輕型飛機縱向操縱系統參數化設計與仿真研究

黃國龍+張利國

摘要：據統計，全世界目前共有40萬架輕型飛機。由于這種飛機具有輕便、安全、使用要求低、能在草地起降、易于操作、價格低廉等特點，在國內外被廣泛用于私人飛行、公務飛行、商業運輸等用途。文章通過對輕型飛機操縱系統的參數特征進行分析，以CATIA軟件為基礎，對其零部件進行參數化建模，Adams為系統仿真工具，建立操縱系統的常備零件庫，實現產品的快速研發。

關鍵詞：輕型飛機；縱向操縱系統；建模；參數化；仿真

中圖分類號：V221 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）33-0033-03

隨著現代飛機輕型化時代的來臨，包括飛行空域的不斷開放，越來越多的輕型、小型飛機進入人們的生活中。據統計，全世界目前共有40萬架輕型飛機。由于這種飛機具有輕便、安全、使用要求低、能在草地起降、易于操作、價格低廉等特點，在國內外被廣泛用于私人飛行、公務飛行、商業運輸等用途。正因為輕型飛機的市場化需要，使得輕型飛機的設計更加多樣化，也更加簡單化。例如，一款新型、小型飛機的設計只是單純為私人飛行提供，但是根據不同人員有其不同的設計要求，其設計原理上是大同小異，也許只是部分設計尺寸的改變，但是即使設計一款小型飛機，包括整機的設計、操縱系統的設計等工作，如果根據不同人員的不同設計要求來改變飛機的整體設計尺寸或者改變某一部分的設計尺寸，也要十分龐大的設計工作量。本文結合輕型飛機操縱系統中人員設計實際需求，雖然不像大飛機操縱系統那樣操縱復雜，但是其最終目的是實現飛機俯仰和滾裝的操縱。在實際操作中，空間運動復雜，其設計不可能一次甚至幾次就能達到設計要求，要在不斷反復嘗試中得到最佳設計結果。因此在設計中實現零部件的參數化設計，掌握其參數化設計方法，建立自己的零部件常用設計庫，將會進一步提高設計的

效率。

CATIA（Computer Aided Tri-Dimensional Integrated Analysis）軟件是航空航天、汽車領域中市場占有率最高的CAD/CAM軟件，在計算機輔助設計功能上有著一定的優勢，CATIA用戶可以根據實際設計工作中經常要用到的一些標準零部件和同構零件，實現標準件和同構件的參數化設計，建立用戶自己的常用零件庫，不僅可以減少設計時間，減少不必要的重復勞動，而且可以避免使用標準零件庫時的其他問題。

1 零件參數化設計

在參數化設計系統中，設計人員根據工程關系和幾何關系來指定設計要求。在計算機輔助設計系統中，不同型號的產品往往只是尺寸不同而結構相同，映射到幾何模型中，就是幾何信息不同而拓撲信息相同。飛機操縱系統設計是進行飛機設計的一個重要組成部分。由于在飛機設計階段飛機的各項設計部分經常需要修改，因此如何快速地生成飛機操縱系統三維模型是一個必須解決的問題。CATIA V5軟件環境下，可利用軟件提供的相應功能函數編輯零件的參數表達式，即修改參數值，從而改變幾何實體，實現零件參數化。在進行參數化設計的同時應注意零件坐標系的選擇制定，提前制定方向信息，方便零件在常用零件庫中的正確調用。

2 某輕型飛機縱向操縱系統主要零構件幾何參數分析

2.1 手操縱機構

飛機操縱系統中手操縱機構的作用是駕駛人員通過前、后推拉桿實現飛機的升降舵操縱，從而實現飛機的俯仰飛行；通過駕駛人員的左、右壓桿來實現飛機的副翼操縱，從而實現飛機的滾轉飛行。通常情況下手操縱機構的結構形式主要有直桿式和彎桿式。直桿式手操縱機構主要的三個特征參數包括桿的直徑、桿的長度、固定孔直徑；彎桿式手操縱機構主要的四個特征參數包括桿的直徑、桿的長度、彎桿的彎曲半徑、固定孔直徑。

2.2 傳動機構

飛機操縱系統中的傳動機構主要包括傳動桿和推拉鋼索，用來傳遞系統的運動。傳動桿由兩端套筒固定連接裝置以及管材構成，通常情況下推拉鋼索具體結構由軟軸、套管、推拉桿接頭總成、密封件等組成。傳動桿的特征參數包括兩端套筒固定裝置的外徑、內徑、厚度以及套筒與鋼索或者其他執行機構連接耳片半徑、角度和厚度、孔直徑等。另外，套筒底端固定，在此不用另行提取特征參數。推拉鋼索的特征參數包括軟軸鋼索直徑及長度、鋼桿直徑及長度、空行程等。

2.3 執行機構

飛機操縱系統中的執行機構包括搖臂等部件，用來執行傳動機構對翼面等的操縱。其特征參數包括雙搖臂提取的耳片孔徑及厚度、搖臂半徑和搖臂厚度。在執行機構中還包括其他結構形式，在這里不做闡述。

3 利用CATIA機械零件參數化設計模塊對飛機操縱系統主要零件機構進行參數化設計

本文以傳動機構的傳動接頭參數化設計建模為例。

打開CATIA零件設計界面，在工具中調出函數公式對話框，設定已知參數，并令其初值為：

外徑R1=20mm

內徑R2=15mm

臂長徑R3=98mm

厚度h=10mm

中心夾角ANG1=170°

在建立零部件參數化以后，在零件庫中調用需要零件，其設定初值可根據用戶需要進行更改。

圖1 初值設定對話框 圖2 傳動接頭參數圖解

根據傳動接頭圖解所示，零件其他相關參數包括中心夾角ANG2、倒角半徑r1、固定孔徑r2、圓弧1、套管厚度h1等。

在CATIA中畫出所示草圖，標出ANG2、r1、r2、圓弧1，標注其尺寸，設定其函數關系：

ANG2=ANG1/1.2

圓弧1=ANG1/2.5

h1=3×h

r1=h/2，r2=h/5

圖3 定義參數 圖4 傳動機構的傳動接頭

草圖繪制結束后，進行厚度h、h1實體拉伸，得出所需零件圖4。

在CATIA參數化設計模塊中，設計其各個參數間的比例關系，使得實體建模數據簡化，只要改變其初值，其他參數值也會相應變化。值得注意的是，進行參數化設計的零件在建立零件庫時要對其設計表進行統一管理，方便零件調用。

4 零件的虛擬裝配

零件的虛擬裝配就是實體零件的模擬仿真過程，在CATIA中對用戶所需零件進行了參數化設計之后，在裝配設計模塊中實現虛擬裝配。在各零件裝配前，對用戶界面進行環境設置，目的是使各個零部件之間實現關聯設計，在工具的選項功能中，進行關聯設計設置，如圖5所示。在進行多零件關聯設計時會使用多個公共參數，這樣以后在用戶改變設計初值時，系統會根據零件之間的關聯關系，進行自動或手動更新。減少零件之間的反復更改，提高工作效率。

圖5 關聯設計設置對話框

基于以上CATIA零件參數化設計以及裝配功能，某輕型飛機操縱系統縱向操縱機構裝配如圖6和圖7：

圖6 操縱系統實際模型圖 圖7 連接接頭

5 操縱機構的運動仿真

在CATIA中零件參數化建模后，采用機械多體系統動力學仿真專業軟件ADAMS。該軟件是以研究復雜系統的運動學和動力學關系為目標，以計算系統動力學為理論基礎結合產品建模進行仿真計算，得到各種實驗數據，幫助發現并解決問題。

將上述CATIA建模產品導入Adams中，選擇參考坐標系，固定產品，對其進行仿真實驗，時間定義為4s，步長為100，驅動函數為：

STEP（time，2，0d，2.5，30d）+

STEP（time，2.501，0.0d，3.0，-30.0d）+

STEP（time，3.01，0.0d，3.5，-30.0d）+

STEP（time，3.501，0.0d，4.0，30.0d）

這里的驅動函數用戶可以根據設計要求自行定義，仿真曲線如圖8和圖9所示：

圖8 操縱桿位置與時間關系曲線

圖9 操縱桿角速度與時間關系曲線

飛機操縱系統的仿真運動分析可以得到操縱桿行程曲線、施加力曲線以及其他操縱曲線，仿真過程是實現其產品設計階段的性能測試，從而保證生產出來的產品最低可能地滿足設計目標要求，它不僅可以節省開發費用，還能最大限度地縮短開發周期，從而提升開發效率，是產品設計的一種有效手段。

6 結語

輕型飛機操縱系統的設計相對大飛機操縱系統的設計來說較簡單，操縱過程不復雜，設計過程進行參數化相對簡單，掌握了一些對輕型飛機操縱系統進行參數化設計的方法，在產品參數化建模后進行模擬仿真，能夠得出各操縱部件的性能曲線，根據需要進行參數最優化，能夠實現產品的快速研發。

參考文獻

[1] 焦振雙，許鋒.飛機操縱系統傳動機構參數化設計研究[J].江蘇航空，2010，（1）.

[2] 李海濱，楊義虎，朱姍姍，邱元慶.以CATIA為平臺的起落架零件參數化建模技術研究[J].現代制造工程，2009，（7）.

[3] 張學文.CATIA機械零件參數化設計[M].北京：機械工業出版社，2013.

[4] 丁仁亮.CATIA V5中按裝配關系的關聯設計[J].電大理工，2013，3（1）.

[5] 陳志偉，董月亮.多體動力學仿真基礎與實例解析[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

作者簡介：黃國龍（1987-），男，遼寧錦州人，沈陽航空航天大學航空宇航學部研究生，研究方向：飛行器設計；張利國（1972-），男，黑龍江齊齊哈爾人，供職于沈陽航空航天大學遼寧通用航空研究院，博士，研究方向：飛行器制造工程。

在CATIA參數化設計模塊中，設計其各個參數間的比例關系，使得實體建模數據簡化，只要改變其初值，其他參數值也會相應變化。值得注意的是，進行參數化設計的零件在建立零件庫時要對其設計表進行統一管理，方便零件調用。

4 零件的虛擬裝配

零件的虛擬裝配就是實體零件的模擬仿真過程，在CATIA中對用戶所需零件進行了參數化設計之后，在裝配設計模塊中實現虛擬裝配。在各零件裝配前，對用戶界面進行環境設置，目的是使各個零部件之間實現關聯設計，在工具的選項功能中，進行關聯設計設置，如圖5所示。在進行多零件關聯設計時會使用多個公共參數，這樣以后在用戶改變設計初值時，系統會根據零件之間的關聯關系，進行自動或手動更新。減少零件之間的反復更改，提高工作效率。

圖5 關聯設計設置對話框

基于以上CATIA零件參數化設計以及裝配功能，某輕型飛機操縱系統縱向操縱機構裝配如圖6和圖7：

圖6 操縱系統實際模型圖 圖7 連接接頭

5 操縱機構的運動仿真

在CATIA中零件參數化建模后，采用機械多體系統動力學仿真專業軟件ADAMS。該軟件是以研究復雜系統的運動學和動力學關系為目標，以計算系統動力學為理論基礎結合產品建模進行仿真計算，得到各種實驗數據，幫助發現并解決問題。

將上述CATIA建模產品導入Adams中，選擇參考坐標系，固定產品，對其進行仿真實驗，時間定義為4s，步長為100，驅動函數為：

STEP（time，2，0d，2.5，30d）+

STEP（time，2.501，0.0d，3.0，-30.0d）+

STEP（time，3.01，0.0d，3.5，-30.0d）+

STEP（time，3.501，0.0d，4.0，30.0d）

這里的驅動函數用戶可以根據設計要求自行定義，仿真曲線如圖8和圖9所示：

圖8 操縱桿位置與時間關系曲線

圖9 操縱桿角速度與時間關系曲線

飛機操縱系統的仿真運動分析可以得到操縱桿行程曲線、施加力曲線以及其他操縱曲線，仿真過程是實現其產品設計階段的性能測試，從而保證生產出來的產品最低可能地滿足設計目標要求，它不僅可以節省開發費用，還能最大限度地縮短開發周期，從而提升開發效率，是產品設計的一種有效手段。

6 結語

輕型飛機操縱系統的設計相對大飛機操縱系統的設計來說較簡單，操縱過程不復雜，設計過程進行參數化相對簡單，掌握了一些對輕型飛機操縱系統進行參數化設計的方法，在產品參數化建模后進行模擬仿真，能夠得出各操縱部件的性能曲線，根據需要進行參數最優化，能夠實現產品的快速研發。

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[4] 丁仁亮.CATIA V5中按裝配關系的關聯設計[J].電大理工，2013，3（1）.

[5] 陳志偉，董月亮.多體動力學仿真基礎與實例解析[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

作者簡介：黃國龍（1987-），男，遼寧錦州人，沈陽航空航天大學航空宇航學部研究生，研究方向：飛行器設計；張利國（1972-），男，黑龍江齊齊哈爾人，供職于沈陽航空航天大學遼寧通用航空研究院，博士，研究方向：飛行器制造工程。

在CATIA參數化設計模塊中，設計其各個參數間的比例關系，使得實體建模數據簡化，只要改變其初值，其他參數值也會相應變化。值得注意的是，進行參數化設計的零件在建立零件庫時要對其設計表進行統一管理，方便零件調用。

4 零件的虛擬裝配

零件的虛擬裝配就是實體零件的模擬仿真過程，在CATIA中對用戶所需零件進行了參數化設計之后，在裝配設計模塊中實現虛擬裝配。在各零件裝配前，對用戶界面進行環境設置，目的是使各個零部件之間實現關聯設計，在工具的選項功能中，進行關聯設計設置，如圖5所示。在進行多零件關聯設計時會使用多個公共參數，這樣以后在用戶改變設計初值時，系統會根據零件之間的關聯關系，進行自動或手動更新。減少零件之間的反復更改，提高工作效率。

圖5 關聯設計設置對話框

基于以上CATIA零件參數化設計以及裝配功能，某輕型飛機操縱系統縱向操縱機構裝配如圖6和圖7：

圖6 操縱系統實際模型圖 圖7 連接接頭

5 操縱機構的運動仿真

在CATIA中零件參數化建模后，采用機械多體系統動力學仿真專業軟件ADAMS。該軟件是以研究復雜系統的運動學和動力學關系為目標，以計算系統動力學為理論基礎結合產品建模進行仿真計算，得到各種實驗數據，幫助發現并解決問題。

將上述CATIA建模產品導入Adams中，選擇參考坐標系，固定產品，對其進行仿真實驗，時間定義為4s，步長為100，驅動函數為：

STEP（time，2，0d，2.5，30d）+

STEP（time，2.501，0.0d，3.0，-30.0d）+

STEP（time，3.01，0.0d，3.5，-30.0d）+

STEP（time，3.501，0.0d，4.0，30.0d）

這里的驅動函數用戶可以根據設計要求自行定義，仿真曲線如圖8和圖9所示：

圖8 操縱桿位置與時間關系曲線

圖9 操縱桿角速度與時間關系曲線

飛機操縱系統的仿真運動分析可以得到操縱桿行程曲線、施加力曲線以及其他操縱曲線，仿真過程是實現其產品設計階段的性能測試，從而保證生產出來的產品最低可能地滿足設計目標要求，它不僅可以節省開發費用，還能最大限度地縮短開發周期，從而提升開發效率，是產品設計的一種有效手段。

6 結語

輕型飛機操縱系統的設計相對大飛機操縱系統的設計來說較簡單，操縱過程不復雜，設計過程進行參數化相對簡單，掌握了一些對輕型飛機操縱系統進行參數化設計的方法，在產品參數化建模后進行模擬仿真，能夠得出各操縱部件的性能曲線，根據需要進行參數最優化，能夠實現產品的快速研發。

參考文獻

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[4] 丁仁亮.CATIA V5中按裝配關系的關聯設計[J].電大理工，2013，3（1）.

[5] 陳志偉，董月亮.多體動力學仿真基礎與實例解析[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

作者簡介：黃國龍（1987-），男，遼寧錦州人，沈陽航空航天大學航空宇航學部研究生，研究方向：飛行器設計；張利國（1972-），男，黑龍江齊齊哈爾人，供職于沈陽航空航天大學遼寧通用航空研究院，博士，研究方向：飛行器制造工程。