基于运动学方法的某型飞机增升机构装配特性计算与分析

田俊 罗琮杰 刘吉 潘琪 刘智轩/ 凌云科技集团有限责任公司 北京航空航天大学

0 引言

襟翼是飞机重要的增升装置，在起飞、巡航和降落时，通过襟翼的富勒运动向下延展产生足够大的升力，从而改善飞行性能并提升飞行安全。因此，在襟翼装配过程中需要严格保证襟翼与机翼的剪刀差、阶差等装配尺寸满足要求。文献[1]以某型飞机襟翼为例，介绍了该型飞机襟翼装配超差统计特性、产生原因和解决方法，提出导致襟翼与机翼装配尺寸超差的主要原因有：过定位干涉导致的襟翼定位误差；结构变形大，对变形大小和变形方向既难检测又难控制；在襟翼结构中缺少抵消或适当补偿部件装配误差的设计；工艺协调误差难以克服。

本文基于襟翼三维模型，以装配过程襟翼姿态为研究对象，以内、外作动筒和传动轴可调接头为调节参数，采用运动学仿真计算方法，分析襟翼装配过程中襟翼与机翼的阶差和剪刀差的变化特性，为襟翼装配调试工艺提供优化依据。

1 基本原理

1.1 襟翼机构的运动原理分析

某型飞机襟翼为后退式襟翼，主要由滚轮、滑轨、襟翼舵面和驱动丝杆等组成，襟翼的收放依靠转动丝杆驱动襟翼舵面沿滑轨运动。该结构的主要特点有：1）后缘襟翼运动的空间较前缘襟翼更为复杂。由于机翼结构存在上反角，在顺气流运动时无固定的转轴，该襟翼的收放过程为后退加旋转，同时伴随翼展方向的空间六自由度复合运动。2）后缘襟翼收放运动必须满足等百分比弦长的设计要求。机翼平面可近似等效为一个梯形，导致一个襟翼舵面上的内外两个作动筒运动量不同，需要按照襟翼的运动规律反求协同规律[2]。根据机构矢量方程，建立该型飞机襟翼机构的位移方程。

结合图1，式（1）中O 为襟翼作动筒支座位置，Bi为襟翼滑架在滑轨上的位置，A 为滑轨旋转中心，αi、分别为作动筒和襟翼滑架沿水平方向的转角，li分别为襟翼在各个角度时的作动筒长度。

1.2 基于结构动力学的襟翼运动分析

在襟翼装配过程中，通过调节拉杆十字接头连接角度和襟翼作动筒花键角度，改变襟翼内外作动筒的初始长度，可以使襟翼舵面结构的位姿发生变化。这种在襟翼装配过程中微调角度的调试方法，可以等效为对应作动筒的驱动长度，进而影响了襟翼与机翼的阶差和剪刀差等装配尺寸。该调节特性可用于对襟翼机构的运动进行计算分析。该襟翼机构的运动分析可以表述为在已知襟翼驱动杆位移的条件下如何确定襟翼结构的运动学动态响应，详见式（2）。

图1 襟翼机构简图

2 仿真计算

2.1 建立仿真计算模型

建立某型飞机襟翼机构包括襟翼滑轨、滑架和作动筒等主要部件在内的三维模型，如图2 所示。根据部件尺度和圣维南原理，远离载荷施加区域的其他部位对加载区域的变形可忽略不计，为提高计算效率，从襟翼机构中提取影响襟翼收放运动和空间位姿的关键部件为研究对象。

按照如下步骤定义该襟翼收放运动的仿真计算模型。

1）定义运动副：按工作原理定义内、外收放作动筒为直线运动；定义装配滑轮与小车之间为转动副。

2）定义接触：根据襟翼收放过程滑轨与各滑轮之间的相对运动形式，定义各滑轮与相应滑轨面的接触，如图3所示。

图2 襟翼运动仿真计算模型

3）定义边界条件和约束：根据分析系统的运动关系，定义内外作动筒安装接头设置为固定Ux、Uy、Uz、Rx、Ry、Rz 约束；根据内外作动筒的同步运动协同即内外作动筒锥齿轮传动比，设置内外作动筒的驱动长度。

4）定义分析步骤：第1 个分析步骤为内外作动筒协同回收，襟翼收放角从45°逐步回到0°；第2 个分析步骤为保持一侧作动筒驱动长度不变，另一侧作动筒驱动长度在±（6×调整单位长度）内变化，以模拟调节襟翼不同位姿及其与机翼的装配尺寸。

2.2 仿真计算分析

根据已定义的襟翼收放运动仿真计算模型，计算得出：

1）在第1 个分析步骤中，在内外作动筒协同驱动作用下，襟翼整体能保持同步收放运动。在内外作动筒回收过程襟翼富勒运动中不同的角度如图4 所示。

2）第1 个分析步骤的结果表明，采用刚体运动学计算的襟翼收放运动特性与实物测量的襟翼运动特性吻合良好，如图5 所示。图5a）为内作动筒驱动长度与襟翼内侧特征点和中央翼特征点开度的计算值与测量值对比，图5b）为外作动筒驱动长度与襟翼外侧特征点和副翼调整片特征点开度的计算值与测量值对比。

图3 运动副和接触对示意图

图4 襟翼富勒运动仿真结果

3）根据第2 个分析步骤计算结果，襟翼的装配特性呈现出一定的非线性特性。对传动轴与驱动器可调角度参数化设置后，将两个调节角度的作用分别等效为内外作动筒各自的驱动长度，建立可调角度的等效驱动长度与襟翼内侧、外侧特征点的装配关系（见图6）。由图6 可见：a.等效内作动筒驱动长度的调节方法对襟翼内侧阶差和间隙的调节效果相反；b.等效外作动筒驱动长度的调节方法对襟翼内侧阶差和间隙的调节效果也相反；c.等效内作动筒驱动长度的调节方法对襟翼内侧剪刀差的调节是单调递增，但当外侧作动筒驱动长度超过565mm 时，剪刀差的影响梯度明显变缓；d.等效外作动筒驱动长度的调节方法对襟翼内侧剪刀差的调节规律呈非线性。当内作动筒驱动长度不变时，随着等效外作动筒驱动长度的递增，内侧剪刀差发生先增后减的非线性变化。

3 结论

采用基于刚体运动学计算分析的方法，对襟翼收放过程进行了运动学仿真计算。襟翼富勒运动过程开度值表明计算值与实测值良好吻合，从而建立了可用于襟翼装配特性分析的计算模型。根据襟翼传动系统的结构设计和常用调节方法的参数化设计，等效为襟翼运动分析模型的内外作动筒驱动长度输入参数。以回收至水平零位置的襟翼为基准，通过调节参数的水平正交模拟计算，得到包含阶差、间隙和剪刀差的襟翼装配调节响应面曲面，形成了襟翼装配调节的规律，为襟翼装配工作提供良好的技术指导。

图5 襟翼回收过程角度-开度计算值与实测值对比

图6 襟翼装调响应面