基于ADAMS的直升機操縱系統運動機構優化設計

張恒

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001）

0.引言

操縱系統是直升機的重要部件之一，直接影響直升機的飛行品質，它通過座艙操縱裝置、機械線系、助力器、自動傾斜器等部件將駕駛員的操縱指令傳到主尾槳葉，從而實現對直升機的姿態和航跡的控制。其中在進行機械線系的設計時經常需要對某些運動機構的設計參數進行反復調整優化以達到設計要求[1]。操縱線系往往比較復雜，并且所涉及的運動機構的調整比較頻繁，涉及的設計變量比較多，設計優化周期較長。一般來說，優化分析問題可以歸結為：在滿足各種設計條件和在指定的設計變量變化范圍內，通過自動地選擇設計變量，由分析程序求取目標函數的最大值和最小值[2]。

虛擬樣機分析軟件ADAMS可用于對復雜機械系統的運動學仿真分析，已在航空航天、船舶、工程機械等眾多領域有廣泛應用[3-8]。本文利用機械系統動力學仿真軟件ADAMS在對操縱系統的某一運動機構進行參數化建模的基礎上，通過ADAMS設計研究模塊得到了各設計參數對機構性能影響的靈敏度，最后針對敏感參數運用ADAMS的優化設計模塊對機構完成了優化設計。

1.運動機構優化設計

1.1 仿真模型建立

針對操縱系統某一運動機構建立運動仿真模型如圖1所示（灰色部分為機架），運動機構由一系列連桿和搖臂組成。優化前，在輸入連桿L1與機架的夾角θ從30°擺動到45°的過程中，輸出連桿L2與機架的夾角β的擺角范圍只有22.21°。優化前夾角β隨時間的變化曲線如圖2所示。為了使得輸出連桿L2與機架的夾角β的擺角范圍達到最大，需要對連桿機構相關設計參數進行優化。

圖1 運動機構仿真模型

運動機構中各鉸接點的位置直接決定機構的運動軌跡，是主要設計參數。各鉸接點的位置P2～P17如圖2所示，其中P2、P5、P8、P11、P14、P17處的鉸接位置通過支座與機架固定（支座未示出）。在連桿L1的P1位置施加一個大小為50N的力F，并建立一傳感器用于在連桿L1的擺角達到45°時停止仿真。分別將鉸接點P3～P16處的X、Y坐標作為設計參數，在保證鉸接點P2和P17的位置不發生改變的情況下，優化P3～P16處的X、Y坐標值，使得輸入連桿轉動同等角度時夾角β的擺角范圍達到最大。

圖2 優化前夾角β隨時間的變化曲線

1.2 設計研究

在完成參數化建模后，設計變量按照一定的規則在一定的范圍內取值，利用ADAMS的設計研究模塊分別對每一個設計參數進行仿真分析，可以得到以下內容：（1）設計變量的變化對樣機性能的影響；（2）設計變量的最佳取值；（3）設計變量的靈敏度，即樣機有關性能對設計變量值的變化的敏感程度[9-14]。

對設計變量P3的X坐標“DV_1”進行設計研究仿真可以得到夾角β隨不同試驗變量的變化曲線，如圖3所示，同時也可以得到優化設計分析報告如表1所示。同樣可以分別對P3～P16處的其他坐標參數進行設計研究分析，得到表2所示的分析結果。由表2可知設計變量“DV_6”“DV_10”“DV_18”“DV_19”“DV_21”“DV_23”“DV_27”“DV_28” 的靈敏度較高，也即鉸接點P5的Y坐標、P7的Y坐標、P11的Y坐標、P12的X坐標、P13的X坐標、P14的X坐標、P16的X坐標、P16的Y坐標對夾角β的影響較大。

圖3 DV_1設計研究結果曲線

表1 DV_1設計研究結果

表2 設計研究結果

1.3 優化設計

在對運動機構各設計參數進行試驗研究的基礎上，分別對設計參數“DV_6”“DV_10”“DV_18”“DV_19”“DV_21”“DV_23”“DV_27”“DV_28”設定變化范圍后，以輸出連桿L2與機架的夾角β的擺角最大為設計目標，運用ADAMS的優化設計模塊進行優化設計。最終的優化結果如表3所示，優化前后的夾角β如圖4所示。

圖4 優化前后夾角β隨時間的變化曲線

由表3和圖4可知當設計變量“DV 6”“DV 10”“DV18”“DV 19”“DV 21”“DV23”“DV 27”“DV 28”的值分別 為 356.40、256.40、196.40、1570.0、1575.5、1645.5、1725.5、690.80時夾角β的擺角范圍最大，為66.29°，較優化前有明顯提高。

表3 最終優化結果

2.結論

利用ADAMS虛擬樣機技術對直升機操縱系統某運動機構進行了優化設計，使得輸出連桿的擺角范圍從22.21°增大到66.29°，優化效果明顯。表明利用ADAMS的優化設計方法可以為直升機操縱系統運動機構的優化設計提供新的設計手段和思路。