內襟翼運動機構多體動力學仿真分析

劉錦濤

(上海飛機設計研究院飛控系統設計研究部高升力系統室,上海 200125)

內襟翼運動機構多體動力學仿真分析

劉錦濤

(上海飛機設計研究院飛控系統設計研究部高升力系統室,上海 200125)

本文在LMS Virtual.Lab Motion平臺上建立了飛機內襟翼運動機構多體運動學和動力學仿真分析模式,通過仿真模型的分析結果,意在說明對飛機內襟翼等大型復雜運動結構建立多體動力學仿真模型的流程及方法,為下一步進行大型復雜運動機構運動學及動力學可靠性的分析和探討提供計算仿真模型的依據。

襟翼運動機構 Virtual.Lab Motion 多體動力學 仿真分析

現代飛機為了增加升力提高機動性，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，在機翼前、后緣上布置了增升裝置。其中位于機翼后緣的襟翼，通過傳動裝置繞其轉軸作向后直線或圓弧曲線運動，以擴大機翼的面積和彎度，達到增加升力和控制阻力的目的。但由于襟翼運動形式較為復雜，其內外襟翼的運動轉軸不一樣，一般CAD軟件無法準確的計算其傳動關系，因此必須利用動力學仿真軟件創建三維空間動力學仿真模型，進行仿真分析。

圖1 內襟翼運動機構部分視圖

圖2 襟翼作動器運動軌跡

1 內襟翼連接關系和邊界條件分析

由于內襟翼的結構復雜性，需要在LMS Virtual.Lab Motion平臺上將CAD模型進行轉換，使得該模型包含多個part部分，以便重新裝配這些部件并進行運動學及動力學仿真。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襟翼的邊界條件，增加了螺旋作動器機構，該機構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系和邊界條件：

(1)機身與螺旋作動器機構1：螺旋作動器1通過一個轉動副(Revolute Joint)鉸接在機身上。

(2)螺旋作動器機構1與滑軌和襟翼的接頭：將螺旋作動器機構1中的作動筒與滑軌和襟翼的接頭采用一個轉動副(Revolute Joint)進行連接。在螺旋作動器機構內部，作動器通過一個旋轉副(Revolute Joint)與絲杠進行連接；絲杠與作動筒之間的連接采用轉動副(screw joint)，這樣，絲杠受到一個鉸鏈驅動使得作動筒向前運動，從而帶動滑軌運動。

(3)滑軌與滾輪：滑軌在運動過程中與滾輪產生接觸，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動副(Revolute Joint)與滑軌架進行連接。每個滾輪在受到來自滑軌運動時產生的接觸力后能繞各自的轉動副發生轉動，滾輪的主要目的是為了保證滑軌的運動方向，滾輪之間的相互距離對滑軌的運動過程有一定影響，因此在模型中考慮滾輪間距的作用。

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

(6)滑軌與襟翼：滑軌與襟翼中間通過兩個接頭進行連接，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行分割，主要為了方便對滑軌和襟翼物理模型進行不同方式的處理，滑軌與襟翼之間采用固接(Bracket joint)。

(7)機身與螺旋作動器機構2：如同螺旋作動器機構1，將螺旋作動器2通過一個轉動副(Revolute Joint)鉸接在機身上。

(8)螺旋作動器機構2與襟翼：將螺旋作動器機構2中的作動筒與滑軌采用一個轉動副(Revolute Joint)進行連接，螺旋作動器機構2的工作原理如機構1，通過絲桿運動驅動襟翼運動。

圖3 驅動力矩曲線

圖4 滾輪接觸力曲線

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

2 仿真算例

在模擬過程中，整個襟翼運動機構的運動由絲杠的運動進行驅動。模型中的驅動設置采用Joint Position Driver對絲杠與螺旋作動器之間的轉動副施加驅動力，設置為勻速轉動，轉速800轉/分鐘，作動筒前進0.9mm /每轉。圖1給出了內襟翼運動機構的部件以及連接關系。

3 仿真結果及分析

通過應用LMS Virtual.Lab Motion軟件建立了考慮滑軌和滾輪之間剛性接觸的內襟翼運動機構運動學和動力學分析模型。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接觸進行處理。由于CAD接觸模型中將幾何模型劃分成了網格狀，求解過程將引入近似解，幾何參數的設置勢必會影響計算的時間和精度。為了提高計算精度和節省計算時間，在該模型中，滾輪和滑軌的幾何參數中輸入選擇相同的參數值。

在Virtual.Lab Motion中，根據設置的初始條件、約束條件、驅動和摩擦力(矩)等，通過設置襯套力等參數設置，可以進行襟翼運動機構的動力學仿真，得到內襟翼運動機構的運動軌跡(圖2)，以及絲杠的驅動力矩，滾輪和滑軌之間的接觸力等隨時間的變化曲線(圖3、圖4)。給出的結果能初步分析襟翼的運動規律，包括結構在運動過程中載荷變化關系，以及各部件的運動位移、速度以及加速度的大小和方向等。

從這些關系可以看出，僅僅研究各構件剛性運動之間的相互作用及其對系統動力學行為的影響，該襟翼機構的運動和載荷變化規律就已經十分復雜。通過更詳細的部件細化，建立各運動部件的仿真分析模型可以給出運動機構的大致運動規律，為襟縫翼控制系統的運動機構分析提供了參考。要說明的是，模型設置參數有些是按照經驗取值，需經實測數據校正，并作進一步的細化分析，但仿真中得到的一些趨勢性的結果仍可作為后續工作的參考。

4 結語

本文在LMS Virtual.Lab Motion平臺上建立了飛機內襟翼運動機構多體運動學和動力學仿真分析模式，結合襟翼運動機構的剛柔耦合特點，討論了利用LMS Virtual.Lab Motion軟件對飛機內襟翼等大型復雜運動結構建立多體動力學仿真模型的流程及方法，為進一步研究更符合工程實際的機構運動學和動力學仿真模型提供了依據。

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

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