基于運動學方法的某型飛機增升機構裝配特性計算與分析

田俊 羅琮杰 劉吉 潘琪 劉智軒/ 凌云科技集團有限責任公司 北京航空航天大學

0 引言

襟翼是飛機重要的增升裝置，在起飛、巡航和降落時，通過襟翼的富勒運動向下延展產生足夠大的升力，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格保證襟翼與機翼的剪刀差、階差等裝配尺寸滿足要求。文獻[1]以某型飛機襟翼為例，介紹了該型飛機襟翼裝配超差統計特性、產生原因和解決方法，提出導致襟翼與機翼裝配尺寸超差的主要原因有：過定位干涉導致的襟翼定位誤差；結構變形大，對變形大小和變形方向既難檢測又難控制；在襟翼結構中缺少抵消或適當補償部件裝配誤差的設計；工藝協調誤差難以克服。

本文基于襟翼三維模型，以裝配過程襟翼姿態為研究對象，以內、外作動筒和傳動軸可調接頭為調節參數，采用運動學仿真計算方法，分析襟翼裝配過程中襟翼與機翼的階差和剪刀差的變化特性，為襟翼裝配調試工藝提供優化依據。

1 基本原理

1.1 襟翼機構的運動原理分析

某型飛機襟翼為后退式襟翼，主要由滾輪、滑軌、襟翼舵面和驅動絲桿等組成，襟翼的收放依靠轉動絲桿驅動襟翼舵面沿滑軌運動。該結構的主要特點有：1）后緣襟翼運動的空間較前緣襟翼更為復雜。由于機翼結構存在上反角，在順氣流運動時無固定的轉軸，該襟翼的收放過程為后退加旋轉，同時伴隨翼展方向的空間六自由度復合運動。2）后緣襟翼收放運動必須滿足等百分比弦長的設計要求。機翼平面可近似等效為一個梯形，導致一個襟翼舵面上的內外兩個作動筒運動量不同，需要按照襟翼的運動規律反求協同規律[2]。根據機構矢量方程，建立該型飛機襟翼機構的位移方程。

結合圖1，式（1）中O 為襟翼作動筒支座位置，Bi為襟翼滑架在滑軌上的位置，A 為滑軌旋轉中心，αi、分別為作動筒和襟翼滑架沿水平方向的轉角，li分別為襟翼在各個角度時的作動筒長度。

1.2 基于結構動力學的襟翼運動分析

在襟翼裝配過程中，通過調節拉桿十字接頭連接角度和襟翼作動筒花鍵角度，改變襟翼內外作動筒的初始長度，可以使襟翼舵面結構的位姿發生變化。這種在襟翼裝配過程中微調角度的調試方法，可以等效為對應作動筒的驅動長度，進而影響了襟翼與機翼的階差和剪刀差等裝配尺寸。該調節特性可用于對襟翼機構的運動進行計算分析。該襟翼機構的運動分析可以表述為在已知襟翼驅動桿位移的條件下如何確定襟翼結構的運動學動態響應，詳見式（2）。

圖1 襟翼機構簡圖

2 仿真計算

2.1 建立仿真計算模型

建立某型飛機襟翼機構包括襟翼滑軌、滑架和作動筒等主要部件在內的三維模型，如圖2 所示。根據部件尺度和圣維南原理，遠離載荷施加區域的其他部位對加載區域的變形可忽略不計，為提高計算效率，從襟翼機構中提取影響襟翼收放運動和空間位姿的關鍵部件為研究對象。

按照如下步驟定義該襟翼收放運動的仿真計算模型。

1）定義運動副：按工作原理定義內、外收放作動筒為直線運動；定義裝配滑輪與小車之間為轉動副。

2）定義接觸：根據襟翼收放過程滑軌與各滑輪之間的相對運動形式，定義各滑輪與相應滑軌面的接觸，如圖3所示。

圖2 襟翼運動仿真計算模型

3）定義邊界條件和約束：根據分析系統的運動關系，定義內外作動筒安裝接頭設置為固定Ux、Uy、Uz、Rx、Ry、Rz 約束；根據內外作動筒的同步運動協同即內外作動筒錐齒輪傳動比，設置內外作動筒的驅動長度。

4）定義分析步驟：第1 個分析步驟為內外作動筒協同回收，襟翼收放角從45°逐步回到0°；第2 個分析步驟為保持一側作動筒驅動長度不變，另一側作動筒驅動長度在±（6×調整單位長度）內變化，以模擬調節襟翼不同位姿及其與機翼的裝配尺寸。

2.2 仿真計算分析

根據已定義的襟翼收放運動仿真計算模型，計算得出：

1）在第1 個分析步驟中，在內外作動筒協同驅動作用下，襟翼整體能保持同步收放運動。在內外作動筒回收過程襟翼富勒運動中不同的角度如圖4 所示。

2）第1 個分析步驟的結果表明，采用剛體運動學計算的襟翼收放運動特性與實物測量的襟翼運動特性吻合良好，如圖5 所示。圖5a）為內作動筒驅動長度與襟翼內側特征點和中央翼特征點開度的計算值與測量值對比，圖5b）為外作動筒驅動長度與襟翼外側特征點和副翼調整片特征點開度的計算值與測量值對比。

圖3 運動副和接觸對示意圖

圖4 襟翼富勒運動仿真結果

3）根據第2 個分析步驟計算結果，襟翼的裝配特性呈現出一定的非線性特性。對傳動軸與驅動器可調角度參數化設置后，將兩個調節角度的作用分別等效為內外作動筒各自的驅動長度，建立可調角度的等效驅動長度與襟翼內側、外側特征點的裝配關系（見圖6）。由圖6 可見：a.等效內作動筒驅動長度的調節方法對襟翼內側階差和間隙的調節效果相反；b.等效外作動筒驅動長度的調節方法對襟翼內側階差和間隙的調節效果也相反；c.等效內作動筒驅動長度的調節方法對襟翼內側剪刀差的調節是單調遞增，但當外側作動筒驅動長度超過565mm 時，剪刀差的影響梯度明顯變緩；d.等效外作動筒驅動長度的調節方法對襟翼內側剪刀差的調節規律呈非線性。當內作動筒驅動長度不變時，隨著等效外作動筒驅動長度的遞增，內側剪刀差發生先增后減的非線性變化。

3 結論

采用基于剛體運動學計算分析的方法，對襟翼收放過程進行了運動學仿真計算。襟翼富勒運動過程開度值表明計算值與實測值良好吻合，從而建立了可用于襟翼裝配特性分析的計算模型。根據襟翼傳動系統的結構設計和常用調節方法的參數化設計，等效為襟翼運動分析模型的內外作動筒驅動長度輸入參數。以回收至水平零位置的襟翼為基準，通過調節參數的水平正交模擬計算，得到包含階差、間隙和剪刀差的襟翼裝配調節響應面曲面，形成了襟翼裝配調節的規律，為襟翼裝配工作提供良好的技術指導。

圖5 襟翼回收過程角度-開度計算值與實測值對比

圖6 襟翼裝調響應面