CATIA在飛機操縱系統載荷計算中的應用

弓朋崗

中航飛機研發中心強度所

CATIA在飛機操縱系統載荷計算中的應用

弓朋崗

中航飛機研發中心強度所

飛機操縱系統載荷的計算繁瑣而且復雜，本文主要介紹了CATIA在飛機操縱系統載荷計算中可視化方面的應用

載荷；CATIA；操縱系統

1 概述

飛機三大主操縱系統即方向舵、升降舵、副翼操縱系統一般均為硬式（拉桿、助力器）構成。飛機主操縱系統載荷計算、操縱系統疲勞載荷計算是靜強度校核、疲勞壽命分析工作的基礎，載荷計算結果的正確性直接影響到飛機的安全和使用壽命。為此，可借用CATIA實現飛機操縱系統載荷計算過程中的可視化。

2 理論原理

節點（支座）載荷的平衡，本質是力矩的平衡。為了計算簡單明了，同時也為了使本方法適應操縱系統的所有零部件，我們選取了最基本，最少元件組成的結構形式，見圖1。

圖1 典型搖臂、拉桿操縱系統

根據力學知識可知，力矩平衡：

F輸入×L1×cosα=F輸出×L2×cosβ

其中α、β分別為搖臂與Y軸的夾角

L1、L2分別為輸入搖臂與輸出搖臂的長度

輸入力臂有效長度L1×cosα

輸出力臂有效長度L2×cosβ

在實際工程計算中，搖臂L1和L2都是固定不變且已知長度，只需求出輸入夾角α和輸出夾角β即可求出輸出載荷。本文將介紹如何在CATIA中求夾角α和夾角β。

3 關于角度的求解

為了能更清晰的說明問題，將在CATIA中建立比較簡單明了的搖臂、拉桿、支座操縱系統模型來進行說明，絕對軸參考前文圖1。

支座1搖臂長L=30 mm,與Y軸夾角10°；

支座2隨動輸入搖臂長L=40 mm,隨動輸出搖臂長L=30 mm，與Y軸夾角10°；

支座3三角搖臂，輸入搖臂長L=30 mm,與Y軸夾角-5°；

輸出搖臂長L=30 mm,與X軸夾角5°。

假設輸入搖臂傳來的載荷對拉桿來說為拉力，輸出搖臂與Y軸的角度將逐漸變化（假設輸入搖臂與Y軸的極限夾角為30°）。操縱系統變化見圖2～4所示。

4 模型的相關說明

（1）在CATIA中約束搖臂長度時，應取搖臂在支座上約束點到力的作用點的距離；

圖3 變化10°后

圖4 變化20°后

（2）在CATIA繪圖平面內模擬支座時，應將搖臂與支座連接的端點固定約束，可以保證搖臂的旋轉自由；

（3）在CATIA中模擬三角搖臂時，應模擬出三角搖臂中的內角；

（4）在CATIA中模擬隨動搖臂時，可模擬為兩根長短不同的搖臂（該長度為搖臂上力的作用點到搖臂約束點的距離），其夾角模擬為0°；

（5）在操縱系統的平面坐標系中，搖臂可能與某個坐標軸有一定的初始夾角（例如圖2中，在YX平面內，搖臂與Y軸初始夾角就為10°），此夾角應模擬出來（可不標注具體值）。

（6）連接兩搖臂的拉桿應約束長度；

（7）飛機操縱系統可能由N個搖臂、拉桿、支座從機頭至機尾連接起來，在建立CATIA模型時，按前5條一一模擬，即可根據相關輸入搖臂α值直接求出其他輸出搖臂的β值，進而計算出各搖臂的載荷；

（8）由于CATIA中不能自動顯示出隨輸入搖臂α值變化而引起輸出輸出β的變化，因此在計算某個搖臂的載荷時，需要人工測量β。

5 結束語

在CATIA中用此方法可以很直觀的看出整個操縱系統的前后變化，而且能精確的測量出隨輸入搖臂角度α變化而變化的輸出搖臂的任何β值，選取一個包絡值來計算最嚴重工況下的操縱系統靜強度，既提高了工作效率，又提高了精度。