鉸鏈?zhǔn)较麓骨熬墮C(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真研究

馮蘊(yùn)雯，蔡昂，何智宇，周穎，薛小鋒

（1.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072）

（2.上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度工程技術(shù)所，上海 201210）

0 引 言

機(jī)翼增升裝置是現(xiàn)代大型民用飛機(jī)起降過程中的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，增升裝置設(shè)計(jì)也是民用飛機(jī)研制中主要任務(wù)之一。經(jīng)過國內(nèi)外的長期研究，增升裝置中以前緣縫翼和后緣襟翼為代表的設(shè)計(jì)技術(shù)與方法等較為完善，但是目前已經(jīng)運(yùn)用的增升裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，會(huì)造成飛機(jī)使用過程中的可靠性降低、維護(hù)檢查困難等一系列問題。現(xiàn)如今大型民用飛機(jī)使用需求的不斷變化以及飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，綠色航空、安全航空的發(fā)展理念已經(jīng)成為當(dāng)前民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，特別是伴隨著飛機(jī)噪聲要求的提高，增升裝置設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想和目標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)樵跐M足氣動(dòng)要求及噪聲要求的前提下盡可能地做到簡單、可靠，例如先進(jìn)商用飛機(jī)A380 和A350XWB 在機(jī)翼上便采用了鉸鏈下垂前緣的增升裝置，說明鉸鏈?zhǔn)降南麓骨熬壪啾扔谶\(yùn)用較多的傳統(tǒng)滑軌式前緣縫翼具有更高的可靠性。這種增升裝置是一種簡單的前緣繞鉸鏈軸向下旋轉(zhuǎn)一定角度的結(jié)構(gòu)，與目前使用最多的前緣縫翼相比，這種結(jié)構(gòu)具有減小阻力、降低噪聲、提高升阻比和可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

下垂前緣式的增升裝置機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式簡單、噪聲小、失效概率低，已經(jīng)成為當(dāng)前國際先進(jìn)民用飛機(jī)增升裝置的主要研究方向。由于前緣下垂構(gòu)型與主翼之間不存在縫道和凹腔，這種增升裝置可以大幅減小氣動(dòng)噪聲，且鉸鏈機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式簡單、重量輕，降低了制造維修成本，較好地滿足了飛機(jī)總體技術(shù)要求。

國外下垂前緣的增升裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法很完善，例如，J.Adam 等在歐洲NACRE 項(xiàng)目資助下設(shè)計(jì)了一種先進(jìn)的下垂前緣增升裝置。但國內(nèi)對(duì)下垂前緣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法研究還很少，大多是對(duì)下垂前緣氣動(dòng)特性的研究，例如劉沛清等近年來對(duì)下垂前緣氣動(dòng)特性進(jìn)行研究。對(duì)于增升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，張興國從RSSR 空間剛體引導(dǎo)機(jī)構(gòu)出發(fā)，探討了主襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法；舒培等創(chuàng)建了增升裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)子平臺(tái)的方法來設(shè)計(jì)后緣襟翼機(jī)構(gòu)；張中波利用圖解法和模擬仿真的方法設(shè)計(jì)了一套以后緣后退開縫襟翼為基礎(chǔ)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；趙立杰等以NACA2418 標(biāo)準(zhǔn)翼型前緣為對(duì)象，提出一種基于離散材料優(yōu)化（DMO）法的復(fù)合材料機(jī)翼前緣柔性機(jī)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法。

綜上所述，國內(nèi)對(duì)于鉸鏈?zhǔn)较麓骨熬墮C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法鮮有研究。本文從下垂前緣的機(jī)構(gòu)型式、運(yùn)動(dòng)要求出發(fā)，利用構(gòu)造下垂前緣機(jī)構(gòu)的線架模型和模擬仿真的方式，提出基于四連桿形式的下垂前緣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，得到下垂前緣的機(jī)構(gòu)型式；用動(dòng)力學(xué)中剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛體動(dòng)力學(xué)方法，考慮前緣翼面的變形，分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性以及載荷狀況，用于驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的可行性。

1 下垂前緣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1.1 設(shè)計(jì)要求與思路

本文提出的下垂前緣機(jī)構(gòu)確定為鉸鏈?zhǔn)较麓骨熬墸瑱C(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡初步定義為繞固定轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的曲柄搖臂機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平面與轉(zhuǎn)軸垂直，轉(zhuǎn)軸位置視機(jī)翼后掠角而定，因此機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平面以及下垂前緣的運(yùn)動(dòng)方向近似與機(jī)翼前緣垂直，針對(duì)這種下垂前緣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形式，設(shè)計(jì)一種可以使前緣翼面能夠定軸旋轉(zhuǎn)下偏的下垂前緣運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具體設(shè)計(jì)要求如下：

（1）下垂前緣機(jī)構(gòu)簡單、占用空間小、重量較輕；

（2）下垂前緣機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中，翼面能夠在驅(qū)動(dòng)的作用下運(yùn)動(dòng)連續(xù)平穩(wěn)；

（3）下垂前緣機(jī)構(gòu)能夠均勻承受氣動(dòng)載荷；

（4）避免下垂前緣機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生碰撞或產(chǎn)生干涉；

（5）下垂前緣的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用多余度設(shè)計(jì)，且在運(yùn)動(dòng)過程中相互不影響。

得到的下垂前緣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案流程如圖1所示。首先分析設(shè)計(jì)輸入并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建機(jī)構(gòu)的線架模型，對(duì)線架模型的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析以保證機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)需求；然后根據(jù)建立的三維模型動(dòng)力學(xué)仿真，分析該機(jī)構(gòu)的受載情況；最后形成設(shè)計(jì)方案。

圖1 鉸鏈?zhǔn)较麓骨熬墮C(jī)構(gòu)研究思路Fig.1 Research ideas of hinged drooping leading edge mechanism

1.2 鉸鏈?zhǔn)较麓骨熬墮C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軸線確定

下垂前緣機(jī)構(gòu)為繞固定軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即前緣翼面上每個(gè)點(diǎn)都是在對(duì)應(yīng)的圓弧上運(yùn)動(dòng)。因此根據(jù)前緣翼面的初始以及最終位置，結(jié)合下垂前緣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，采用幾何解析法求解下垂前緣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軸線：先在初始的翼面上選取兩個(gè)參考點(diǎn)、，再從翼面運(yùn)動(dòng)后的位置上找到參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)后對(duì)應(yīng)的點(diǎn)、，分別連接、和、，得到兩條直線并求取其中垂面，兩個(gè)中垂面交線即為機(jī)構(gòu)的鉸鏈軸線，如圖2 所示。

圖2 下垂前緣機(jī)構(gòu)幾何解析圖示Fig.2 Drooping leading edge mechanism geometric analytic graphics

根據(jù)以上向量方程可以得到：

求解式（1）并用平面得到一般方程。

式 中 ：=；=；=；=-(++)。

同理可以求得的中垂面方程：

兩平面不平行，則必相交于一條直線。聯(lián)立式（2）和式（3），兩式所表示的直線方程即為下垂前緣機(jī)構(gòu)的鉸鏈軸線，如式（4）所示。

1.3 鉸鏈?zhǔn)较麓骨熬墮C(jī)構(gòu)線架模型設(shè)計(jì)

下垂前緣機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平面共5 個(gè)機(jī)構(gòu)平面，分別布置在軸線的10%、30%、50%、70%和90%長度位置，以保證每套機(jī)構(gòu)均勻承受氣動(dòng)力，包含2個(gè)驅(qū)動(dòng)平面（30%和70%位置）和3 個(gè)從動(dòng)平面，且與機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸垂直。下垂前緣機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)平面為四連桿機(jī)構(gòu)，如圖3 所示，其中為驅(qū)動(dòng)搖臂（主動(dòng)桿），為驅(qū)動(dòng)連桿，為從動(dòng)搖臂（從動(dòng)桿），代表翼盒（機(jī)架），采用四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行尺寸計(jì)算。

圖3 下垂前緣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖Fig.3 Sketch of the driving mechanism of the drooping leading edge

對(duì)于鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，如圖4 所示，各點(diǎn)位可以與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的點(diǎn)位相互對(duì)應(yīng)。

圖4 四連桿簡圖Fig.4 Sketch of the four-link

通過圖4 中構(gòu)件向兩坐標(biāo)軸的投影得到式（5）和式（6）。

式中：為驅(qū)動(dòng)桿與機(jī)架夾角；為從動(dòng)桿與機(jī)架夾角。

將式（5）和式（6）分別平方后相加，消去得到：

下垂前緣四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)輸入數(shù)據(jù)如表1所示。將下垂前緣收放狀態(tài)的、和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)桿長度、機(jī)架長度代入、、的計(jì)算公式，可以得到下垂前緣機(jī)構(gòu)從動(dòng)搖臂和連桿的長度。得到計(jì)算結(jié)果：=380.338 mm；=500 mm。這套機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)方案理論上可以實(shí)現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)90°的情況下，從動(dòng)搖臂轉(zhuǎn)角為26°。

表1 下垂前緣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)初始尺寸設(shè)計(jì)輸入Table 1 Design input of initial dimensions of the drooping leading edge driving mechanism

將初始驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸作為2 號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)平面的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸，同時(shí)對(duì)外側(cè)4 號(hào)機(jī)構(gòu)平面的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)尺寸進(jìn)行等比例縮放，以解決實(shí)際應(yīng)用中機(jī)構(gòu)安裝空間沿展向向翼尖逐漸縮小的問題。對(duì)應(yīng)2 號(hào)機(jī)構(gòu)平面與4 號(hào)機(jī)構(gòu)平面的各桿件長度比例為1∶0.9，同時(shí)在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)平面內(nèi)側(cè)布置了側(cè)撐桿，下垂前緣機(jī)構(gòu)幾何外形設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 下垂前緣機(jī)構(gòu)幾何外形設(shè)計(jì)Fig.5 Drooping leading edge mechanism geometric shape design

2 運(yùn)動(dòng)特性分析

在線架模型的基礎(chǔ)上，主要對(duì)鉸鏈?zhǔn)较麓骨熬墮C(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)平面的四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡圖如圖3 所示，鉸鏈?zhǔn)较麓骨熬夠?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用封閉四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，該四連桿機(jī)構(gòu)的最短桿為連架桿，即為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。對(duì)于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，最小傳動(dòng)角出現(xiàn)在主動(dòng)曲柄與機(jī)架共線的兩位置之一處，和中的較小的即為。

將下垂前緣機(jī)構(gòu)中各桿的長度信息帶入式（9）、式（10），可以得到=26°，=79°，由于2 個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的四連桿機(jī)構(gòu)桿長是等比例的，即下垂前緣的2 個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)均不存在死點(diǎn)位置。利用運(yùn)動(dòng)仿真軟件，測(cè)量下垂前緣機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中的傳動(dòng)角變化情況如表2 所示，下垂前緣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)只需要驅(qū)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)90°即可，可以看出：在整個(gè)過程中傳動(dòng)角≥67.22°，說明下垂前緣機(jī)構(gòu)的傳力性能良好，且下垂前緣機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)至45°時(shí)，主動(dòng)曲柄（驅(qū)動(dòng)臂）與機(jī)架共線，此時(shí)傳動(dòng)角為79.27°，與理論計(jì)算結(jié)果一致。

表2 下垂前緣機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中的傳動(dòng)角變化Table 2 Change of transmission angle during actual move?ment of the drooping leading edge mechanism

在下垂前緣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真過程中，得到了下垂前緣機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)臂和搖臂角度變化數(shù)據(jù)，各機(jī)構(gòu)平面從動(dòng)搖臂轉(zhuǎn)角輸出數(shù)據(jù)如表3 所示，其中2號(hào)和4 號(hào)驅(qū)動(dòng)為輸入信息，其他均為輸出信息。當(dāng)下垂前緣機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)搖臂向下進(jìn)行90°的旋轉(zhuǎn)時(shí)，各個(gè)機(jī)構(gòu)平面的從動(dòng)搖臂機(jī)構(gòu)均可以實(shí)現(xiàn)下偏26°，與理論計(jì)算結(jié)果一致，且2 個(gè)驅(qū)動(dòng)臂以及5 個(gè)從動(dòng)搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化在運(yùn)動(dòng)過程中保持一致，說明下垂前緣機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中5 個(gè)機(jī)構(gòu)平面之間不存在運(yùn)動(dòng)干涉，均正常工作。針對(duì)下垂前緣機(jī)構(gòu)所設(shè)計(jì)的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，曲柄在90°的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，該連桿機(jī)構(gòu)無明顯的急回運(yùn)動(dòng)，即在下垂前緣機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)臂做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能夠保證翼面做平緩的下垂運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)搖臂運(yùn)動(dòng)角度隨驅(qū)動(dòng)臂輸入角度變化如圖6 所示。

表3 下垂前緣機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)臂和搖臂角度變化數(shù)據(jù)Table 3 Angle data of the drive arm and rocker arm of the drooping leading edge mechanism

圖6 下垂前緣機(jī)構(gòu)輸出參數(shù)信息Fig.6 Output parameter information of droop front mechanism

3 動(dòng)力學(xué)仿真分析

在動(dòng)力學(xué)仿真軟件Motionvieww 建立下垂前緣機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，并將剛度較小的前緣翼面柔性化處理，柔性化處理包含前緣翼面結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)、前緣翼面網(wǎng)格設(shè)置和有限元模型邊界調(diào)節(jié)設(shè)置等建模工作，并輸出前緣翼面結(jié)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算文件。在全剛體的動(dòng)力學(xué)模型中進(jìn)行翼面柔性體文件的替換從而進(jìn)一步完成剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，結(jié)構(gòu)材料選用鋁合金7050。下垂前緣機(jī)構(gòu)的局部坐標(biāo)系如圖7 所示，以前緣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軸線為軸方向、以機(jī)翼參考平面的法線方向?yàn)檩S方向。兩套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（2、4 號(hào)驅(qū)動(dòng)平面的曲柄）運(yùn)動(dòng)的下偏角度均為90°，在動(dòng)力學(xué)模型中添加驅(qū)動(dòng)角速度0.157 rad/s，下垂前緣機(jī)構(gòu)的放下過程如圖8 所示，0 s 為下垂前緣收起位置，10 s 時(shí)到達(dá)展開位置。

圖7 下垂前緣翼面承力方向示意圖Fig.7 Schematic diagram of the bearing direction of the drooping leading edge wing

圖8 下垂前緣機(jī)構(gòu)放下過程Fig.8 Releasing process of droop front mechanism

仿真計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)力矩變化情況如圖9 所示，下垂前緣驅(qū)動(dòng)力矩隨驅(qū)動(dòng)角度的增大而不斷增加，這是由于在下垂前緣機(jī)構(gòu)放下的過程中，力臂在不斷增大。2 號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與4 號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)力矩的輸出值在增加過程中也近似呈等比例的變化趨勢(shì)，但是2 號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)承受較大的載荷。兩機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩變化平緩，表明該機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中不存在卡滯，具有較好的傳力特性。

圖9 驅(qū)動(dòng)力矩變化圖Fig.9 Change of driving torque

2 號(hào)和4 號(hào)平面驅(qū)動(dòng)搖臂鉸鏈點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程中的最大載荷值和驅(qū)動(dòng)力矩如表4 所示，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)平面的最大驅(qū)動(dòng)力矩的比值接近3∶2，可以看出：2 號(hào)和4 號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)載荷分配均衡，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置合理。

表4 下垂前緣機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)位置最大載荷輸出Table 4 Maximum load output of the driving position of the drooping leading edge mechanism

在鉸鏈?zhǔn)较麓骨熬墮C(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，橫向載荷受力變化如圖10 所示。

圖10 鉸鏈點(diǎn)橫向載荷Fig.10 Lateral load at hinge point

從圖10 可以看出：由于在2 號(hào)機(jī)構(gòu)和4 號(hào)機(jī)構(gòu)平面布置有側(cè)撐桿，因此對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)平面的驅(qū)動(dòng)位置處的橫向載荷較小，說明此方案可有效改善機(jī)構(gòu)平面橫向載荷的受力情況，尤其是有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)處的橫向受載，如表4 所示。

側(cè)撐桿橫向載荷變化如圖11 所示，可以看出：在下垂前緣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，2 號(hào)機(jī)構(gòu)平面的側(cè)撐桿受載較大，與驅(qū)動(dòng)力矩載荷分配相符。

圖11 側(cè)撐桿橫向載荷Fig. 11 Lateral load of side brace

4 結(jié) 論

（1）本文提出了一種基于四連桿形式的下垂前緣機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，得到了下垂前緣的機(jī)構(gòu)型式。機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)臂能夠勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，鉸鏈?zhǔn)较麓骨熬壞軌蚱椒€(wěn)下偏26°，過程中無干涉卡滯。

（2）通過考慮下垂前緣翼面的變形，并實(shí)現(xiàn)翼面的柔性化，得到了下垂前緣機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，最終利用仿真與計(jì)算得到了該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的驅(qū)動(dòng)力矩和鉸鏈點(diǎn)載荷，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)平面的最大驅(qū)動(dòng)力矩比值接近3∶2，該機(jī)構(gòu)傳力性能良好，載荷分配合理，并且側(cè)撐桿很好地改善了驅(qū)動(dòng)處的載荷狀況，由此驗(yàn)證了本文所提出的設(shè)計(jì)方法的可行性和合理性，該設(shè)計(jì)方法具有良好的應(yīng)用前景。