杜鑫，卢岳良，陈建伟
（航空工业南京机电液压工程研究中心，南京211106）
摘要：分析了冲压空气涡轮系统（RAT ）的舱门联动机构的结构及工作原理，并在运动学仿真平台ADAMS环境下建立舱
门联动机构的多体动力学仿真模型。通过对影响舱门联动机构性能的各关键因素进行参数化处理，运用试验研究方法，仿真分析了各设计变量对目标值的影响。通过Design exploration工具，对舱门联动机构主要铰接点位置进行了优化，优化后收放作动筒的受力情况得到了有效改善，达到了优化目的。 关键词：冲压空气涡轮系统；连杆机构；优化设计
中图分类号:V 228文献标志码:A 文章编号：1002-2333（2021）01-0143-04
Dynamics Simulation and Optimization of Door Linkage Mechanism of Ram Air Turbine
DU Xin,LU Yueliang,CHEN Jianwei
(China Aviation Industry Nanjing Electrical Research Center,Nanjing 211106,China)
Abstract:This paper analyzes the structure and working principle of the door linkage mechanism of the ram air turbine (RAT)in and then establishes the multi-body dynamic simulation model of the door linkage mechanism in ADAMS.The key factors affecting the performance of the door linkage mechanism are parameterized,the effect of each design variable on target value are analyzed.The position of the hinge point of the RAT ’s door linkage mechanism is optimized using the Design Exploration tool.The force of the actuator is decreased obviously,which achieves the purpose of optimization.Keywords:ram air turbine;multi-bar linkage;optimized design
0引言
冲压空气涡轮系统（Ram Air Turbine ，简称RAT ）是
一种在飞机失去主动力和辅助动力的紧急情况下，利用飞机滑行速度，吸收相对气流的冲压能量，向飞机关键系统提供应急液能源以保持飞机的可操纵性的应急动力系统
李四光计划[1-2]
。
冲压空气涡轮系统舱门联动机构为连接RAT 与飞机
RAT 舱门的功能部件，实现RAT 运动过程中与舱门的联
动功能。舱门联动机构可简化为连杆机构模型。目前，国内对冲压空气涡轮系统舱门联动机构的研究较少，在设计过程中仅对联动机构进行运动轨迹计算，验证舱门连杆的基本功能，尚未开展对舱门连杆机构的动力学仿真、优化方面的研究。
人机界面设计提供了仿真平台[3-10]。本文在动力学仿真平台ADAMS 环境中建立了冲压空气涡轮系统舱门
联动机构的动力学仿真模型，并分析了影响舱门联动机构性能的设计参数。通过对设计参数的分析、优化，有效地改善了RAT 收放机构的受力情况，降低了对RAT 收放机构初始推力的设计要求。1舱门联动机构分析
1.1
冲压空气涡轮舱门联动机构
冲压空气涡轮系统主要有收放作动筒、液压泵、涡轮部件、齿轮箱部件、舱门连杆组件和支撑臂部件等部分组成（如图1）。
DML
飞机正常状态时，收放作动筒锁定在回收状态，并将
RAT 固定在飞机RAT 舱门内（如图2）。紧急情况下，收放作动筒上位解锁，在其弹簧力作用下，作动筒内缸从外缸伸出，同时推动支撑臂转动，从而将涡轮部件释放至相对气流中，直至收放作动筒展开到位，并锁定在展开位置。
舱门连杆组件一端安装在RAT 支撑臂上，另一端安装在RAT 舱门上（如图2）。RAT 展开过程中，支撑臂带动舱门连杆组件运动，同时，舱门连杆组件进一步推动RAT 舱门绕其转轴转动，从而实现RAT 与舱门的联动。1.2舱门联动机构运动分析
舱门连杆组件较为复杂，通过对舱门连杆各关节的功能分析，可将连杆组件简化为两端带球铰的杆单元。简化后RAT 舱门联动机构运动简图如图3所示。
图1
RAT 结构简图
图2产品及舱门回收/展开状态
1.收放作动筒
2.液压泵
3.涡轮部
件 4.齿轮箱部件 5.舱门连杆组件6.支撑臂部件
回收状态展开状态
1
23
6
5
4RAT 舱门
舱门连杆组件
回收状态
展开状态
图3舱门联动机构结构简图
A
P
B
O
C (Q)D
F
N
M
M′其中，A 、O 为RAT
B 为收撑臂之
C 为舱门撑臂之
D 为舱门杆与RAT 舱门之间M -M 为舱门RAT 回收状态时，
轮部件贮存在RAT
舱内，此时RAT 通过舱门连杆组件将RAT 舱门固定在关闭状态。
RAT 展开过程中，收放作动筒内、外缸之间的预压弹
歼-12簧力克服RAT 舱门的气动阻力、RAT 及RAT 舱门惯性力等阻力，驱动RAT 及舱门转动，实现RAT 与舱门的同步展开
功能。
RAT 舱门连杆组件的优化可以有效地减小对收放作
动筒的预压弹簧力的要求，而预压弹簧力为收放作动筒的重要设计指标，直接影响收放作动筒的外形尺寸、质量等物理特性。通过降低收放作动筒预压弹簧力要求，可以减小收放作动筒的设计难度，有
效减小收放作动筒外形尺寸及质量。同时可以减小收放作动筒对RAT 支撑臂、RAT 机上挂点的作用力，从而改善飞机受力状态。2参数化建模及影响因素分析2.1参数化建模
对RAT 收放作动筒及舱门连杆组件进行简化，在
ADAMS 环境中建立图4所示RAT 舱门联动机构的动力学
仿真模型。该多体动力学仿真模型主要由刚体、约束、力、数据元素（data element ）、驱动等组成。其中，选取图中O
点为坐标原点，坐标系方向如图4所示。
自发功RAT 展开过程主要承受舱门的气动阻力矩N 、涡轮的
气动轴向力F 、收放作动筒弹力、RAT 及舱门惯性力等载荷，且上述载荷均与RAT 展开角度相关。
在模型对支撑臂与大地之间的转动副添加Measure ，动态测量RAT 展开角度。根据对涡轮部件的气动仿真结
果，在模型中建立涡轮部件轴向气动推力与RAT 展开角度相关的data element 曲线。仿真过程中，模
型根据RAT 展开角度，运用AKISPL 函数，动态求取涡轮轴向气动推力。同理对舱门与大地之间转动副添加Measure ，并根据舱门转动角度动态求取舱门在展开过程中受到的气动阻力。
因RAT 在机上的安装位置受飞机安装空间、飞机结构等因素限制，故RAT 在飞机上的安装位置O 点、A 点的坐标为定量值。
RAT 设计中，主要的设计变量为收放作动筒与支撑
臂、支撑臂与舱门连杆、舱门连杆与舱门之间的铰接点位置，故在仿真模型中将点B 、点C 及点D 的三维坐标值设置为设计变量，具体如表1所示。2.2运动影响因素分析
设置驱动运动为支撑臂转动角度，在Design Exploration 中对各设计变量进行分析研究，目标值为收放作动筒受力初始推力值，设置Default levels 为5，运行仿真模型，仿真结果如图5所示。
通过分析模型各设计变量对目标函数的影响可知，设计变量DV_Y1、DV_X2、DV_Z2、DV_X3和DV_Y3与目标函数正相关，DV_Z1、DV_Y2、DV_Z3与目标函数负相关。
设计变量DV_Y1、DV_Z1和DV_Y2对目标的敏感度较大，在设计中起到决定性作用。DV_X3、DV_Y3和DV_Z3对目标函数的影响较小。3
优化求解
RAT 舱门联动机构优化的一个重要的目的是减小对收放作动筒初始弹簧力要求，从而减小收放作动筒结构尺寸和质量。
RAT 展开后，因涡轮部件转动过程不能对舱门产生
干涉，故要求RAT 舱门转动角度不小于75°。根据收放作
动筒设计经验，受10kN 弹簧力级别的弹簧外形影响，收放作动筒结构行程（内缸从外缸伸出的最大距离）应不小于100mm 。受作动筒外缸安装座和连接杆等结构尺寸的限制，收放作动筒的结构长度不小于270mm 。故模型中的约束条件如下：αθ=68≥75°；DV _Y 1≥30；DV _Z 1≥60；DV _X 1≥35；L 2-L 1≥100；2L 1-L 2≥270。其中：θ为RAT 展开角度；α为舱门转动角度；
L 1=[（DV _Y 1θ=0-Y A ）2+（DV _Z 1θ=0-Z A ）2
]1/2
；
L 2=[（DV _Y 1θ=68-Y A ）2+（DV _Z 1θ=68-Z A ）2]1/2。
在Design Evaluation Tool 中选择optimization 选项，并对优化目标设置为minimize Des 。在ADAMS 中采用OPTDES-SQP 二次规划算法对设计变量进行仿真，对关键铰接点位置进行优化计算。
优化后，各设计变量取值如表2所示。RAT 展开到位后，收放作动筒行程为150.7mm ，舱门展开角度为75.9°。优化前
图4舱门联动机构简化仿真模型
表1
模型中的设计变量
设计变量初始值/mm 变化量/mm
DV_Y149.1-20/+20DV_Z1
141.7-20/+20DV_X245.0-20/+20DV_Y2-92.2-20/+20DV_Z2292.6-20/+20DV_X314.2-20/+20DV_Y3-205.8
-20/+20DV_Z394.2
-
20/+20
图5
各设计变量对作动筒推力影响
时间/s
0.375
0.750 1.5001.125（a ）设计变量DV_Y1
时间/s
0.375
0.750
1.5001.125（c ）设计变量DV_X2
时间/s
0.375
0.750
1.500
1.125
（e ）设计变量DV_Z2
时间/s
0.375
0.750 1.500
1.125（f ）设计变量DV_X3
时间/s
0.375
0.750 1.500
1.125（d ）设计变量DV_Y2
时间/s
0.375
0.750 1.500
1.125（b ）设计变量DV_Z1
时间/s
0.375
0.750 1.500
1.125
（g ）设计变量DV_Y3
时间/s
0.5
1.0
2.0
1.5（h ）设计变量DV_Z3
表2
优化后各设计变量取值
设计变量优化取值/mm DV_Y139.1DV_Z1146.7DV_X235.0DV_Y2-72.2DV_Z2272.6DV_X3-34.0后，收放作动筒初始弹簧力要求分别为8470N 和5149N ，展开过程作动筒受力曲线如图7所示。由受力曲线可知，优化后，收放作动筒初始弹簧力要求有明显的减小，RAT 展开过程，收放作动筒弹力要求有明显改善。4
结论
本文基于虚拟样机技术，为
优化提供了一种方法。本文在ADAMS 平台中建立了冲压空气涡轮系统舱门联动机构动力学仿真模型，对舱门联动机构的运动特性进行了仿真分析。同时，在模型中对设计变量进行了参数化处理，通过仿真，分析了各设计变量对舱门联动机构的特性的影响。最后，对冲压空气涡轮系统舱门联动机构进行优化，有效地降低了对RAT 收放作动筒初始弹力的要求，从而减小了收放作动筒的外形尺寸、质量等特性，对冲压空气涡轮系统的设计具有一定的图6优化后RAT 及舱门展开角度曲线
图7优化前后收放作动筒受力曲线
时间/s
5
10
15
9000
.cangmenzhankai.Ax_Ay_Az_Projection_Angles.Z
RATzhankaijiaodu
时间/s
05
1015
lter_0lter_1
67504500
长江三角洲经济90008000
700060005000
4000
3000
2000
1000
（下转第148页）
（上接第145页）
图7A 面清角示意图
图8加工过程实物图
图9
最终产品实物图
结
论
1）采用VORTEX 旋风铣开粗功能，可实现高硬度材
质异形复杂件高效铣削，极大提高生产效率，也为硬度高、调质黏性大等难加工的材料提供了解决思路。
2）通过异形件仿形设计原理，设计出适合本件的脱
模工装，实现一个工装两个面装夹定位，解决了中小型异形件不易装夹的技术难题。3）采用多轴加工设备进行异形复杂件加工，实现在
机表面加工、全轮廓倒角及检测一体化，避免了使用专用刀具成本较高的弊端，同时大大节约人力，降低了劳动强度。
[参考文献]
[1]曾福辉.电主轴后培林座铣床加工工艺分析和夹具设计[J].机械工程师,2020(2):141-144.
[2]杜军，李贞惠，唐万军.数控宏程序编程从入门到精通[M].北京：化学工业出版社,2019.
[3]王爱玲.数控机床加工工艺[M].北京：机械工业出版社,2006.
[4]
SHE C H,CHANG C C.Design of a generic five -axis postprocessor based on generalized kinematics model of machine tool [J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2007,47(34):537-545.[5]
孙国平.基于UG 的五轴加工中心的后处理[D].无锡：江南大学,
2009.
（编辑
邵明涛）
作者简介：邓文星(1985—)，男，硕士，工程师，主要从事航天产品工艺设
计及数值模拟方面的技术工作。
收稿日期:2020-07-06
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[参考文献]
[1]李兴利，侯瑞，周晓春.冲压空气涡轮舱门开缝问题研究[J].航空科学技术,2015,26(12):16-19.
[2]杜鑫，卢岳良，翟笑天，等.基于虚拟样机技术的冲压空气涡轮仿真研究[J].机械设计与制造，2020(4):75-78.
[3]白育全，文学沫.基于ADAMS 的八连杆冲压机构的优化设计[J].延边大学学报(自然科学版)，2015,41(2):175-178[4]何亚银，李志锋，陈纯.由串联四连杆机构组成的多连杆压力机运动特性研究[J].机械设计,2015,32(5):87-90.
[5]姚菁琳，郑翔，张新国.八连杆压力机传动系统的设计及优化[J].扬州大学学报(自然科学版),2014,17(1):46-49.[6]牛清娜，杨立洁，尹冬晨.基于ADAMS 的液压支架四连杆机构优化设计[J].煤矿机械，2017,38(3):156-157.
[7]
刘建钊，党建军，张进军.基于ADAMS 的摆盘机构动力学仿真分
析[J].机械设计与制造,2012(4):76-78.
[8]潘筱，孙延伟，高继东.五连杆非独立后悬架K&C 特性仿真研究[J].机械设计与制造,2013(9):79-82.
[9]
许县忠，于文妍.基于ADAMS 的六连杆轮式驱动机器人回转运动研究[J].机械工程与自动化,2019(1):91-93.[10]许永康.空间四连杆引纬机构优化及动力学仿真[D].杭州：浙江
理工大学,2012.
（编辑
邵明涛）
作者简介：杜鑫(1984—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为机械设计、
机械动力学；
卢岳良(1976—)，男，研究员，硕士生导师，主要研究方向为机械设计、机械动力学仿真、流体力学；
陈建伟(1990—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为流体力学。
收稿日期:2020-07-07
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