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算分析。該襟翼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析可以表述為在已知襟翼驅(qū)動(dòng)桿位移的條件下如何確定襟翼結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，詳見式（2）。

圖1 襟翼機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 仿真計(jì)算

2.1 建立仿真計(jì)算模型

建立某型飛機(jī)襟翼機(jī)構(gòu)包括襟翼滑軌、滑架和作動(dòng)筒等主要部件在內(nèi)的三維模型，如圖2 所示。根據(jù)部件尺度和圣維南原理，遠(yuǎn)離載荷施加區(qū)域的其他部位對(duì)加載區(qū)域的變形可忽略不計(jì)，為提高計(jì)算效率，從襟翼機(jī)構(gòu)中提取影響襟翼收放運(yùn)動(dòng)和空間位姿的關(guān)鍵部件為研究對(duì)象。

按照如下步驟定義該襟翼收放運(yùn)動(dòng)的仿真計(jì)算模型。

1）定義運(yùn)動(dòng)副：按工作原理定義內(nèi)、外收放作動(dòng)筒為直線運(yùn)動(dòng)；定義裝配滑輪與小車之間為轉(zhuǎn)動(dòng)副。

2）定義接觸：根據(jù)襟翼收放過程滑軌與各滑輪之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式，定義各滑輪與相應(yīng)滑軌面的接觸，如圖3所示。

圖2 襟翼運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算模型

3）定義邊界條件和約束：根據(jù)分析系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，定義內(nèi)外作動(dòng)筒安裝接頭設(shè)置為固定Ux、Uy、Uz、Rx、Ry、Rz 約束；根據(jù)內(nèi)外作動(dòng)筒的同步運(yùn)動(dòng)協(xié)同即內(nèi)外作動(dòng)筒錐齒輪傳動(dòng)比，設(shè)置內(nèi)外作動(dòng)筒的驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度。

4）定義分析步驟：第1 個(gè)分析步驟為內(nèi)外作動(dòng)筒協(xié)同回收，襟翼收放角從45°逐步回到0°；第2 個(gè)分析步驟為保持一側(cè)作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度不變，另一側(cè)作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度在±（6×調(diào)整單位長(zhǎng)度）內(nèi)變化，以模擬調(diào)節(jié)襟翼不同位姿及其與機(jī)翼的裝配尺寸。

2.2 仿真計(jì)算分析

根據(jù)已定義的襟翼收放運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算模型，計(jì)算得出：

1）在第1 個(gè)分析步驟中，在內(nèi)外作動(dòng)筒協(xié)同驅(qū)動(dòng)作用下，襟翼整體能保持同步收放運(yùn)動(dòng)。在內(nèi)外作動(dòng)筒回收過程襟翼富勒運(yùn)動(dòng)中不同的角度如圖4 所示。

2）第1 個(gè)分析步驟的結(jié)果表明，采用剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算的襟翼收放運(yùn)動(dòng)特性與實(shí)物測(cè)量的襟翼運(yùn)動(dòng)特性吻合良好，如圖5 所示。圖5a）為內(nèi)作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度與襟翼內(nèi)側(cè)特征點(diǎn)和中央翼特征點(diǎn)開度的計(jì)算值與測(cè)量值對(duì)比，圖5b）為外作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度與襟翼外側(cè)特征點(diǎn)和副翼調(diào)整片特征點(diǎn)開度的計(jì)算值與測(cè)量值對(duì)比。

圖3 運(yùn)動(dòng)副和接觸對(duì)示意圖

圖4 襟翼富勒運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

3）根據(jù)第2 個(gè)分析步驟計(jì)算結(jié)果，襟翼的裝配特性呈現(xiàn)出一定的非線性特性。對(duì)傳動(dòng)軸與驅(qū)動(dòng)器可調(diào)角度參數(shù)化設(shè)置后，將兩個(gè)調(diào)節(jié)角度的作用分別等效為內(nèi)外作動(dòng)筒各自的驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度，建立可調(diào)角度的等效驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度與襟翼內(nèi)側(cè)、外側(cè)特征點(diǎn)的裝配關(guān)系（見圖6）。由圖6 可見：a.等效內(nèi)作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)方法對(duì)襟翼內(nèi)側(cè)階差和間隙的調(diào)節(jié)效果相反；b.等效外作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)方法對(duì)襟翼內(nèi)側(cè)階差和間隙的調(diào)節(jié)效果也相反；c.等效內(nèi)作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)方法對(duì)襟翼內(nèi)側(cè)剪刀差的調(diào)節(jié)是單調(diào)遞增，但當(dāng)外側(cè)作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度超過565mm 時(shí)，剪刀差的影響梯度明顯變緩；d.等效外作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)方法對(duì)襟翼內(nèi)側(cè)剪刀差的調(diào)節(jié)規(guī)律呈非線性。當(dāng)內(nèi)作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度不變時(shí)，隨著等效外作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度的遞增，內(nèi)側(cè)剪刀差發(fā)生先增后減的非線性變化。

3 結(jié)論

采用基于剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算分析的方法，對(duì)襟翼收放過程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真計(jì)算。襟翼富勒運(yùn)動(dòng)過程開度值表明計(jì)算值與實(shí)測(cè)值良好吻合，從而建立了可用于襟翼裝配特性分析的計(jì)算模型。根據(jù)襟翼傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和常用調(diào)節(jié)方法的參數(shù)化設(shè)計(jì)，等效為襟翼運(yùn)動(dòng)分析模型的內(nèi)外作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)度輸入?yún)?shù)。以回收至水平零位置的襟翼為基準(zhǔn)，通過調(diào)節(jié)參數(shù)的水平正交模擬計(jì)算，得到包含階差、間隙和剪刀差的襟翼裝配調(diào)節(jié)響應(yīng)面曲面，形成了襟翼裝配調(diào)節(jié)的規(guī)律，為襟翼裝配工作提供良好的技術(shù)指導(dǎo)。

圖5 襟翼回收過程角度-開度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖6 襟翼裝調(diào)響應(yīng)面