復(fù)雜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的載荷敏感性分析

陸 波 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

復(fù)雜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的載荷敏感性分析

陸 波 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

設(shè)計(jì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)，涉及的載荷種類往往很多，為達(dá)成設(shè)計(jì)目的，每一載荷的敏感性均應(yīng)進(jìn)行分析，并完成作用力等效綜合。載荷敏感性分析目的是找出機(jī)構(gòu)中對(duì)實(shí)現(xiàn)功能會(huì)造成較大影響的載荷因素，通過(guò)作用力等效綜合，回答系統(tǒng)在全工作包線內(nèi)能否滿足設(shè)計(jì)需求，以保證機(jī)構(gòu)功能順利實(shí)現(xiàn)。以某型飛機(jī)前起落架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的各種載荷進(jìn)行了敏感性分析，再現(xiàn)了實(shí)際工作中出現(xiàn)的問(wèn)題，并提出解決方案，體現(xiàn)了載荷敏感性分析在復(fù)雜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和重要性。

復(fù)雜機(jī)構(gòu)；載荷敏感性；起落架收放；作用力等效綜合

0 引言

復(fù)雜機(jī)構(gòu)往往有很多的連接點(diǎn)以及機(jī)構(gòu)元件、驅(qū)動(dòng)元件等，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的受控運(yùn)動(dòng)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。機(jī)構(gòu)工作時(shí)會(huì)有各種各樣的載荷因素，如重力、彈簧力、摩擦力和流體動(dòng)力等。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)而言，為了保證能夠順利實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，需要完成運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)分析，找出對(duì)系統(tǒng)工作影響最大的載荷因素，并保證該因素在可能的范圍內(nèi)，不會(huì)阻礙系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

本文以某型飛機(jī)前起落架機(jī)構(gòu)為例，重點(diǎn)考慮各種將載荷或位移放大的機(jī)構(gòu)，分析各載荷的敏感性，提出需要重點(diǎn)關(guān)注的因素，為設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

1 概述

載荷敏感性分析的根本方法是將各種載荷因素等效到同一約束處(下稱目標(biāo)約束)，通過(guò)該約束對(duì)應(yīng)的等效力或力矩來(lái)判斷各載荷因素的敏感性。分析時(shí)需要考慮各載荷的敏感度，還要考慮各載荷的實(shí)際大小，使用其綜合作用效果來(lái)完成各載荷的敏感性分析。

對(duì)于等效用的目標(biāo)約束，有多種不同的選擇，一般也都可以得到相似的結(jié)論；其中以機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)約束為目標(biāo)進(jìn)行等效，得到各載荷對(duì)驅(qū)動(dòng)約束的廣義等效力，不但可以完成敏感性分析，還可以直接與驅(qū)動(dòng)的能力進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于機(jī)構(gòu)能否完成設(shè)計(jì)功能的結(jié)論會(huì)更加明確。

將各載荷因素等效到目標(biāo)約束的方法可以通過(guò)傳力路徑逐一等效，但此方法要覆蓋機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程，計(jì)算工作量將會(huì)非常大。采用目前成熟的運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)分析軟件，可以很好地解決這一問(wèn)題。

2 實(shí)例分析

在某型飛機(jī)前起落架收放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，起落架迎風(fēng)氣動(dòng)力和重力是比較明顯的載荷因素，因其幫助放下而阻止收上，使設(shè)計(jì)分析工作的重點(diǎn)集中在收上而非放下過(guò)程，導(dǎo)致該機(jī)型前起落架在放下過(guò)程中，出現(xiàn)了非預(yù)期的情況。飛行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)自由放和超過(guò)一定速度后，前起落架不能放下上鎖。

該問(wèn)題目前已經(jīng)得到妥善解決，但付出了很大代價(jià)，最后解決問(wèn)題的根本就是完成了完整的載荷敏感性分析。對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，完整的載荷敏感性分析至關(guān)重要。在該實(shí)例中，無(wú)論收上還是放下，均應(yīng)完成完整的載荷敏感性分析，然后重點(diǎn)關(guān)注敏感性很大的載荷因素，對(duì)其提出較為精確的數(shù)據(jù)要求。如果設(shè)計(jì)初期完成分析，將不會(huì)出現(xiàn)后續(xù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

對(duì)此前起落架機(jī)構(gòu)進(jìn)行載荷敏感性分析時(shí)，很多時(shí)候會(huì)選擇起落架主轉(zhuǎn)動(dòng)軸作為等效目標(biāo)，得到需要克服各載荷因素的等效主轉(zhuǎn)軸力矩，對(duì)敏感性分析而言是足夠的，但驅(qū)動(dòng)能力能否滿足設(shè)計(jì)需求，則需要將驅(qū)動(dòng)能力也等效為主轉(zhuǎn)軸力矩后，才能得出結(jié)論。對(duì)于由線性油缸驅(qū)動(dòng)的起落架系統(tǒng)而言，如果直接針對(duì)油缸的線性力進(jìn)行等效，則不但可以完成敏感性分析，還可以直接得到系統(tǒng)能力是否滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在敏感性分析時(shí)，由于良好潤(rùn)滑的各約束的摩擦力理論上對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響不大，因此重點(diǎn)考查其它的載荷因素：其中重力、彈簧力和最大液壓力是明確的，各艙門(mén)氣動(dòng)力會(huì)隨飛行速度、起落架姿態(tài)發(fā)生變化；敏感性分析時(shí)，將明確的載荷直接進(jìn)行等效；而各氣動(dòng)力則需要按單位載荷進(jìn)行等效，然后根據(jù)不同飛行速度下，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中每一時(shí)刻的氣動(dòng)力，得到實(shí)際氣動(dòng)力的等效載荷曲線；再將全部載荷綜合，與驅(qū)動(dòng)能力對(duì)比，即可得出能否達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)論。

分析前需要準(zhǔn)備機(jī)構(gòu)的慣性載荷、最大液壓力、鎖彈簧力、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各速度對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)力。其中，氣動(dòng)力包括起落架本體的迎風(fēng)氣動(dòng)力和各起落架艙門(mén)的氣動(dòng)力。起落架本體的迎風(fēng)氣動(dòng)力一般根據(jù)迎風(fēng)面積，使用近似公式計(jì)算。而艙門(mén)氣動(dòng)力一般早期可以結(jié)合相似型號(hào)的數(shù)據(jù)或風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，后期使用飛行試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。在不同飛行速度下，完成多次收放動(dòng)作，測(cè)量各艙門(mén)相連拉桿的軸力，得到完整運(yùn)動(dòng)過(guò)程的氣動(dòng)載荷歷程。圖1為分析得到的迎風(fēng)氣動(dòng)力隨飛行速度和起落架位置的變化曲線、前艙門(mén)左右拉桿和后艙門(mén)左右拉桿在三個(gè)起落架收放角度時(shí)，隨飛行速度的變化曲線。其中，圖1(a)橫軸為收放角度，縱軸為迎風(fēng)氣動(dòng)力對(duì)起落架轉(zhuǎn)軸等效力矩的計(jì)算結(jié)果。每個(gè)速度一條曲線，圖1(b)和1(c)橫軸為飛行速度，縱軸為拉桿力。每根拉桿在起落架放下鎖定、自由放下不能上鎖的靜力平衡點(diǎn)和收上鎖定三個(gè)位置各有一條曲線。力的單位均為N，力矩單位均為N.m。

2.2 模型建立

該機(jī)型前起落架機(jī)構(gòu)主要由主支柱和與之聯(lián)動(dòng)的前后艙門(mén)組成，在上位和下位均由過(guò)中心的鎖撐桿進(jìn)行鎖定，并由鎖彈簧幫助維持鎖定位置。驅(qū)動(dòng)裝置有開(kāi)鎖作動(dòng)缸和收放作動(dòng)缸。當(dāng)正常放下功能失效時(shí)，由自由放下手柄通過(guò)鋼索，驅(qū)動(dòng)各液壓缸兩腔都接通回油、解除上位鎖后，依靠重力和氣動(dòng)力自由放下。

建模時(shí)，保留所有具有運(yùn)動(dòng)關(guān)系的部件和全部的質(zhì)量特性，加入力學(xué)元件和運(yùn)動(dòng)約束，得到收上和放下?tīng)顟B(tài)的分析模型，如圖2所示。

2.3 分析結(jié)果

等效約束選擇為收放作動(dòng)缸，所考慮的載荷都向作動(dòng)缸的線性力進(jìn)行等效。其中不隨飛行速度變化的重力、鎖彈簧力、上位最大開(kāi)鎖液壓力直接等效，結(jié)果見(jiàn)圖3。各氣動(dòng)力速度變化，則按單位載荷進(jìn)行等效，結(jié)果見(jiàn)圖4。圖中，橫軸表示起落架的放下角度，0°為收上狀態(tài)，縱軸表示各實(shí)際載荷或單位載荷等效的收放作動(dòng)缸的軸力，其中為正表示阻止放下，為負(fù)表示幫助放下。

從圖3和圖4中可以看出，液壓開(kāi)鎖力、鎖彈簧力、重力、前艙門(mén)氣動(dòng)力在放下接近上鎖時(shí)，等效力突然增加，非常敏感，其中液壓開(kāi)鎖力、鎖彈簧力幫助上鎖，前艙門(mén)氣動(dòng)力、重力阻止上鎖。后艙門(mén)氣動(dòng)力和迎風(fēng)氣動(dòng)力的敏感性不高。

2.4 作用力綜合

有了各氣動(dòng)載荷的等效值和實(shí)測(cè)值后，就可以計(jì)算得到實(shí)測(cè)值在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的等效值，如圖5所示，將各等效值累加即可得到實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能需要的驅(qū)動(dòng)力。

在本實(shí)例中，有液壓的動(dòng)力放和無(wú)液壓的自由放的作用力綜合結(jié)果見(jiàn)圖6。圖中橫軸表示起落架放下角度(°)，0°為收上狀態(tài)，縱軸為收放作動(dòng)缸等效軸力(N)，圖例中數(shù)字表示飛行速度(節(jié))。作動(dòng)缸能力為0表示無(wú)液壓，右側(cè)小圖為接近放下上鎖階段的局部放大。

由圖6可見(jiàn)，動(dòng)力放時(shí)，飛行速度為250節(jié)時(shí)需要的驅(qū)動(dòng)力已經(jīng)略超作動(dòng)缸的能力，如果飛行中沒(méi)有擾動(dòng)，此速度將會(huì)是起落架能夠動(dòng)力放下的最大速度。而自由放的作用力綜合結(jié)果顯示，全部速度都不能放下上鎖。

2.5 分析

復(fù)雜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不能達(dá)成設(shè)計(jì)目的，將會(huì)影響機(jī)構(gòu)的工作，必須有可靠的解決方案。通過(guò)對(duì)圖3和圖5的分析，在起落架放下即將上鎖(放下角度為101°)時(shí)，全部飛行速度各載荷因素對(duì)應(yīng)的等效作動(dòng)缸軸力見(jiàn)表1。

表1 各載荷因素對(duì)應(yīng)等效作動(dòng)缸軸力(104N)

以飛行速度為180Kn為例，各載荷敏感度見(jiàn)圖7。

根據(jù)表1和圖7，在起落架放下即將上鎖時(shí)，前艙門(mén)氣動(dòng)力、液壓開(kāi)鎖力和鎖彈簧力具有很高的敏感度，其中又以前艙門(mén)氣動(dòng)力和液壓開(kāi)鎖力最為敏感，這兩個(gè)載荷的變化會(huì)對(duì)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生很大影響。前艙門(mén)氣動(dòng)力會(huì)隨飛行速度的增大而增大，而最大液壓開(kāi)鎖力和鎖彈簧力是恒定的，且自由放時(shí)沒(méi)有液壓開(kāi)鎖力。因此機(jī)構(gòu)本身的設(shè)計(jì)導(dǎo)致存在一個(gè)速度門(mén)檻值，大于此速度，起落架將不能動(dòng)力放下上鎖。而自由放時(shí)沒(méi)有液壓開(kāi)鎖力去克服前艙門(mén)氣動(dòng)力的影響，即使低速飛行也會(huì)存在不能自由放下上鎖的問(wèn)題。

2.6 解決方案分析

通過(guò)分析，找到影響前起落架放下的主要原因是前艙門(mén)氣動(dòng)力。要解決這一問(wèn)題，最有效的方法可以是降低前艙門(mén)氣動(dòng)力的敏感度，也可以是減小前艙門(mén)氣動(dòng)力。要降低敏感度，需要重新設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，改變傳力路徑，對(duì)機(jī)構(gòu)及周邊的結(jié)構(gòu)作調(diào)整；如果要改變氣動(dòng)力，需要更改艙門(mén)外形，需要根據(jù)飛機(jī)的具體情況做出選擇。經(jīng)綜合考慮，選取通過(guò)修改前艙門(mén)氣動(dòng)力的傳力路徑的方案，使問(wèn)題得以解決。

3 結(jié)論

敏感性分析中的等效目標(biāo)可以有多種選擇，但等效目標(biāo)與驅(qū)動(dòng)有關(guān)時(shí)，可以減少分析工作量，較容易得出設(shè)計(jì)是否滿足功能要求的結(jié)論。

實(shí)例中選取收放作動(dòng)缸為等效目標(biāo)，通過(guò)各載荷對(duì)前起落架放下特性的敏感性分析，再進(jìn)行作用力綜合，分析了機(jī)構(gòu)的能力和可能出現(xiàn)的問(wèn)題，找到最敏感因素，較準(zhǔn)確地再現(xiàn)了某型飛機(jī)前起落架的飛行和鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)現(xiàn)象，并據(jù)此提出有效解決方案。結(jié)果表明，機(jī)構(gòu)載荷敏感性分析對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

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The Load Sensitivity Analysis for ComplexLinkage Design

LU Bo

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210,China)

Complex Linkage design must deal with multiplicate loads. The sensitivity of each load must be analyzed, as well as the load equivalent integration. The main cause of sensitive loads shall be discovered by means of sensitivity analysis, the load equivalent integration ensures design function can be achieved. As the example shows, an aircraft nose landing gear cannot be normally and alternatively extended on some conditions during flight test and iron bird test. The load sensitivity analysis and load equivalent integration method are used to reappear and solve the problem. The application and importance of this method for complex linkage design are showed.

complex linkage; load sensitivity; landing gear retraction and extension; load equivalent integration

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.03.009

陸波男，碩士，研究員。主要研究方向：起落架、剎車、液壓能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真驗(yàn)證。Tel: 021-20864743,E-mail: lubo@comac.cc

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