RAT释放过程多体运动学研究_周连骏.pdf

机械制造周连骏，等AT 释放过程多体运动学研究第一作者简介:周连骏(1990)，男，江苏高邮人，工程师，硕士，研究方向为机械设计、机械动力学。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301014AT 释放过程多体运动学研究周连骏，林杏子，夏天翔，周明智，杜鑫(中国航空工业集团公司 金城南京机电液压工程研究中心，江苏 南京 211106)摘要:冲压空气涡轮(AT)系统属于飞机应急能源，当飞机失去主、辅动力时，可为飞机提供应急电能和液压能。基于某类冲压空气涡轮运动机构的几何、运动约束关系，建立了 AT 的通用运动学模型;使用 Matlab 程序计算 AT 释放过程中关键铰点的轨迹、速度和加速度;对AT 关键设计参数进行敏感性分析，研究了收放作动器和舱门连杆安装位置对 AT 执行机构运动特性的影响;运用 LMS Virtual lab Motion 平台搭建了该类 AT 的多体模型。通过计算对比可以发现:所建运动学模型的计算误差在 5%以内。关键词:冲压空气涡轮;释放过程;运动学;Motion;敏感性分析中图分类号:O3137文献标志码:A文章编号:1671-5276(2023)01-0059-06esearch on the elease Process of am Air Turbine Based on Multibody KinematicsZHOU Lianjun，LIN Xingzi，XIA Tianxiang，ZHOU Mingzhi，DU Xin(Jincheng Nanjing Electromechanical Hydraulic Engineering esearch Center，China Aviation IndustryCorporation，Nanjing 211106，China)Abstract:am Air Turbine(AT)system，as the emergency power system of aircraft，can provide aircraft with emergency powerand hydraulic energy in failures of both rxaircraft main and auxiliary power systems A general kinematic model of AT is built basedon the geometric and motion constraints of the AT movement mechanism The Matlab program is applied to calculate the trajectory，speed and acceleration of the key hinges in AT release process The sensitivity analysis of the key design parameters of AT isconducted，and the influence caused by the installation positions of the actuator and the cabin door connecting rod on the movementcharacteristics of AT actuator is studied The multibody dynamics model of one certain kind of AT is built with LMS Virtual labMotion By comparing the calculation results，it is concluded that the computational error of the model is less than 5 percentKeywords:ram air turbine;release process;kinematics;Motion;sensitivity analysis0引言冲压空气涡轮(AT)系统属于飞机的应急能源。当飞机的主发动机停止工作，而辅助动力系统(APU)也无法正常工作时，AT 会弹出高速气体冲压涡轮叶片，带动涡轮高速旋转，AT 将气流的冲压能转变为旋转机械能，驱动末端的发电机或液压泵工作，从而为飞机提供应急电能或液压能。AT 作为飞机的应急能源，总体设计时，安装空间有限，如何充分利用空间进行 AT 部件的快速合理布局，避免释放过程中与舱门等机身部件干涉;紧急状况下如何实现 AT 快速释放。传统方法是建立相应的三维模型，再根据 AT 的运动、约束关系建立动力学模型，通过动力学仿真计算验证结构各参数可行性，这种做法往往需要耗费大量的建模及运算时间，迭代量大且不易得到最优解。本文改变传统做法，针对 AT 释放过程的运动学特性进行研究探索，通过建立该型 AT 通用运动学模型，并通过与该型 AT 动力学模型仿真对比，验证运动学模型的准确性;为后期该类 AT 的结构设计提供计算依据;为 AT后续产品研制、结构减重、设计优化等工作提供参考。1运动学建模11装置释放过程分析AT 主要由 1收放作动器、2液压泵/应急发电机、3涡轮、4齿轮箱、5舱门连杆、6支撑臂等部分组成，见图1。图 1AT 组成简图95机械制造周连骏，等AT 释放过程多体运动学研究AT 在飞机上有回收/展开两种状态，见图 2。图 2回收/展开状态图通常情况下，AT 处在回收状态，AT 收放作动器随AT 整体装载在 AT 舱内部。收放作动器将涡轮及支撑臂定位在回收状态，并用上位锁定机构锁定，以避免涡轮因自重推开舱门释放1。收放作动器电磁铁接通后，上位锁解除，AT 向外移动伸出;展开到位后，下位锁销动作，实现收放作动器的下位锁定。12运动学建模以某型 AT 系统为研究对象，建立该 AT 的运动学模型28。根据 AT 系统的运动学原理，提取运动构件，绘制 AT 系统的运动简图，见图 3。图 3运动简图图 3 中，AT 结构简化为 4 个部件。其与图 1 对应关系分别为:部件 1 对应图 1 中 1收放作动器。部件 1 通过挂点A 与飞机相连，过C0作支撑臂中轴线的垂线，C1是垂足;部件2 对应图1 中2液压泵/应急发电机、3涡轮、4齿轮箱与 6支撑臂整体。部件 2 通过挂点 B 与飞机相连，部件 2 与部件 1 通过转动副C0连接，与部件 3 通过球铰D1相连;部件 3 对应图 1 中 5舱门连杆，D1、E0为球铰，D0是D1在支撑臂 BH 中轴线上的垂足，E0是舱门连杆与舱门的交点;部件 4 对应图 2 中的 AT 舱门。舱门绕着轴线 FG转动，过球铰E0作舱门转轴线 FG 的垂线，垂足是E1。在 AT 系统中，收放作动器为主动件，初始状态下，内部弹簧被压缩，电磁铁接通后，弹簧展开将 AT 系统推出舱门。由于收放作动器内部结构复杂且非本文研究重点，可将作动器简化为一带有移动副的部件 1，释放时，部件 1 沿轴线方向展开，且整体绕 A 点转动。提取同等展开条件下、伸长量随时间变化的试验数据作为 AT 运动学模型的输入。AT 收放作动器工作原理及 AC0伸长量 dL 随时间变化见图 4。图 4伸长量 dL 随时间 t 变化曲线在此模型中，A、B、E0、F 和 G 点为飞机 AT 舱内的原有固定点，在以 B 点为原点建立的整体坐标系下，这些点的坐标见表 1。表 1已知点坐标单位:mm坐标点xyzA45920634679523982B000E09479321428421319F115005114736222778G615005114736222778已知 BC1=1327mm;BD0=310mm;BH=710mm;初始收放作动器 AC0=487mm。以 B 点为原点(即 O 点)，建立 AT 运动学模型的整体坐标系 Oxyz，其中 x 轴为水平方向，y 轴为竖直向上，z轴方向满足右手定则。平面 ABH 与整体坐标系的 Oxy 面有一定夹角，即 Oxy 平面绕 x 轴旋转 角度得到，旋转所得的新的坐标系为Oxyz。Oxyz 与Oxyz之间的坐标变换矩阵为x1。x1=1000cossin0sincos(1)在直角BC0C1中，BC0=BC21+21，BC0与 BC1的夹角 1=arctan1BC1()，在ABC0中，AB 与 BC0的夹角 2随 AC0的变化而变化，由余弦定理得到06机械制造周连骏，等AT 释放过程多体运动学研究2(t)=arccosAB2+BC20(AC0+dL)22ABBC0(2)AB 轴与水平轴的夹角为3，大小可由 A、B 两点坐标确定。支撑臂与水平轴夹角 随 AC0伸长量的变化而变化。=1+2(t)3(3)在 Oxyz坐标系中，建立随支撑臂转动而转动的局部坐标系，以 BH 所在的直线为 y轴，垂直于 BH 为 x轴，此轴会随着支撑臂的转动而转动。坐标系 Oxyz是坐标系 Oxyz绕 z轴旋转=2 后得到，旋转变换矩阵为 x2。x2=cossin0sincos0001(4)在局部坐标系 Oxyz下，C0的坐标(1，1，BC1);D1的局部坐标(2，2，BD0);测量某型 AT 收放作动器和舱门连杆的安装位置可得:1=70mm;2=45mm;1=0;2=4;建立 AT 运动学模型并编写相应的 Matlab 计算程序911，在整体坐标系下，收放作动器与支撑臂连接的转动铰C0的变化见式(5)。对C03 个方向的位移求导即可求得C0的速度随时间变化的关系，对C03 个方向的速度求导即可求得C0的加速度随时间变化的关系。C0(t)=x1x2C0=1000cossin0sincoscossin0sincos00011cos 1BC11sin 1(5)在整体坐标系下，支撑臂与舱门连杆连接铰D1的变化见式(6)，D1轨迹见图 5。D1(t)=x1x2D1=1000cossin0sincoscossin0sincos00012cos 2BD02sin 2(6)图 5D1的运动轨迹在整体坐标系下，支撑臂端点 H 的坐标变化见式(7)，H 点空间轨迹见图 6。对 H 3 个方向的位移求导即可求得 H 的速度随时间变化的关系。H(t)=x1x2H=1000cossin0sincoscossin0sincos00010BH0(7)图 6H 的运动轨迹由空间位置关系得:E1F=k FG(8)E0E1FG由上述两个关系可以得到球铰E0在舱门转轴 FG 上的投影E1的坐标变化关系。(XE0(t)XE0)(XFXG)+(YE0(t)YE0)(YFYG)+(ZE0(t)ZE0)(ZFZG)=0(XE0(t)XE1)2+(YE0(t)YE1)2+(ZE0(t)ZE1)2=E0E1(XE0(t)XD1(t)2+(YE0(t)YD1(t)2+(ZE0(t)ZD1(t)2=D1E0(9)联立可以得到舱门连杆与舱门连接球铰E0随时间的轨迹见图 7。图 7球铰E0运动轨迹对球铰E03 个方向的位移求导即可求得E0的速度随时间变化的关系。对E03 个方向的速度求导即可求得E0的加速度随时间变化的关系。AT 释放过程中，舱门转角即E0E1与E0tE1之间夹角随时间变化。=arccosE0E1E0tE1E0E1E0tE1()(10)舱门展开角度 随时间变化见图 8。16机械制造周连骏，等AT 释放过程多体运动学研究图 8舱门转角 随时间变化曲线通过以上推导得到各点的函数关系，计算得出在同一坐标系下各点的空间运动轨迹，进一步即可判断 AT 释放过程中涡轮叶片与舱门的位置关系。同时，通过分析舱门展开角度 的影响因素，即可在 AT 设计时进行优化，以提高舱门展开效率。13AT 运动学分析在 AT 释放过程中，如果 AT 舱门展开过慢或展开角度过小，就存在涡轮叶片与舱门干涉的可能。以该型AT 运动构件为研究对象(即部件 1部件 3)，其影响AT 执行机