CATIA動(dòng)力學(xué)仿真在起落架裝配中的應(yīng)用

李思強(qiáng)　張莉

摘 要

本文應(yīng)用大型三維建模軟件CATIA建立了某大型民機(jī)前起落架及艙門的三維實(shí)體模型， 利用CATIA中的數(shù)字樣機(jī)（Digital Mock-Up， DMU）進(jìn)行起落架收放的運(yùn)動(dòng)仿真，利用傳感器的碰撞試驗(yàn)功能檢測(cè)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各零件之間是否干涉，并通過(guò)測(cè)量工具測(cè)量分析了起落架與艙門在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最小間隙，描繪了起落架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程式中所掃掠的空間范圍，以實(shí)現(xiàn)與起落架艙干涉檢查，通過(guò)仿真以確定鎖機(jī)構(gòu)裝配的位置。動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)現(xiàn)數(shù)字樣機(jī)的實(shí)際工作過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)模擬， 為起落架裝配提供了一定的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞

起落架;CATIA;DMU;運(yùn)動(dòng)仿真;建模

中圖分類號(hào)： V226 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.023

0 概要

飛機(jī)起落架是飛機(jī)起飛、著陸、滑行和地面支撐、停放的主要裝置。大多數(shù)軍用和民用飛機(jī)在起飛著陸過(guò)程中起落架都要進(jìn)行收放運(yùn)動(dòng)并且要求飛機(jī)在飛行中必須實(shí)現(xiàn)起落架收上狀態(tài)的鎖定功能，以保證起落架在收上狀態(tài)的安全鎖定。因此，起落架收放運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、干涉檢查及鎖機(jī)構(gòu)的位置的準(zhǔn)確性，成為起落架裝配的重點(diǎn)。DMU電子樣機(jī)是對(duì)產(chǎn)品的真實(shí)化計(jì)算機(jī)模擬，滿足各種各樣的功能，提供用于加工或裝配的模擬環(huán)境。本文以某型號(hào)飛機(jī)前起落架為例，建立虛擬樣機(jī)模型，并賦予了每個(gè)部件相互間的裝配關(guān)系，進(jìn)行理論分析和方法研究，使技術(shù)人員在起落架工藝裝配和方法決策時(shí)，能對(duì)復(fù)雜的起落架模型進(jìn)行裝配空間觀察、安裝/拆卸、干涉檢查和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬，以減少實(shí)物樣機(jī)的預(yù)裝配與驗(yàn)證。

1 使用運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬模塊對(duì)KIN（CATIA DMU Fitting simulator）對(duì)起落架及艙門的收放運(yùn)動(dòng)建立動(dòng)力學(xué)模型

以某大型民用飛機(jī)前起落架為例，建立虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型。

前起落架結(jié)構(gòu)為支柱雙輪式，安裝在位于機(jī)頭下部的前起落架艙內(nèi)，向前向上收入前起落架艙內(nèi)。前起落架主要包含以下結(jié)構(gòu)：可折阻力桿、下位撐桿鎖和開(kāi)鎖作動(dòng)筒、減震支柱、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、機(jī)輪軸、收放作動(dòng)筒、上位鎖等組成，如圖1所示。

將CATIA的裝配模塊中的數(shù)模調(diào)入到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模擬模塊KIN，再根據(jù)各零件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系在該模塊中定義相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副。

1.1 前起落架主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下

a）后艙門采用隨起落架外筒聯(lián)動(dòng)的形式，起落架放下時(shí)后艙門打開(kāi)，起落架收起時(shí)后艙門關(guān)閉。

b）前艙門采用單獨(dú)的液壓作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)前起落架處在完全放下和收上位置時(shí)前艙門均處于關(guān)閉狀態(tài)。

c）前起落架鎖包括艙門鎖和起落架支柱鎖。

d）前起落架前傾角3度，向前向上收起102度收入到前起落架艙內(nèi)。

1.2 定義運(yùn)動(dòng)副，限制自由度

經(jīng)分析，起落架收放機(jī)構(gòu)與前艙門收放機(jī)構(gòu)均可獨(dú)立仿真，機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真需滿足自由度為零（即DOF=0）的條件，必須滿足下列公式

F = 6n -Σpi -Σ（x）qj-Σrk = 0 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中：n為活動(dòng)構(gòu)件總數(shù);m為運(yùn)動(dòng)副總數(shù);x為原動(dòng)機(jī)總數(shù);Pi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的約束條件數(shù);qj為第j個(gè)原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)約束條件數(shù);rk為其他的約束條件數(shù)。

收放機(jī)構(gòu)與前艙門收放機(jī)構(gòu)均可獨(dú)立仿真，因此各機(jī)構(gòu)自由度均為零（DOF=0）。

1.3 定義驅(qū)動(dòng)命令

將各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副定義以后，還不能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬分析，需要加載驅(qū)動(dòng)。一個(gè)機(jī)構(gòu)要想運(yùn)動(dòng)，通常會(huì)有一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)，具體要根據(jù)機(jī)構(gòu)形式而定?？梢栽诘?步定義約束的同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)命令的定義。例如對(duì)于圓柱副，既可以定義角度驅(qū)動(dòng)，又可以定義長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)，或者同時(shí)定義角度驅(qū)動(dòng)和長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)。在本文中給前艙門運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中添加艙門作動(dòng)筒之間的圓柱副的長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)，具體驅(qū)動(dòng)值如圖2 所示，在起落架收放運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中添加上阻力桿與前起艙的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)角度驅(qū)動(dòng)，具體驅(qū)動(dòng)值如圖2 所示。驅(qū)動(dòng)加載完畢后，CATIA會(huì)彈出一系統(tǒng)信息，提示可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，即可以進(jìn)行后期的運(yùn)動(dòng)分析了。

1.4 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真

給起落架收放機(jī)構(gòu)前艙門開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)添加約束和命令使之后可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真，仿真結(jié)果如下四幅圖，前艙門打開(kāi)→前起落架收起（后艙門跟著一起關(guān)閉）→前艙門關(guān)閉。

2 基于運(yùn)動(dòng)仿真的數(shù)字樣機(jī)分析

在動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程中，KIN模塊通過(guò)運(yùn)動(dòng)中的傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)分析檢查運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況，常用以下幾個(gè)命令 Clash（碰撞分析）;Distance & Band Analysis（距離和區(qū)域分析）等。

2.1 運(yùn)動(dòng)空間分析

運(yùn)動(dòng)過(guò)程中空間尺寸非常重要，要保證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)其它零件不發(fā)生干涉，設(shè)置傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)仿真過(guò)程，比如間隙值、碰撞、速度和加速度等。

由于設(shè)計(jì)方案的原因，在前起落架收起相同的角度的情況下，齒輪齒條轉(zhuǎn)向裝置可能會(huì)與艙門干涉，不能滿足前起落架的收放要求。所以設(shè)置距離傳感器，進(jìn)行收放仿真，分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程中兩部件的間隙是否滿足要求。

設(shè)置分析對(duì)象為齒輪齒條的邊緣，參考物體分別為前后艙門，仿真運(yùn)動(dòng)生成的軌跡線如圖6所示，輸出文件的曲線如圖7所示。從圖中可測(cè)出在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中齒輪齒條邊緣離艙門的最近距離，驗(yàn)證是否符合要求。

2.2 確定上位鎖的位置

在前起落架收放時(shí)，從前傾角3度，向前向上收起102，用CATIA運(yùn)動(dòng)仿真模塊中的“軌跡”命令作出此點(diǎn)的軌跡曲線（如圖2），即可利用運(yùn)動(dòng)仿真得出起落架上位鎖的位置。

2.3 包絡(luò)體分析

描繪了起落架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程式中所掃掠的空間范圍，以實(shí)現(xiàn)與起落架艙干涉檢查，如圖9和圖10所示，確定前起艙的空間是否足夠容納起落架運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

起落架零部件雖然沒(méi)有整機(jī)那樣復(fù)雜，但使用CATIA V5中的DMU功能同樣幫助工程師快速解決零裝配過(guò)程中最為關(guān)鍵的空間尺寸，運(yùn)動(dòng)干涉等問(wèn)題，無(wú)疑可以減少產(chǎn)品的裝配成本，提高了效率。