民用飞机曲柄—滑轨式襟翼操纵载荷分析技术研究

杨万里

【摘 要】襟翼操纵载荷是民用飞机襟翼操纵系统设计的基础，决定了大部分功能部件的尺寸、系统操纵时间和驱动功率等。本文介绍了民用飞机曲柄-滑轨式襟翼操纵载荷的工程分析方法和有限元分析方法，给出了具体分析步骤和各自的优缺点，可用于指导民用飞机曲柄-滑轨式襟翼操纵系统设计。

【关键词】民用飞机；曲柄-滑轨式襟翼操纵系统；操纵载荷

0 引言

民用飞机襟翼操纵载荷是指操纵工况下襟翼驱动机构输出端对襟翼气动载荷的支反力/力矩，也被称为襟翼作动器操纵载荷，通常表征为载荷-襟翼偏角曲线图，如图1所示。

操纵载荷是民用飞机襟翼驱动系统设计的基础，决定了大部分功能部件的尺寸、系统操纵时间和驱动功率等。此外，襟翼操纵载荷还是编制系统耐久性谱的依据。

在民用飞机型号设计初期，襟翼操纵载荷计算所需的众多输入项都未确定，如：机翼和襟翼构型，操纵情况襟翼气动载荷，襟翼运动机构刚度等，这些都为主制造商提供作动器操纵载荷增加了难度和不确定性。

由于现代飞机设计往往采用并行工程设计流程，不可能等所有因素确定之后再进行襟翼操纵系统设计。而襟翼操纵系统设计本身是一个迭代过程，操纵系统构型也会影响到前面所述各种因素。因此，在设计初期，对襟翼操纵载荷进行较为准确的估算，是襟翼操纵系统设计的关键和难点之一。

在型号设计初期，一般采用工程方法对襟翼操纵载荷进行估算。而在飞机定型以后，再用有限元计算方法对工程计算的结果进行复算和更新。最后再使用试飞数据对有限元计算结果进行复核。

1 工程计算方法

1.1 工程计算步骤说明

STEP1：按杠杆原理将襟翼气动载荷分配到两个运动机构形成的运动平面内，如图2所示。

在单个运动机构运动平面内，气动力、滑轮架支反力和摇臂顶端支反力形成一个三力汇交系统，如图3所示。

STEP2：选取曲柄和摇臂连接点为旋转中心，则气动力和滑轮架支反力的力矩之和为0（力矩平衡）。已知气动力，可得滑轮架支反力。

STEP3：气动力、滑轮架支反力和摇臂顶端支反力合力为0（力平衡）。已知气动力和滑轮架支反力，可得摇臂顶端支反力。

STEP4：将摇臂顶端支反力垂直于曲柄方向的分力乘以曲柄长度，即得到作动器的平衡扭矩，即为襟翼操纵载荷。

1.2 工程分析优缺点分析

a）工程分析的优点

襟翼操纵载荷工程分析方法优点主要有两个。

首先，可以很方便的将各个影响因素进行分离，以分析各自的影响，如：气动压心敏感性分析，滑轨布置角度影响分析等。

以压心敏感性分析为例进行说明。去除图3中的结构特征，可得到曲柄-滑轨式襟翼运动机构简化模型，如图4所示。

对上图有以下说明：

1）操纵力矩在数值上等于F3和F4对O点的力矩。

2）F4在数值上等于F2。

3）AB之间的距离与滑轮架铰链点弦向安装位置和气动压心弦向位置之间的距离有简单的几何换算关系。

4）F3的大小与AB之间的距离有直接关系。

实际的襟翼运动机构设计要求滑轮架铰链点弦向安装位置应尽量靠近气动压心弦向位置，即图中的AB点距离较小，因此AB点距离的微小变动对襟翼操纵载荷的影响都很大。这说明曲柄-滑轨式襟翼操纵载荷对气动压心的位置极为敏感。

其次，可以结合解析几何方法编制襟翼操纵载荷分析程序，便于对各影响参数进行优化分析。

b）工程分析的局限性

襟翼操纵载荷工程分析方法实质上是多体动力学方法，其理论基础是理论力学[1]。在具体分析过程中，将襟翼活动面及其运动机构作为刚性梁处理，即忽略其刚度。

然而，由于曲柄-滑轨式襟翼是非静定结构，因此襟翼活动面及运动机构的刚度对襟翼作动器输出端支反力（即襟翼操纵载荷）有较大影响。

因此，采用工程方法计算襟翼操纵载荷必须有丰富的工程处理经验，并最好结构相似机型设计数据进行必要的修正。

2 有限元分析方法

2.1 有限元分析方法说明

襟翼操纵载荷计算采用的典型有限元模型，如图5所示。

对上图有以下说明：

a）襟翼操纵载荷计算一般不需要考虑机翼刚度（对比分析表明机翼刚度对襟翼操纵载荷影响很小）。

b）总体提供的气动载荷通常为压力分布载荷（CP），采用参考文献[2]提供的积分方法可将压力分布载荷转换成有限元节点载荷。

c）压力分布载荷通常顺气流方向，有限元节点通常垂直于襟翼前缘，因此在积分过程中需进行插值处理，插值处理方式不同会造成气动总载不同。因此，有限元部门需根据气动部门提供的总载进行修正处理。

d）襟翼滑轨刚度对襟翼操纵载荷有较大影响，因此有条件情况下应采用细化模型模拟滑轨，不建议采用工程梁进行模拟。

2.2 有限元分析方法优缺点分析

a）有限元分析的优点

襟翼操纵载荷有限元分析方法充分考虑了襟翼活动面及襟翼运动结构的刚度，其结果具有较高可信度。

b）有限元分析的局限性

实际载荷计算过程表面，襟翼及其运动机构的连接刚度对襟翼操纵载荷的总载和其在同一活动面上两个作动器之间的分配比例影响很大。而在建立有线元模型的过程，一般采用RBE2、RBE3或BUSH单元模拟连接，这样会造成累积误差，进而影响到襟翼操纵载荷。

此外，只有在飞机结构基本定型之后，才能建立襟翼操纵载荷的有限元分析模型，从而限制了有限元方法的使用。

3 结论

本文介绍了民用飞机曲柄-滑轨式襟翼操纵载荷的工程分析方法和有限元分析方法，给出了具体分析步骤和各自的优缺点，可用于指导民用飞机曲柄-滑轨式襟翼操纵系统设计。

【参考文献】

[1]李俊峰，张雄.理论力学[M].（第2版），清华大学出版社，ISBN：978-7-302-23178-3.

[2]飞机设计手册·9·载荷、强度和刚度[M].航空工业出版社.

[责任编辑：王伟平]