沖壓空氣渦輪艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真及優(yōu)化

杜鑫， 盧岳良， 陳建偉

（航空工業(yè)南京機(jī)電液壓工程研究中心，南京211106）

0 引言

沖壓空氣渦輪系統(tǒng)（Ram Air Turbine，簡(jiǎn)稱RAT）是一種在飛機(jī)失去主動(dòng)力和輔助動(dòng)力的緊急情況下，利用飛機(jī)滑行速度，吸收相對(duì)氣流的沖壓能量，向飛機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)提供應(yīng)急液能源以保持飛機(jī)的可操縱性的應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)[1-2]。

沖壓空氣渦輪系統(tǒng)艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)為連接RAT與飛機(jī)RAT艙門的功能部件，實(shí)現(xiàn)RAT運(yùn)動(dòng)過程中與艙門的聯(lián)動(dòng)功能。艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)可簡(jiǎn)化為連桿機(jī)構(gòu)模型。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)沖壓空氣渦輪系統(tǒng)艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究較少，在設(shè)計(jì)過程中僅對(duì)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算，驗(yàn)證艙門連桿的基本功能，尚未開展對(duì)艙門連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真、優(yōu)化方面的研究。

虛擬樣機(jī)技術(shù)為連桿類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化提供了仿真平臺(tái)[3-10]。本文在動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)ADAMS環(huán)境中建立了沖壓空氣渦輪系統(tǒng)艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，并分析了影響艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的分析、優(yōu)化，有效地改善了RAT收放機(jī)構(gòu)的受力情況，降低了對(duì)RAT收放機(jī)構(gòu)初始推力的設(shè)計(jì)要求。

1 艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

1.1 沖壓空氣渦輪艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)

沖壓空氣渦輪系統(tǒng)主要有收放作動(dòng)筒、液壓泵、渦輪部件、齒輪箱部件、艙門連桿組件和支撐臂部件等部分組成（如圖1）。

飛機(jī)正常狀態(tài)時(shí)，收放作動(dòng)筒鎖定在回收狀態(tài)，并將RAT固定在飛機(jī)RAT艙門內(nèi)（如圖2）。緊急情況下，收放作動(dòng)筒上位解鎖，在其彈簧力作用下，作動(dòng)筒內(nèi)缸從外缸伸出，同時(shí)推動(dòng)支撐臂轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將渦輪部件釋放至相對(duì)氣流中，直至收放作動(dòng)筒展開到位，并鎖定在展開位置。

艙門連桿組件一端安裝在RAT支撐臂上，另一端安裝在RAT艙門上（如圖2）。RAT展開過程中，支撐臂帶動(dòng)艙門連桿組件運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，艙門連桿組件進(jìn)一步推動(dòng)RAT艙門繞其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)RAT與艙門的聯(lián)動(dòng)。

1.2 艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

艙門連桿組件較為復(fù)雜，通過對(duì)艙門連桿各關(guān)節(jié)的功能分析，可將連桿組件簡(jiǎn)化為兩端帶球鉸的桿單元。簡(jiǎn)化后RAT艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖1 RAT結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 產(chǎn)品及艙門回收/展開狀態(tài)

其中，A、O為RAT在機(jī)上的掛點(diǎn)，B為收放作動(dòng)筒與支撐臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副，C為艙門連桿組件與支撐臂之間的鉸接點(diǎn)、D為艙門連桿與RAT艙門之間的鉸接點(diǎn)，M-M為艙門轉(zhuǎn)動(dòng)軸。

RAT回收狀態(tài)時(shí)，渦輪部件貯存在RAT艙內(nèi)，此時(shí)RAT通過艙門連桿組件將RAT艙門固定在關(guān)閉狀態(tài)。

RAT展開過程中，收放作動(dòng)筒內(nèi)、外缸之間的預(yù)壓彈簧力克服RAT艙門的氣動(dòng)阻力、RAT及RAT艙門慣性力等阻力，驅(qū)動(dòng)RAT及艙門轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)RAT與艙門的同步展開功能。

RAT艙門連桿組件的優(yōu)化可以有效地減小對(duì)收放作動(dòng)筒的預(yù)壓彈簧力的要求，而預(yù)壓彈簧力為收放作動(dòng)筒的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，直接影響收放作動(dòng)筒的外形尺寸、質(zhì)量等物理特性。通過降低收放作動(dòng)筒預(yù)壓彈簧力要求，可以減小收放作動(dòng)筒的設(shè)計(jì)難度，有效減小收放作動(dòng)筒外形尺寸及質(zhì)量。同時(shí)可以減小收放作動(dòng)筒對(duì)RAT支撐臂、RAT機(jī)上掛點(diǎn)的作用力，從而改善飛機(jī)受力狀態(tài)。

2 參數(shù)化建模及影響因素分析

2.1 參數(shù)化建模

對(duì)RAT收放作動(dòng)筒及艙門連桿組件進(jìn)行簡(jiǎn)化，在ADAMS環(huán)境中建立圖4所示RAT艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真模型。該多體動(dòng)力學(xué)仿真模型主要由剛體、約束、力、數(shù)據(jù)元素（data element）、驅(qū)動(dòng)等組成。其中，選取圖中O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)系方向如圖4所示。

圖3 艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4 艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化仿真模型

RAT展開過程主要承受艙門的氣動(dòng)阻力矩N、渦輪的氣動(dòng)軸向力F、收放作動(dòng)筒彈力、RAT及艙門慣性力等載荷，且上述載荷均與RAT展開角度相關(guān)。

在模型對(duì)支撐臂與大地之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副添加Measure，動(dòng)態(tài)測(cè)量RAT展開角度。根據(jù)對(duì)渦輪部件的氣動(dòng)仿真結(jié)果，在模型中建立渦輪部件軸向氣動(dòng)推力與RAT展開角度相關(guān)的data element曲線。仿真過程中，模型根據(jù)RAT展開角度，運(yùn)用AKISPL 函數(shù)，動(dòng)態(tài)求取渦輪軸向氣動(dòng)推力。同理對(duì)艙門與大地之間轉(zhuǎn)動(dòng)副添加Measure，并根據(jù)艙門轉(zhuǎn)動(dòng)角度動(dòng)態(tài)求取艙門在展開過程中受到的氣動(dòng)阻力。

因RAT在機(jī)上的安裝位置受飛機(jī)安裝空間、飛機(jī)結(jié)構(gòu)等因素限制，故RAT在飛機(jī)上的安裝位置O點(diǎn)、A點(diǎn)的坐標(biāo)為定量值。

RAT設(shè)計(jì)中，主要的設(shè)計(jì)變量為收放作動(dòng)筒與支撐臂、支撐臂與艙門連桿、艙門連桿與艙門之間的鉸接點(diǎn)位置，故在仿真模型中將點(diǎn)B、點(diǎn)C及點(diǎn)D的三維坐標(biāo)值設(shè)置為設(shè)計(jì)變量，具體如表1所示。

2.2 運(yùn)動(dòng)影響因素分析

設(shè)置驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)為支撐臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度，在Design Exploration 中對(duì)各設(shè)計(jì)變量進(jìn)行分析研究，目標(biāo)值為收放作動(dòng)筒受力初始推力值，設(shè)置Default levels為5，運(yùn)行仿真模型，仿真結(jié)果如圖5所示。

通過分析模型各設(shè)計(jì)變量對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響可知，設(shè)計(jì)變量DV_Y1、DV_X2、DV_Z2、DV_X3和DV_Y3與目標(biāo)函數(shù)正相關(guān)，DV_Z1、DV_Y2、DV_Z3與目標(biāo)函數(shù)負(fù)相關(guān)。

設(shè)計(jì)變量DV_Y1、DV_Z1和DV_Y2對(duì)目標(biāo)的敏感度較大，在設(shè)計(jì)中起到?jīng)Q定性作用。DV_X3、DV_Y3和DV_Z3對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響較小。

表1 模型中的設(shè)計(jì)變量

3 優(yōu)化求解

RAT艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化的一個(gè)重要的目的是減小對(duì)收放作動(dòng)筒初始彈簧力要求，從而減小收放作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量。

RAT展開后，因渦輪部件轉(zhuǎn)動(dòng)過程不能對(duì)艙門產(chǎn)生干涉，故要求RAT艙門轉(zhuǎn)動(dòng)角度不小于75°。根據(jù)收放作動(dòng)筒設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，受10 kN彈簧力級(jí)別的彈簧外形影響，收放作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)行程（內(nèi)缸從外缸伸出的最大距離）應(yīng)不小于100 mm。受作動(dòng)筒外缸安裝座和連接桿等結(jié)構(gòu)尺寸的限制，收放作動(dòng)筒的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度不小于270 mm。故模型中的約束條件如下：αθ=68≥75°；DV_Y1≥30；DV_Z1≥60；DV_X1≥35；L2-L1≥100；2L1-L2≥270。其中：θ為RAT展開角度；α為艙門轉(zhuǎn)動(dòng)角度；

在Design Evaluation Tool中選擇optimization選項(xiàng)，并對(duì)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為 minimize Des。在ADAMS 中采用OPTDES-SQP二次規(guī)劃算法對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行仿真，對(duì)關(guān)鍵鉸接點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

優(yōu)化后，各設(shè)計(jì)變量取值如表2所示。RAT展開到位后，收放作動(dòng)筒行程為150.7 mm，艙門展開角度為75.9°。優(yōu)化前后，收放作動(dòng)筒初始彈簧力要求分別為8470 N和5149 N，展開過程作動(dòng)筒受力曲線如圖7所示。由受力曲線可知，優(yōu)化后，收放作動(dòng)筒初始彈簧力要求有明顯的減小，RAT展開過程，收放作動(dòng)筒彈力要求有明顯改善。

表2 優(yōu)化后各設(shè)計(jì)變量取值

4 結(jié)論

本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，為RAT艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化提供了一種方法。本文在ADAMS平臺(tái)中建立了沖壓空氣渦輪系統(tǒng)艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了仿真分析。同時(shí)，在模型中對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了參數(shù)化處理，通過仿真，分析了各設(shè)計(jì)變量對(duì)艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性的影響。最后，對(duì)沖壓空氣渦輪系統(tǒng)艙門聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有效地降低了對(duì)RAT收放作動(dòng)筒初始彈力的要求，從而減小了收放作動(dòng)筒的外形尺寸、質(zhì)量等特性，對(duì)沖壓空氣渦輪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的積極意義。

圖5 各設(shè)計(jì)變量對(duì)作動(dòng)筒推力影響

圖6 優(yōu)化后RAT及艙門展開角度曲線

圖7 優(yōu)化前后收放作動(dòng)筒受力曲線