航空飞行器锁机构参数化建模仿真研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

参数化设计是现代机械设计的核心技术，利用参数化设计手段可以使设计人员从大量繁琐的设计、计算、绘图工作基金项目：国家自然科学基金(50875210)收稿 日期：2012-10-19 修回日期 ：2012-ll-21- 60 - 中解脱出来，提高了设计效率。同时，也可以在实际制造物理样机之前通过虚拟技术来方便地修改设计 ，缩短了产品的开发周期，降低了成本，增强市澈争力。而机构的运动学仿真则主要是获得机构中某些构件的角位移、角速度、角加速度以及某些点的位移、速度和加速度，是进行机构设计和评价机构运动特性及动力性能的基础 ，也是分析现有机械、优化综合新机械的基本手段。因此，机构的参数化建模和运动学仿真分析是设计和研究机械性能的重要组成部分 。

平面连杆机构结构简单、制造容易、工作可靠，且能够承受很大的载荷、实现多种运动规律和运动轨迹 ，已广泛应用于工程实际中。航空飞行器舱门锁机构即是平面连杆机构的-个重要应用。舱 门机构的工作性能对航空飞行器任务完成和飞行安全具有直接的影响，锁机构是舱门机构中的-个重要部件，它的故障将直接导致任务无法完成，严重影响处于高空飞行状态飞行器的安全性和机动性，甚至导致飞行器坠落，产生重大事故 。因此 ，锁机构的运动状态检测、干涉检查对确定其安全锁定和有效开启起着至关重要的作用。

目前，航空飞行器锁机构运动研究多集中在实验测试方面，在接近于飞行环境下对样机的门锁机构系统进行实验 ，根据第-手的实验数据对整个系统的运动情况进行直接评估。但是，考虑到经济及技术方面的限制，通过实验对其进行运动分析是不现实的，从而造成实验数据稀少，很难建立起可靠的运动学数据库。而机构参数化建模仿真技术的快速发展，为航空飞行器锁机构的运动学分析研究提供 了-个新思路。锁机构的建模和运动学仿真可以获得门锁开启与关闭过程中各构件的运动位移 、速度和加速度变化规律 ，便于更合理有效地发挥锁机构的特性。在此基础上，还可对锁机构与机身、外挂构件等的干涉进行检验，并对锁机构的运动是否满足相应指标进行分析 。基于此，本文提出了-种能有效避免锁机构的运动干涉等故障，合理设计锁机构的参数化建模和运动学仿真方法。通过建立基于锁机构强度分析的尺寸优化模型，优化设计-锁机构尺寸，实现锁机构的参数化实体建模，建立锁机构的运动学仿真模型，全面仿真分析了其运动状态。

2 飞行器锁机构结构实体建模货舱门是某航空飞行器的重要系统之-，通常 由斜台、后货舱门及其操纵机构、锁机构 、随动趾板等部分组成。其工作过程为：后货舱门下位锁打开-后货舱门向上打开-后货舱门打开到位-后舱门上位锁住-斜台向上稍微收起-斜台开锁-斜台向下打开到位∩以看 出，后货舱 门上、下位锁对飞行器任务的完成性能具有直接的影响，当舱门关闭到位时下位锁将后舱门锁在关闭位；当舱门打开到位时上位锁将后舱门锁在打开位。研究锁机构系统的运动情况，首先须设计-锁机构，为便于分析，可将锁机构简化为-平面六杆机构 ，如图1所示。

锁机构工作环境恶劣，长期受交变应力影响 ，因此 ，各杆件的剪切、挤压强度将直接引起锁机构故障产生。通常，各杆件厚度、宽度以及销轴与杆件的接触长度与其剪切、挤压强度关系紧密，而杆长尺寸则是根据其运动情况和机身整体结构独立设计，且对其剪切、挤压强度影响较小，故设计锁机构结构参数时，主要是确定各杆件厚度、宽度以及销轴与杆件的接触长度等参数。

图1 货舱门锁机构简化图根据门锁机构强度分析可建立其结构参数优化模型：l ri，hi，Gi Jminf(X)minr hi0 -(√ -研R-max ， )r ≥R ≥ RCti-r1)≥max ， )1.5≥ tli≥ 1. 2 ( A，曰，c，D，E，F，G)式中rI为销轴半径； 为销孔外圆半径；R为销轴中段剪切作用力； 为销轴与杆件的接触总长度；[7.为材料的剪切强度；[0rb ]为材料的挤压强度； 为销轴中段挤压作用力。

由图 1可以看出，锁机构可简化为两级平面四杆机构，考虑构件的互换性和加工方便，统-对 和 a 值进行限制 ，令h h，(iA，B，C，D，E，F，G)r rlrl，(iA，B，C，D)L ri： r2，(iE，F，G)ai 。1，( ：A' ，c，D) (2)L口ia2，(iE，F，G)假设 已知各杆件轴 向尺寸，分别为 II230mm，12430mm，12 700mm，13210mm，13505ram，/4 410mm，15315mm，16330mm，/7380mm，18300mm，其工作空间为[-50.0。，125.0。]。根据航空宇航材料相关资料，选用门锁机构材料为TiA16V4，查表可知其屈服强度、安全系统等参数。用锁机构参数优化模型进行数值模拟计算，可得锁机构的基本尺寸如表 1所示。

- 6- OO I25 衢 盯 50 0 6z5 75 0 盯5 10∞ I125 衢O l37 5 1驹0 6 f7s0EulerDrivingAnde，。

O0盯5譬。哦 嘲 羔0l750巧O筠0 0图8 锁钩的角速度变化曲线1-岫 Ⅲ觚出积n 1 lj/7： ：fl/ /h - L 0.0 惶5 巧0 盯5 500 625 750 87 5 10.0 1住5 拍0 玎5 f500 1蛇5 两0EulerDrivigAngle，。

图9 锁钩的角加速度变化曲线尺寸计算模型，优化设计了锁机构尺寸，实现了锁机构的参数化实体建模，建立了锁机构的运动学仿真模型，仿真研究了其运动情况♂果表明设计的锁机构运动连续性好，无运动干涉现象，能实现有效闭合、开启。锁钩工作行程中，第32s秒前，稳转速”接近锁闩，32s后快速扣合，实现锁紧；在锁紧瞬间，加速度急速增大，产生较大速度和力，说明在对机构进行结构设计时，机构强度要求最高的时刻即锁钩与锁闩扣合(上锁)的瞬间，与实际情况相符。该模型能有效仿真航空飞行器锁机构的实际运动状态，真实体现锁机构在实际工作中的运动轨迹和传力方向，为锁机构进行动力学仿真提供运动学基础，同时也为锁机构的设计应用提供理论依据。