飞机复杂操纵结构件力学特性分析与试验研究

发布时间：2020-08-21 12:01

【摘要】：在航空领域,电传技术是飞机操纵系统的关键技术。机电作动器(Electric-Mechanical Actuator,EMA)和主动式侧杆系统(Active Side-stick System,ASS)作为电传操纵系统(Fly-By-Wire,FBW)末端和首端关键复杂子系统,对飞机安全性、可靠性、操稳性以及飞行品质起着举足轻重的作用。因此,EMA和主动杆(ASS)安全可靠是飞机顺利飞行的重要保障。本文基于实际工程项目,以某型飞机电传操纵系统襟翼EMA减速器与ASS驾驶装置为研究对象,采用CAD/CAE有限元数值仿真与试验研究相结合的方法,进行力学特性分析和结构优化,达到提高系统静动态性能、操稳性、安全性、可靠性以及轻量化的目的。主要研究内容如下:(1)详细分析了襟翼EMA系统结构组成、工作原理及承载情况,并对行星减速器关键部件进行受力分析计算与有限元静态特性分析,确定了薄弱环节。对齿轮接触组件采用非线性数值仿真和理论计算方法,进行接触强度与齿根弯曲强度对比分析计算,两种方法得出结果误差5%左右,吻合度较高。(2)介绍了ASS的总体架构,并对ASS驾驶装置两大复杂组件机架与换向传动机构分别进行约束与预应力模态分析,得出模态频率与振型,从而判断结构的抗振性能。对换向传动机构俯仰操纵工况进行谐响应分析,得出幅频特性曲线以及可能发生共振频率点(193.6Hz、292.8Hz)与实际幅值,并验证了193.6Hz点的应力、变形情况。结果表明,在该频率点处强度刚度均满足要求。(3)针对EMA行星架受载不均匀问题,对其进行了结构改进、多目标优化设计;基于CAD/CAE优化技术,采用中心复合试验设计、响应面法与多目标遗传算法相结合的方法进行了多目标尺寸优化,并运用灵敏度分析法得出其最优解。采用拓扑优化方法对ASS机架进行了轻量化设计,得到其最佳结构形状。优化结果显示,在保证静动态性能的前提下,行星架和机架质量分别减小10.53%和14.86%,达到较好的优化效果。(4)针对ASS驾驶装置受载的随机性,采用随机振动试验与数值仿真相结合的方法对其随机振动特性展开研究。进行仿真与试验结果对比分析,发现两者的均方根(Root Mean Square,RMS)值相对误差10%左右,小于实际允许的最大误差(15%),且功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)响应曲线一致性较好。验证了仿真分析的准确性与可行性。全面掌握了ASS驾驶装置整体随机振动响应特性。本文以有限元法为主要研究手段,数值仿真与试验研究相结合的研究路线,对某型飞机电传操纵系统末端和首端典型复杂子系统襟翼EMA和ASS的重要组件进行力学特性分析和结构优化。研究结果表明,在满足静动态性能的前提下,实现了EMA和ASS关键部件重量最轻和材料利用率最高的目标,且ASS驾驶装置随机振动仿真与试验结果较吻合。本文研究成果可为电传操纵系统的结构优化、疲劳可靠性分析提供借鉴。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V214

【参考文献】

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本文编号：2799351