基于Virtual.Lab的直升机飞行操纵系统动力学建模与仿真*

刘海清

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇　333000)

0　引　言

直升机的操纵系统机械部分是直升机操纵系统研究的重点，系统性能的好坏直接影响直升机的操纵性、稳定性，甚至影响飞行安全。直升机的操纵系统机械部分主要是动力学问题，因此为了对直升机操纵系统性能进行有效分析，优化设计参数，进行机构优化设计以及提高控制精度和可靠性建模需要采用多体动力学的方法完成。

多体动力学是研究多个物体构成的机械系统的动力学仿真和分析的一门学科[1]，发展到20世纪末已经能分析含有多个柔性体的复杂机构，并且可以在已有模型的基础上进行细化处理，以适应设计的不同阶段对模型精细性的要求[2]。动力学建模技术在汽车制造和武器装备制造中得到了广泛的应用，而在航空航天的应用比较较少，目前只在初步应用阶段。比较典型的有航天机电集团、清华大学和北航合作开展了复杂系统的动力学建模技术的研究及实践。中航第一飞机研究院也成功推出国内首驾飞机全机规模电子样机[3-5]。但总体来说目前我国对于动力学建模技术的应用领域和技术水平还较低，具有很大的提升空间[6]。

随着直升机市场飞速发展以及竞争日趋激烈，低成本、高质量、快速响应市场、降低产品开发周期等已经成为企业生存和发展的关键。依靠传统的设计模式无法满足客户对产品多样化和个性化的需求，在直升机飞行操纵系统应用多体动力学的建模理论和方法，可以实现精确建模、虚拟设计、动力学仿真分析与优化、系统匹配、整体性能预测等目标[7]。

1　飞行操纵系统几何建模

通过分解直升机飞行操纵系统的功能，从而确定飞行操纵系统的架构，进而通过传动比分配，确定拉杆及摇臂等相关部件的尺寸，进而建立三维模型。本次模型采用飞行操纵系统传统布局方式，以横向操纵系统为例，建立模型如图1所示。

图1　横向直升机操纵系统布局

2　飞行操纵系统运动学建模

多体建模流程第一步为创建子机构多体运动学模型，即不考虑构件的变形以及力的因素。

以横向飞行操纵系统为例，正副驾驶杆(顺航向右驾驶为正驾驶)通过拉杆连接。当某一驾驶杆横向转动时，正副驾驶杆就同步运动。同时，带动横向拉杆及摇臂等线系运动，将指令传递给助力器输入摇臂，操纵助力器运动。

根据其运动原理，添加运动副，该操纵系统模型开发主要用到固定副(Bracket)、旋转副(Revolute)和球面副(Spherical)。以添加旋转副为例，旋转副只允许两个构件之间有绕着公共轴转动的自由度，约束其他5个自由度。点击机构建模工作平台上平台工具栏[Revolute Joint]按钮，打开其对话框，在对话框中选择构件的几何轴线和面，或选择坐标轴和做表面来创建旋转副[8]，如图2所示。

图2　添加运动副

3　系统动力学方程

多体系统动力学方程是建立系统输入、系统的参数与系统的状态三者之间关系的数学表达式。他们是根据系统的动力学模型，应用基本的力学方程或原理建立的。

应用拉格朗日待定乘子法，多体系统的动力学方程[9]为:

其中，系统约束方程为:

Φ(q,t)=0

求约束方程对广义坐标的偏微分，可得出约束方程雅可比矩阵Φq：

速度方程为:

加速度方程为:

由加速度方程得到拉格朗日乘子γ的表达式[10]为：

4　直升机飞行操纵系统动力学仿真及分析

完成运动学模型创建后，可以进行操纵系统的动力学仿真。首先给零件赋上质量，设置仿真分析时间及积分步长等就可以进行动力学仿真。然后利用Virtual.lab软件后处理功能进行结果动画显示。某型机飞行操纵系统在不平衡力的作用横向周期变距杆的运动情况，如图3、4所示。

图3　不平衡力变化

图4　角度变化

从仿真曲线可看出，随着横向周期变距杆角度变大，横向操纵系统的不平衡力逐渐减小，但变化值不超过3 N。如果加上系统的摩擦力(通常大于3 N)，完全可以抵消由于不同操纵位置引起的不平衡力变化，即在分析不平衡力时仅需考虑在中立位置的不平衡力，如果在中立位置能够配平，那么全行程操纵范围内都可以平衡。这样大大减轻配平的难度，提高了设计效率和质量。

5　结　语

以拉格朗日法为理论核心，利用Virtual.lab建立飞行操纵系统的仿真模型，能够准确地对飞行操纵系统进行多体动力学仿真分析，可以在飞行操纵系统物理样机出来之前在完成相关性能分析[11]，可以实现快速更改迭代及节省成本。今后将在该领域进一步开展飞行操纵系统的刚柔耦合分析、摩擦仿真分析、动态特性分析等工作。