直升機(jī)交互式槳葉振動(dòng)調(diào)整仿真研究

宋云雪，李　森，陳　磊

(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津　300300)

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直升機(jī)交互式槳葉振動(dòng)調(diào)整仿真研究

宋云雪，李森，陳磊

(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津300300)

摘要：為解決目前機(jī)務(wù)維修培訓(xùn)中存在的物理樣機(jī)難以滿足需求的問題，以實(shí)際機(jī)務(wù)維修工作中旋翼振動(dòng)調(diào)整方法為參考，提出在虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)受訓(xùn)人員對虛擬樣機(jī)旋翼槳葉進(jìn)行振動(dòng)調(diào)整仿真操作，以期達(dá)到訓(xùn)練目的；根據(jù)非沉浸式虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)交互仿真操作邏輯，確定仿真操作步驟，分析座艙振動(dòng)可視化表示方法，專用虛擬樣機(jī)的構(gòu)建方法以及虛擬儀器的實(shí)現(xiàn)方式和數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)形式，并將該仿真實(shí)驗(yàn)以模塊化形式添加到虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中，滿足拆裝條件下對虛擬樣機(jī)的交互操作需求；最后以歐直松鼠直升機(jī)虛擬樣機(jī)旋翼振動(dòng)調(diào)整方法為例驗(yàn)證該操作仿真邏輯的可用性。

關(guān)鍵詞：旋翼槳葉；振動(dòng)調(diào)整；虛擬維修；仿真操作

0引言

直升機(jī)在國防民用領(lǐng)域均已大量應(yīng)用，隨著直升機(jī)數(shù)量的增加，對專業(yè)維修人員的需求越來越大，因此對機(jī)務(wù)維修人員的培訓(xùn)變得十分重要?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)能很好的解決傳統(tǒng)維修訓(xùn)練中培訓(xùn)成本高，效率低下等問題，使受訓(xùn)人員能在虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)環(huán)境下對虛擬樣機(jī)進(jìn)行操作學(xué)習(xí)[1-2]。本文研究在非沉浸式虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)(virtual maintenance training system，VMTS)中實(shí)現(xiàn)對直升機(jī)旋翼槳葉振動(dòng)的檢查調(diào)整的交互仿真方法，并以歐直AS350小松鼠直升機(jī)為實(shí)例驗(yàn)證方法的可用性。

旋翼在高速工作旋轉(zhuǎn)時(shí)若存在系統(tǒng)力不平衡現(xiàn)象，則會產(chǎn)生強(qiáng)烈的周期振動(dòng)。這些振動(dòng)會引發(fā)旋翼組件的高周振動(dòng)疲勞而降低其壽命甚至使其損壞，同時(shí)還會影響電子儀表設(shè)備的工作，降低成員的舒適水平，干擾飛行員操作而影響飛行安全[3]。

旋翼振動(dòng)的主要原因是槳葉的軌跡出現(xiàn)偏差及傳動(dòng)部件不平衡。直升機(jī)在出廠時(shí)廠家都會對旋翼組件進(jìn)行動(dòng)平衡配平并以不同顏色區(qū)分對應(yīng)的槳葉及其連接組件以保正其振動(dòng)范圍可接受。當(dāng)直升機(jī)大修，旋轉(zhuǎn)組件零件被更換或者振動(dòng)水平明顯增大時(shí)，就需要機(jī)務(wù)人員進(jìn)行旋翼振動(dòng)檢查與調(diào)整[4]。因此直升機(jī)旋翼槳葉振動(dòng)檢查與調(diào)整是直升機(jī)維修工作中一項(xiàng)十分重要的工作。

1旋翼振動(dòng)的檢查與調(diào)整

旋翼振動(dòng)檢查調(diào)整包括在直升機(jī)日常維護(hù)中對旋翼組件振動(dòng)范圍的檢查方法和步驟及根據(jù)維修手冊對存在不平衡現(xiàn)象的槳葉的配平等等。

1.1旋翼振動(dòng)檢查

旋翼振動(dòng)檢查指利用如頻閃儀、磁性傳感器、加速計(jì)、光學(xué)探頭及測量主機(jī)等專用測量設(shè)備安裝在直升機(jī)特定部位，在直升機(jī)特定工作狀態(tài)下獲得相應(yīng)動(dòng)平衡振動(dòng)幅值與相位數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定數(shù)據(jù)處理后得出旋翼振動(dòng)范圍的過程[5]。參照某型直升機(jī)維修手冊得出旋翼振動(dòng)檢查一般步驟如圖1所示。

圖1　直升機(jī)旋翼振動(dòng)檢查一般步驟

旋翼振動(dòng)檢查包括測量設(shè)備的安裝和數(shù)據(jù)測量兩個(gè)方面。測量設(shè)備的安裝包括在水平Y(jié)坐標(biāo)軸方向的加速計(jì)和速度計(jì)兩種傳感器與豎直方向Z軸的兩種傳感器，同時(shí)還要在旋翼葉片翼尖安裝靶標(biāo)以便于頻閃探測儀捕捉測量翼尖軌跡。在相關(guān)傳感器安裝和電纜連接過程中要注意避開旋轉(zhuǎn)部件和高溫區(qū)域，避免干擾測量。

數(shù)據(jù)測量分別在4個(gè)典型的工作狀態(tài)下進(jìn)行：正常功率地面運(yùn)行，有地效作用下的盤旋，最大連續(xù)功率下穩(wěn)定于1 500英尺狀態(tài)和最大連續(xù)功率在45°坡度起飛。每個(gè)工作狀態(tài)下都要分別觀察記錄旋翼的翼尖軌跡，豎直方向的1ΩZ和水平方向的1ΩY的振動(dòng)值。測量完成后可通過頻閃儀觀察旋翼錐體的情況，通過Vibrex2000測量主機(jī)得出的振動(dòng)IPS和相位角數(shù)據(jù)可以得出在平衡圖中的點(diǎn)的位置以便于進(jìn)行錐體和動(dòng)平衡的調(diào)整工作[6]。

1.2旋翼振動(dòng)的調(diào)整

直升機(jī)旋翼的振動(dòng)調(diào)整方式根據(jù)檢查得到的數(shù)據(jù)而定。因測量傳感器分別安裝在水平Y(jié)坐標(biāo)軸和豎直Z坐標(biāo)軸上，故在兩個(gè)方向上的振動(dòng)調(diào)整分別對應(yīng)不同的方式。

若水平方向的1 Ω Y振動(dòng)異常，則通過平衡圖中點(diǎn)的位置以增加或減少槳葉根部配重片數(shù)量的方式進(jìn)行修正。若豎直方向的1 Ω Z振動(dòng)值異常，則通過改變變距拉桿的長度或調(diào)整槳葉后緣片的角度來修正。

2槳葉振動(dòng)調(diào)整在VMTS中的交互仿真

VMTS是在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下對虛擬樣機(jī)進(jìn)行拆裝為基礎(chǔ)的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)為依托真實(shí)還原實(shí)際維修過程為目的的虛擬軟件平臺[7]。振動(dòng)調(diào)整操作在平臺中以模塊化組件形式存在。下面就振動(dòng)調(diào)整工作如何在VMTS中合理實(shí)現(xiàn)并與用戶進(jìn)行友好交互進(jìn)行具體設(shè)計(jì)分析。

2.1在VMTS中的交互邏輯設(shè)計(jì)

調(diào)整操作在VMTS中的過程應(yīng)讓用戶在計(jì)算機(jī)上操作使用時(shí)有真實(shí)之感[8]。結(jié)合直升機(jī)旋翼槳葉振動(dòng)調(diào)整方法與虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)操作要求，設(shè)計(jì)其在VMTS中的交互邏輯如圖2所示。

圖2　槳葉振動(dòng)調(diào)整在VMTS中邏輯

由圖2可知，VMTS中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對直升機(jī)虛擬樣機(jī)的可視化拆裝，用戶在該平臺虛擬拆裝的基礎(chǔ)上對旋翼槳葉進(jìn)行振動(dòng)檢查調(diào)整。用戶將虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中的排故模塊打開之后，通過虛擬駕駛艙窗口的狀態(tài)或?qū)π斫M件的操作情況判斷是否需要進(jìn)行旋翼槳葉的振動(dòng)調(diào)整，然后用戶在可視化3D拆裝主窗口中將進(jìn)行該工作需要的工作平臺布置就位，從工具庫中取出測量設(shè)備并按照工作要求安裝在對應(yīng)檢測位置，之后用戶需在虛擬儀器測量界面將測量設(shè)備添加到測量窗口，同時(shí)選擇對應(yīng)的虛擬儀器，將二者端口正確連接。返回駕駛艙后開車運(yùn)行，虛擬儀器界面有對應(yīng)讀數(shù)，通過虛擬儀器讀數(shù)確定對槳葉振動(dòng)的調(diào)整方案，然后用戶在虛擬拆裝界面選擇對應(yīng)零部件進(jìn)行調(diào)整操作，最后對調(diào)整之后的旋翼振動(dòng)情況進(jìn)行測試判斷。

2.2需解決的關(guān)鍵問題

在VMTS中進(jìn)行旋翼槳葉振動(dòng)檢查調(diào)整的仿真應(yīng)盡可能在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下模擬實(shí)際工作情況。從圖2中對交互邏輯的說明看，要真實(shí)的實(shí)現(xiàn)仿真過程，需解決的關(guān)鍵問題有如下幾個(gè)方面。

2.2.1虛擬駕駛艙振動(dòng)可視化表示方法

用戶對駕駛艙異常情況的表示需要座艙的若干儀表相互之間聯(lián)動(dòng)顯示[9]。單一儀表的故障情況會伴隨其他儀表顯示器的讀數(shù)異常。采用多線程技術(shù)可以解決不同儀表之間的聯(lián)動(dòng)顯示問題，實(shí)現(xiàn)單一儀表的驅(qū)動(dòng)則需要在單一線程中添加儀表響應(yīng)函數(shù)；實(shí)現(xiàn)多個(gè)儀表的同時(shí)更新，則需要啟動(dòng)多個(gè)線程在每個(gè)線程中逐個(gè)添加每個(gè)儀表的響應(yīng)。引入多線程步驟包括線程的創(chuàng)建，線程的啟動(dòng)，線程的銷毀和休眠操作。其中線程的創(chuàng)建對應(yīng)代碼如下：

UNIT InsThreadProc(LPVOID pParam)

{

CInsPanelObj* Ins_Name=( CInsPanelObj*) pParam; //儀表對象

Ins_Name->DrawCircle(CDC *pdc); //儀表操作

return true;

}

虛擬座艙儀表要結(jié)合真實(shí)座艙建立相應(yīng)模型，從而達(dá)到身臨其境之感，座艙儀表界面如圖3所示。

圖3　VMTS中虛擬座艙顯示

2.2.2仿真操作中專用虛擬樣機(jī)構(gòu)建

虛擬樣機(jī)是VMTS中進(jìn)行交互式操作的基礎(chǔ)，目前CAD系統(tǒng)是虛擬樣機(jī)數(shù)據(jù)的主要來源，因此可以利用CAD輸出的幾何數(shù)據(jù)，建立虛擬維修樣機(jī)的幾何模型，從CAD系統(tǒng)到虛擬環(huán)境中虛擬樣機(jī)的建模過程如圖4所示。

圖4　CAD系統(tǒng)到虛擬樣機(jī)建模過程

在處理過程中有以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

1)從CAD系統(tǒng)輸出產(chǎn)品的裝配數(shù)據(jù)文件，包括零部件之間的約束關(guān)系。

2)將輸出文件模型進(jìn)行簡化，去掉冗余信息，給模型賦予材質(zhì)或表面紋理屬性使其更加接近現(xiàn)實(shí)世界質(zhì)感。

3)在虛擬維修環(huán)境中將模型加載顯示，檢查文件模型完整性，反饋到CAD系統(tǒng)中進(jìn)行修改完善。

2.2.3虛擬儀器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

虛擬儀器是基于單元要素的設(shè)計(jì)而盡可能模擬檢測儀的工作原理。根據(jù)構(gòu)成虛擬儀器的各儀表單元的性質(zhì)及功能，將其分成三類：Σ=(I,C,W )。I代表儀器單元集I=I1+I2+…+In，Ii∈{指針類，數(shù)字顯示類，波形圖示類，…}，儀器單元可表示為：

式中，Λi代表與儀器單元屬性相關(guān)的系數(shù)矩陣，

Fi代表函數(shù)矩陣，

Vi代表參量矩陣，

C代表控制單元集，C=C1+C2+…+Cn，Ci∈{按鈕式開關(guān)，旋轉(zhuǎn)式開關(guān)，……}；

控制單元可表示為:

式中，Λi代表與控制單元屬性相關(guān)的系數(shù)矩陣，

R代表資源矩陣，

以上表示出了虛擬儀器單元集之間的函數(shù)關(guān)系，在VMTS中建立虛擬儀器時(shí)通過函數(shù)庫、元件庫、以及需要的輔助資源庫的組合構(gòu)成不同的功能模塊，每一個(gè)功能模塊都是一個(gè)獨(dú)立的組件，是已經(jīng)編譯、鏈接好并可以使用的二進(jìn)制代碼，其具有語言無關(guān)性，用戶可根據(jù)需要自行設(shè)計(jì)取用對應(yīng)的虛擬儀器，最終完成虛擬檢查功能。

2.2.4數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在VMTS中實(shí)現(xiàn)用戶對虛擬樣機(jī)槳葉振動(dòng)調(diào)整仿真需要零件儀器對應(yīng)關(guān)系表T_RelatePanel，虛擬儀器狀態(tài)參數(shù)表T_AllState，知識是數(shù)據(jù)表RulesTree，值與面板關(guān)系表Vaule-Pheno以及數(shù)據(jù)源PanelStateFail，PanelStateNormal，CtrlStateNormal，CtrlStateFail等數(shù)據(jù)庫的支持，需要對以上數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而合理的實(shí)現(xiàn)操作與工具及被操作對象之間的對應(yīng)關(guān)系。數(shù)據(jù)庫之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)表關(guān)聯(lián)邏輯

2.3模塊交互界面設(shè)計(jì)

作為實(shí)際維修過程在虛擬環(huán)境下的再現(xiàn)，維修過程實(shí)質(zhì)是人、產(chǎn)品、工具設(shè)備三者之間發(fā)生交互的過程。在VMTS中進(jìn)行直升機(jī)槳葉振動(dòng)調(diào)整根據(jù)圖2中的邏輯設(shè)計(jì)共包括工具選擇與安裝，儀器選擇與測量和零件調(diào)整與維修3個(gè)交互窗口。

工具選擇與安裝包括選擇專用工具設(shè)備并在可視化的虛擬環(huán)境下將其正確安裝。專用工具有工作平臺，拆裝工具，測量用傳感器，靶標(biāo)等需要安裝在直升機(jī)特定部位的設(shè)備及安裝過程中要用的工具。通用拆裝工具可通過拆裝界面右側(cè)的工具欄選擇，其他專用工具在零件倉庫分類下選擇取出，之后再在可視化環(huán)境下安裝就位。

儀器選擇與測量是在虛擬測量界面選用正確的虛擬儀器并將儀器面板顯示在窗口中，將儀器端口線纜正確連接并返回虛擬駕駛艙開車運(yùn)行后，便可在顯示面板上讀取運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，用戶根據(jù)測得數(shù)據(jù)和平衡圖判斷振動(dòng)幅值是否在容限范圍內(nèi)。測量界面如圖6所示。

零件調(diào)整與維修界面目的是讓用戶測量后根據(jù)結(jié)果對槳葉配重，后緣片或變距拉桿進(jìn)行調(diào)整。包括測量所得數(shù)據(jù)，建議操作步驟及注意事項(xiàng)等。用戶操作后系統(tǒng)將原有零件狀態(tài)數(shù)據(jù)更新，再次返回測量便可得出調(diào)整操作是否正確。該界面如圖7所示。

圖6　儀器選擇與測量　　　　　　圖7　槳葉調(diào)整與維修

3應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)以歐直AS350B3直升機(jī)地面運(yùn)行狀態(tài)旋翼槳葉振動(dòng)檢查調(diào)整為例，在VMTS下進(jìn)行虛擬仿真操作。用戶打開虛擬駕駛艙開車發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)或者旋翼組件有更換操作之后，在故障診斷任務(wù)下選擇槳葉振動(dòng)調(diào)整命令，分別將其下的零件工具庫，儀器選擇與測量，調(diào)整與維修3個(gè)窗口打開。如圖8所示。在零件工具庫中選擇該工作必需的兩個(gè)加速計(jì)，磁性傳感器和工作平臺取出并安裝就位，然后在儀器選擇與測量窗口中選擇Vibrex2000型振動(dòng)測試儀，工作狀態(tài)選擇GROUND RUN，同時(shí)在窗口右側(cè)的接口選擇里將接口與傳感器相連，操作虛擬儀器界面按鈕，進(jìn)入待測狀態(tài)，最后返回虛擬駕駛艙開車運(yùn)行，顯示器顯示測量讀數(shù)1ΩY為0.6IPS@6:00。將測量讀數(shù)填入下方記錄表之后完成寫入系統(tǒng)，然后在調(diào)整與維修界面顯示對應(yīng)平衡圖，根據(jù)右側(cè)振動(dòng)容限用戶選擇水平方向和豎直方向振動(dòng)調(diào)整方案，1ΩY方向調(diào)整方式是增加配重片，藍(lán)色紅色各增加4片。從零件工具庫中取出8片配重片分別安裝在模型槳葉上完成振動(dòng)調(diào)整。最后再次開車測量檢查調(diào)整是否正確。

圖8　槳葉振動(dòng)選擇界面

4結(jié)論

本文以虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提出直升機(jī)旋翼槳葉振動(dòng)調(diào)整在非沉浸環(huán)境下的實(shí)現(xiàn)方法。并結(jié)合對實(shí)際工作流程的分析設(shè)計(jì)了在虛擬環(huán)境下的交互邏輯，將可視化拆裝與虛擬儀器的有機(jī)結(jié)合逼真的實(shí)現(xiàn)了槳葉振動(dòng)檢查調(diào)整過程。同時(shí)該方法對以VMTS基礎(chǔ)的其他領(lǐng)域的工作仿真提供很好的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] Julia C, Jaime R, De Antonio Angelica.Applying a student modeling with non-monotonic diagnosis to Intelligent Virtual Environment for Training/Instruction[J].ICCE, 2014, 41(2):508-520.

[2] 佟德飛，米雙山，劉鵬遠(yuǎn)，等.虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)過程建模研究[J].信息技術(shù)，2011(1):106-107.

[3] 陳康,劉建新.直升機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)[M].北京:兵器工業(yè)出版社，2007.

[4] AS350 Aircraft Maintenance Manual[Z]. Eurocopter.2014:109-112.

[5] 李思昂.直升機(jī)槳葉振動(dòng)的檢查與調(diào)整[J].航天與航空，2014(06):6-8.

[6] 鐘恢芳.EC-225直升機(jī)主槳葉振動(dòng)維護(hù)[J].航空維修與工程,2013(03):72-74.

[7] 周棟,霍琳,王美慧，等.虛擬維修技術(shù)研究與應(yīng)用[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2011,37(2):231-236.

[8] 于暢.虛擬維修訓(xùn)練中人機(jī)交互的認(rèn)知負(fù)荷研究[D].北京：北京郵電大學(xué),2012.

[9] 周芳.直升機(jī)控制方法研究及三維可視化系統(tǒng)開發(fā)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2009.

[10] 國志剛,劉振祥,李宏.基于Delmia的飛機(jī)虛擬維修仿真與評價(jià)技術(shù)研究[J].飛機(jī)設(shè)計(jì),2012(06):62-66.

[11] 趙江濱,劉世元,胡友民,等.組件化虛擬儀器軟件系統(tǒng)性能研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2009,30(10):2131-2138.

Research of Interactive Blades Vibration Adjustment Simulation

Song Yunxue, Li Sen, Chen Lei

(College of Aeronautical Engineering, Civil Aviation University of China, Tianjin300300, China)

Abstract：In order to solve the problems that physical prototype can’t satisfy the current engineering maintenance training. Based on the method of blades vibration adjustment for the practical work reference. Put forward that trainees do the operation of blades vibration adjustment with virtual prototype in Virtual Maintenance Training System. Design the interactive simulation logic, determine the steps, Analysis the visual representation method of cockpit vibration and the method of virtual prototype build based on the system’s feature. It also proposed the method of the virtual instrument’s implementation and the data organization form. Then add the experiment to VMTS in a modular form in order to satisfy the demands of interactive. Finally, make the AS350 helicopter virtual prototype’s blades vibration adjustment as an example to verify the availability of the simulation logic.

Keywords:rotor blade; vibration adjustment; virtual maintenance; simulation operation

文章編號：1671-4598(2016)02-0293-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.081

中圖分類號：TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：宋云雪(1968-)，女，遼寧鞍山人，碩士，副研究員，主要從事結(jié)構(gòu)智能化設(shè)計(jì)、故障診斷與結(jié)構(gòu)修理、專家系統(tǒng)、知識表示圖方向的研究。

基金項(xiàng)目：天津市支撐計(jì)劃項(xiàng)目(11ZCKFGX04100)；中央高校項(xiàng)目(ZXH2012D003)。

收稿日期：2015-09-19；修回日期：2015-10-14。