基于Simulink的貨艙門收放機構(gòu)建模與仿真

雷萍 劉冬平

摘要：為了研究貨艙門收放機構(gòu)的載荷及運動特性，根據(jù)力矩平衡原理、伯努利方程及轉(zhuǎn)動定理推導(dǎo)出該收放機構(gòu)的力學(xué)和運動學(xué)模型;利用Simulink建立了貨艙門收放機構(gòu)的計算模型，通過仿真得到了貨艙門收放機構(gòu)載荷、速度、加速度變化等重要參數(shù)。仿真結(jié)果表明，該模型有效地模擬了收放機構(gòu)載荷及運動特性，為貨艙門收放機構(gòu)的設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：Simulink;貨艙門;收放機構(gòu);建模與仿真

中圖分類號：V19 文獻標(biāo)識碼：A

運輸類飛機貨艙門是機身中重要且特殊的運動部件，又是設(shè)計復(fù)雜、功能要求嚴格、有一定代表性的部件[1]，收放機構(gòu)是貨艙門上典型的動力支持機構(gòu)，合理地確定艙門收放機構(gòu)的載荷及運動特性，對艙門收放機構(gòu)的設(shè)計及強度校核具有重要意義，并最終影響設(shè)計的合理性和結(jié)構(gòu)的安全性。

目前，對貨艙門收放機構(gòu)的設(shè)計傳統(tǒng)方法是結(jié)構(gòu)力學(xué)、運動學(xué)等理論進行計算，通過試驗手段進行測試，然后進行性能改進，其過程繁瑣、設(shè)計周期長，而利用Simulink工具搭建貨艙門收放機構(gòu)的仿真模型[2]，對貨艙門收放機構(gòu)的載荷及運動特性進行仿真計算，可得到貨艙門收放機構(gòu)載荷、速度、加速度等重要參數(shù)的變化規(guī)律，為收放機構(gòu)的載荷及運動分析提供一種快速有效的方法。該模型構(gòu)建的貨艙門收放機構(gòu)參數(shù)化設(shè)計工具[3]，便于不同工況下收放機構(gòu)的設(shè)計，具有一定的工程意義。

1 貨艙門的運動分析

1.1 貨艙門運動機構(gòu)的受力分析

貨艙門在開啟過程中靠電機驅(qū)動貨艙門收放機構(gòu)的運動控制貨艙門的運動軌跡，貨艙門受力分析如圖1所示。

圖1中O點為貨艙門相對于門框的轉(zhuǎn)軸，A點為貨艙門收放機構(gòu)與機身鉸接點，C點為貨艙門收放機構(gòu)與貨艙門的連接點，也是貨艙門收放機構(gòu)的驅(qū)動端，C點沿X方向為貨艙門收放機構(gòu)的傳動線系洲BC為貨艙門收放機構(gòu)，G為貨艙門的重心，F(xiàn)點為風(fēng)載作用于貨艙門上點，ABCO構(gòu)成四桿機構(gòu)，貨艙門開啟過程中O、A兩點固定不變，B、C兩點隨收放機構(gòu)的運動而轉(zhuǎn)動，C點的旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)貨艙門的收放。

1.2 貨艙門收放機構(gòu)運動參數(shù)確定[4～6]

已知貨艙門收放機構(gòu)的質(zhì)量m=190kg，貨艙門尺寸為2739mm×2385mm，貨艙門的最大開啟角度為130°，貨艙門在完全關(guān)閉狀態(tài)時，貨艙門初始角度r₀=25.07°，門重心和豎直方向的夾角b₀=21.29°，風(fēng)載作用點和豎直方向的夾角c₀=18.12°，固定連桿長度OA=310mm，活動連桿長度AB=300mm、BC=292mm、OC=280mm，貨艙門重心到門轉(zhuǎn)軸的長度OG=1041.05mm，風(fēng)載作用點到門轉(zhuǎn)軸的長度為OF=1157.58mm。

根據(jù)上述參數(shù)，貨艙門關(guān)閉狀態(tài)到完全打開狀態(tài)AC長度不斷變化，在△OAC中根據(jù)余弦定理可得：式中：r為貨艙門打開過程中轉(zhuǎn)過的角度。

由此推導(dǎo)出四連桿中各角度計算公式為：

將式（1）、式（4）聯(lián)立可得：

貨艙門在重力作用下圍繞O產(chǎn)生力矩M_g為：

貨艙門在風(fēng)載作用下圍繞O產(chǎn)生的力矩為：

根據(jù)伯努力方程，貨艙門上承受的風(fēng)載為[7]：式中：地面空氣密度ρ=1.225kg/m³，風(fēng)速v=20.6m/s，貨艙門的最大迎風(fēng)面積S_m=6.5325m²。

2 貨艙門收放機構(gòu)的建模與仿真

2.1 電機輸出扭矩

電機輸出扭矩隨著艙門開啟角度及轉(zhuǎn)速在變化，電機功率扭矩計算公式為：

電機轉(zhuǎn)速與貨艙門轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

電機轉(zhuǎn)速與輸出端C點轉(zhuǎn)速關(guān)系為：式中：M_d為電機輸出扭矩（N·m）;P為電機額定功率，P=0.2kW;n_d為電機轉(zhuǎn)速（r/min）;ω_r為貨艙門轉(zhuǎn)速;u為負載轉(zhuǎn)速與貨艙門轉(zhuǎn)速比;i為收放機構(gòu)傳動比，i=3612.5。

2.2 貨艙門收放機構(gòu)的運動微分方程

根據(jù)貨艙門的使用要求，貨艙門開啟的時間為30s。不考慮摩擦的情況下，電機啟動后，貨艙門開啟過程中圍繞口的運動微分方程如下：

根據(jù)圖1貨艙門受力簡圖可知：式中：J為貨艙門繞點。的轉(zhuǎn)動慣量J=m×1.04105²kg·m²;M'為電機對貨艙門轉(zhuǎn)軸O點的力矩;M_g為貨艙門重力繞口點的力矩;M_f為貨艙門風(fēng)載繞O點的力矩;β為貨艙門圍繞O點轉(zhuǎn)動角加速度，ω為角速度（rad/s）;r為角位移（rad）;F₁為連桿AB軸力（N）;T₁為輸出端負載扭矩（N·m）。

2.3 收放機構(gòu)Simulink仿真模型建立[8～10]

Simulink是一個非常適用于工程的仿真平臺，能夠快速、準(zhǔn)確地建立仿真模型。貨艙門開啟過程的仿真模型如圖2所示，采用電機和收放機構(gòu)運動的圖形化模型，將計算公式用Matlab Function模塊建立。電機仿真模型輸入?yún)?shù)ω_r，u;輸出參數(shù)T_d，n_d。收放機構(gòu)運動仿真模型輸入?yún)?shù)r，M_d;輸出參數(shù)y，M_g，F(xiàn)₁，T₁，F(xiàn)_fM_f，M，a，v。需要注意的是，這里出現(xiàn)的T_d，y，v分別對應(yīng)于M_d，β，u。

對于存在約束狀態(tài)的變量，要附加適當(dāng)?shù)哪K或者對模塊進行參數(shù)設(shè)置。例如貨艙門開啟角度為0°≤r≤130°，則將Saturation模塊參數(shù)的上限設(shè)為130×π/180，下限設(shè)為0;而對于電機輸出扭矩T_d的約束條件，則在輸出T_d的后面附加Switch模塊，Switch模塊中判斷條件選擇“>門限值”，門限值設(shè)為0.02×π/180，若不滿足判斷條件，選擇輸出Constant模塊中的常數(shù)0.1。

各模塊建立起來以后，將它們連接起來，設(shè)置SimulinkParameters，設(shè)置開始時間為0，終止時間為50s，采用算法類型為變步長，算法為ode45對系統(tǒng)進行仿真計算，將需要輸出的信號連入Scope模塊或XY Graph，輸出其隨時間的變化曲線或其隨貨艙門開啟角度的變化曲線。

2.4 仿真結(jié)果

貨艙門收放機構(gòu)驅(qū)動電機扭矩、轉(zhuǎn)速、變化如圖3所示，負載扭矩變化如圖4所示，連桿AB軸力變化如圖5所示，輸出端速度、加速度變化如圖6所示，收放機構(gòu)開啟艙門所需時間曲線如圖7所示。

從仿真曲線可知：電機扭矩在0.7～1N·m之間，轉(zhuǎn)速在1380～1550r/min之間工作平穩(wěn);艙門開啟至130°時，連桿AB軸力最大為13000N;艙門開啟至111°時，負載扭矩最大為1889N·m;貨艙門收放機構(gòu)將貨艙門開啟過程呈現(xiàn)接近勻速運動，艙門開啟至最大位置130°時，需要用時30s，符合實際情況。

3 結(jié)論

運用Simulink系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)，對貨艙門收放機構(gòu)載荷及運動特性進行仿真分析，具有方便、準(zhǔn)確和直觀的特點，解決了傳統(tǒng)方法計算繁瑣、設(shè)計周期長的問題，通過仿真分析，了解貨艙門收放機構(gòu)載荷及運動變化特性，為貨艙門收放機構(gòu)的設(shè)計提供了參考、具有一定的工程意義，后續(xù)可就不同參數(shù)變化對收放機構(gòu)載荷及運動特性影響進行具體分析，通過調(diào)整參數(shù)、觀察曲線變化，可了解諸參數(shù)對機構(gòu)的影響，有利于選擇優(yōu)化參數(shù)，設(shè)計出合理的機構(gòu)。

參考文獻

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