飞机缝翼机构运动仿真及故障模拟

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1、飞机缝翼机构运动仿真及故障模拟庞欢，喻天翔(西北工业大学航空学院，陕西西安710072)摘要：为了得到缝翼机构在地面和空中正常收放过程及出现异常情况下的动态响应，首先对缝翼机构的力学性能进行了理论分析；再采用LMSVirtual.LabMotion建立缝翼机构参数化的刚柔耦合模型;在此基础上，对缝翼机构在地面及空中收放两种典型工况进行了仿真分析,得到了两种工况下收放所需的驱动力矩、齿轮齿条作用力及扭力杆载荷与内外侧角度偏差等机构主要性能参数；最后，对扭力杆断裂及单侧运动卡滞两种I类故障模式进行了模拟，得到了出现界常吋，机构主要性能参数的动态响应，为缝翼机构的可靠性分

2、析和设计改进提供依据。关键字：缝翼机构刚柔耦合参数化模型性能参数故障模拟引言飞机机翼的气动力设计，一方面要考虑高速飞行和机动作战的要求，另一方面在起飞和着陆吋，又要尽可能降低飞行速度，缩短滑跑距离，这意味着要求着陆吋有高的升力系数,而起飞时不仅要求由高的最大升力系数，还要求由高的升阻比。因此必须在原有机翼上釆用各种活动血措施，即増升装置。根据所处机翼上的位置，増升装置可以分为前缘増升装置和后缘増升装置。图1所示为典型的机翼截面，在机翼前缘装有缝翼(slat),机翼后缘装有襟翼(flap)o在巡航阶段襟缝翼均处于收放位置以减小阻力，而在起降阶段襟缝翼放下，以增加机翼弯

3、度和面积，提高升力系数。襟缝翼的可靠性与飞机的安全直接相关，一旦其收放机构出现故障，轻者飞机受损，重者机毁人亡。根据AviationSafetyNetwork数据库、世界民航数据库、《飞行事故调查与分析选编》、《民用航空飞行事故汇编》、《世界航空安全与事故分析》以及相关文献等资料(其余加到参考文献),1956年至2004年世界各地多种型号的飞机襟、缝翼运动机构引发的事故有四十余起，在我国的新支线客机ARJ21的襟缝翼系统试验过程中就出现过缝翼机构卡滞现象。襟缝翼系统庞大而复杂，试验成本及费用高昂，在设讣初期，不可能利用实物试验来获取机构的动态响应，因此采用多体动力学

4、分析软件对大型机构进行仿真分析成为了一种趋势。本为即以LMSVirtual.Labmotion为平台，通过建立缝翼机构的刚柔耦合仿真模型，对不同工况下的机构动态性能进行仿真分析，并对重要失效模式进行故障模拟。1缝翼机构功能原理及失效机理分析1.1缝翼机构组成及工作原理飞机左右机翼分别设置三段前缘缝翼，各段互不相连。由于各段缝翼的结构形式相同，故研究中只取内段缝翼作为研究对象。如图2所示，飞机内段缝翼t度为4米，为了防止飞行过程中缝翼翼面产生过大变形,布置三根滑轨与支架保持连接。每个滑轨依靠与机翼固连的支架上的4个滚轮接触实现限位。由于齿轮齿条传动具有传递功率范围大、

5、传动效率高等优点，缝翼的收放釆用齿轮齿条传动，在一号和三号滑轨中安装有齿条，与安装在支架上的齿轮相互配合。缝翼收放时，驱动器转动，带动内侧齿轮转动，再通过扭力杆将力矩传递到外侧齿轮，两侧齿轮同时转动带动安装在内外两侧滑轨上的齿条运动，实现缝翼收放。前缘缝翼在20秒内的最大下偏角为20.85度（垂直转轴）。在滑轨底部和端部装有限位装置，防止缝翼机构过度收放。图1含高升力设备的典型机翼截面示意图图2缝翼机构组成简图1.2缝翼机构力学性能分析121缝翼滑轨与支架作用力建模在缝翼机构收起或放下前，由于气动载荷的作用，机翼会发生弯曲，翼尖上翘，因此与机翼固连的三个缝翼支架就会

6、偏离设计位置，在滚轮与滑轨接触力的作用下，缝翼翼而也会随之发生弯曲，翼尖上翘。缝翼机构的正视图和受力情况如图3所示，机翼可以看作是一个变刚度悬臂梁，在屮部和尖部分别受到机翼变形带来的强制位移Ay?、缝翼上方受到分布气动载荷qg,其中兀为气动力作用点到翼根的距离，&为缝翼的放下角度。图3缝翼滚轮与滑轨作用力分析示意图对缝翼进行受力分析得到两段内的弯矩如下：M（x）=<场（£一兀）+佗（/]+/2一兀）+[q{x.F,（£+厶一x）+Jq（x,0）x（x厶

7、i=JrJ+q%+d[hf3和办（缝翼放下过程中方向如图所示，收上过程中方向与图示相反）以及缝翼翼面的气动载荷L（0）.由于滚轮与滑轨直接为圆柱面接触，其接触力