發動機反推運動機構可靠性優化設計研究

摘 要：反推裝置作為現代民用飛機必不可少的減速系統，承擔著飛機降落的重要任務，對飛機的安全飛行至關重要。根據葉柵式反推裝置構型及其工作原理，本文建立了反推機構運動學理論模型。通過機構運動學仿真，驗證了所建立模型的合理性與正確性。將阻流門在整個偏轉過程中的最大角加速度作為優化目標，各部件滿足幾何運動關系作為約束條件，建立反推運動機構的確定性優化模型。與此同時，考慮反推運動機構的兩種失效模式，將可靠性考慮到優化設計中，建立可靠性優化設計模型。在Matlab環境下對反推機構進行優化設計計算，結果表明，在滿足可靠性約束的情況下，阻流門在整個運動過程中的角加速度得到了進一步的優化，且整個機構在運動中不出現干涉，整個反推力裝置可以正常工作。本文建模流程與可靠性優化方法和結果可以為反推裝置結構設計提供參考。

關鍵詞：反推裝置； 阻流門； 運動機構； 可靠性； 優化設計

中圖分類號：V228.7+4 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.04.007

基金項目： 航空科學基金（2020Z009053003）； 西北工業大學博士論文創新基金（CX2022012）

大型民航客機通常采用大涵道比渦扇發動機作為動力裝置，飛機運載能力的提高以及發動機推力的增大，使得降落時滑跑距離及要求的跑道長度不斷增大，尤其當跑道濕滑或結冰時，滑跑距離將會更長，影響飛機安全工作。為減小飛機降落時的滑跑距離，民航客機通常在發動機上配裝反推裝置，即在降落時通過該裝置改變發動機噴氣出口的氣流方向，使發動機產生與航向相反的推力，有效地縮短著陸時的滑跑距離[1-4]。

反推裝置主要包括遮擋氣流的反推運動機構組件和驅動該套裝置的液壓作動系統。在現有民航客機上，葉柵式反推裝置使用最廣泛，其工作時，通過作動系統推動反推裝置中的阻流門結構發生翻轉，遮擋發動機外涵道中的氣流使其發生逆轉并從葉柵中噴出，進而產生反向推力[5-7]。

反推裝置的運動組件是葉柵式反推裝置的執行機構，其各部件的運動學特性直接影響反推系統的正常開啟與關閉，對其進行運動學分析，研究各部件的運動學特性是反推裝置結構設計、參數優化的重要基礎。

研究者們針對反推裝置及其作動系統開展研究。O’brien[8]分析了波音777 客機反推裝置液壓作動系統，該作動系統由6個液壓作動筒驅動兩個整流罩進行平移運動，指出了致使液壓作動系統發生“卡死”的驅動力差異和安裝位置不匹配等因素。Strash等[9]研究了反推裝置的氣動性能，計算了反推裝置在地面效應下的排氣流動軌跡并分析了其流動特征。Butterfield等[10]研究了反推裝置的葉柵設計，針對三種不同的設計，計算了達到結構相關性能時的葉柵最小重量（質量）。Rajput等[11]對無阻流門反推裝置進行了參數化計算研究，建立了模擬試驗裝置的數值模型。Williams等[12]研究了反推裝置在工作過程中的風扇的氣動性能。

近年來，結合大型客機與配套的大涵道比渦扇發動機研發，國內也對反推裝置開展了相關研究。主要集中在氣動流場分析[13-14]、反推裝置氣動性能研究[15-17]、反推裝置液壓作動系統設計[18]、葉柵式反推裝置的受載與傳力[19]、反推裝置試驗加載系統設計[20]、發動機反推系統安全性設計[21-22]等方面。張少軍等[19]利用多體動力學軟件建立了反推裝置動力學模型，并基于載荷移置的方法將阻流門上的分布載荷等效處理成節點集中力載荷，分析了反推裝置關鍵零件的載荷特性。陳永琴等[18]建立了液壓作動系統中各部件及整個系統的數學模型和AMEsim模型，分析了液壓作動筒的位移、受力及同步性規律。葉柵式反推裝置雖然在飛機上應用廣泛，然而關于反推裝置運動學與動力學分析、反推裝置結構優化及部件參數對反推系統性能影響的理論研究較少。

本文以葉柵式反推裝置為研究對象，在對反推機構進行運動學分析的基礎上，建立其運動學理論計算模型。然后針對反推運動機構設計中所關注的輸出性能，建立其確定性優化設計和可靠性優化設計（RBDO）兩種模型，并開展優化設計。

1 反推機構運動學分析

圖 1（a）為某型航空發動機反推裝置簡圖，完整反推裝置由兩個對稱的C形單半反推機構組成[23-24]。 如圖 1（b）所示，單半反推機構航向前端裝有5個阻流門。每個阻流門前端通過關節軸承與移動外罩連接，后端裝有彈簧片并和阻流門拉桿通過關節軸承連接，拉桿另一端則通過關節軸承與核心機外罩連接。

當飛機巡航時，阻流門處于收起狀態，如圖 2（a）所示，氣流通過前端風扇進入外涵道，最終在發動機尾部快速流出，從而給飛機提供航向推力。在飛機降落著陸時，飛機需要減速，此時移動外罩沿逆航向移動，帶動阻流門向下偏轉，如圖 2（b）所示，阻流門將沿逆航向流動的氣流折返，使其沿順航向45°流出，進而產生逆航向反推力，最終達到使飛機減速的目的。

該型反推機構阻流門的運動過程分為平移運動階段和偏轉運動階段兩個部分，圖3給出了該反推機構的運動學簡圖。在平移運動階段，阻流門依靠彈簧片的變形維持水平運動狀態，從而使得阻流門下放角維持在0°，因此可以將該階段簡化成圖3（a）所示的運動過程。其中，a為阻流門的等效長度，即阻流門與彈簧片的連接點到阻流門前緣的距離；b為阻流門拉桿長度；x為移動外罩的水平移動距離，l為阻流門拉桿下支點到阻流門水平運動直線的垂直距離，x0為初始狀態下阻流門拉桿下支點到阻流門前緣的水平距離。以上設計變量的數據均可根據設計文件得到，或者根據初始三維模型測量得到。該運動簡圖通過兩個平移副的鉸接代替彈簧片的變形，從而在保證阻流門水平運動的前提下簡化了運動模型。

根據以上分析可以建立阻流門偏轉角度φ隨移動外罩移動距離x的關系式（2）

由圖4可以看出，兩條曲線幾乎吻合。同時，可以看出Adams仿真模型中，其阻流門開始偏轉的平移距離相較于理論模型更早，其原因在于理論模型中，假設了彈簧片在恢復原長之后阻流門才開始下放，而仿真模型中在彈簧片恢復原長之前阻流門就已經開始偏轉，這一結果與實際測得結果相符。因此采用式（2）所示的理論模型來代替仿真模型進行阻流門偏轉角度的分析是合理的。

2 反推機構可靠性優化設計研究

基于反推機構運動學分析及其阻流門偏轉角度隨移動外罩平移距離的函數推導，本節進行反推機構可靠性優化設計模型的建立和分析計算。首先在反推機構確定性優化設計模型的基礎上，建立可靠性優化設計模型。然后對可靠性優化設計計算方法進行介紹，最后對反推機構進行可靠性優化設計計算和分析。

2.1 確定性優化設計模型

2.4 計算結果及分析

根據2.3節所介紹的單層RBDO分析方法，對2.2節所提出的反推機構運動學RBDO模型進行分析，與其余三種單層RBDO方法對比，可以得到表 1的結果。其中f （x）表示目標函數值，Ncall表示調用功能函數的次數。

由表 1分析結果可知，用這4種單層法所得的分析結果一致，因此可以認為該RBDO的優化結果為a = 260mm，b = 379.57mm，x0= 286.31mm。同時在這4種方法中，ESLP方法調用功能函數的次數最少，效率最高，因此對于該算例而言，ESLP方法具有更好的適應性。為了說明RBDO優化后的結果參數與初始參數以及確定性優化后的參數區別，表2給出了RBDO結果與確定性優化結果的對比。

由表 2可以看出，經過確定性優化與可靠性優化后，目標函數較優化前都有所下降，同時確定性優化較可靠性優化其目標函數下降的更多，原因就在于可靠性優化充分考慮了不確定性因素的影響，因此在設計上會比確定性優化設計所得結果更為保守。同時根據兩種優化結果計算量的對比，可以看出可靠性優化的計算量相較于確定性優化的計算量高36.9%。在工程實際應用中采用可靠性優化設計可以保證結構機構在滿足一定的可靠性要求的前提下，得到更優的目標結果。

為了更為直觀地表示優化前后的區別，圖 8和圖 9分別給出了優化前與優化后的下放角度隨時間變化曲線以及下放角加速度隨時間變化曲線。由圖 8和圖 9可以看出，經過優化后，其阻流門相較于優化前提前開始下放，同時在運動到1.6～1.8s時，阻流門的下放角加速度達到最大值，通過優化分析后，可以將最大角加速度從451.12（°）/s2優化至436.85（°）/s2，從而使得該阻流門在整個運動過程中更加平穩。

3 結論

本文分析了典型的葉柵式反推裝置結構特點及工作原理，在此基礎上根據機構運動原理對反推裝置簡化并建立其運動學數學模型，以移動外罩位移為輸入進行運動學仿真，仿真結果與理論數學模型基本符合。分別建立了確定性優化設計模型和可靠性優化設計模型，采用單層可靠性優化設計計算方法進行優化，由優化前后阻流門角加速度對比曲線可知，優化后的最大角加速度從451.12（°）/s2降低至436.85（°）/s2。同時，在尺寸約束和可靠性約束下的移動外罩和阻流門上各特征點之間并未發生干涉，可以保證反推力裝置正常實現展開/收回，同時阻流門運動滿足可靠性設計要求。所建立可靠性優化設計流程可以為反推機構運動學優化設計提供指導。

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1. Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China

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Abstract： According to the configuration and working condition of thrust reverse mechanism， the theoretical model of kinematics of the thrust reverse mechanism is established. Through the kinematics simulation， the rationality and correctness of the established model are verified. Considering that the blocker door needs to be as stable as possible in the whole deflection process， the maximum angular acceleration of the blocker door in the whole deflection process is taken as the optimization goal of the thrust reverser mechanism， and each motion mechanism of the device meets the geometric relationship as the constraint condition， and the deterministic optimization model of the thrust reverser mechanism is established. At the same time， considering the two failure modes of the reverse mechanism， reliability is considered in the optimization design， and a reliability-based design optimization model is established. The optimal design calculation of the thrust reverser mechanism is carried out in Matlab. The results show that the angular acceleration of the blocker door in the whole movement process is further optimized under the condition of meeting the reliability constraints， and the whole mechanism does not interfere in the movement， and the whole thrust reverser device can work normally. The modeling process and reliability-based design optimization method in the paper can provide reference for the structural design of the thrust reverse mechanism.

Key Words： thrust reverse device； blocker door； mechanism； reliability； design optimization