CATIA在飞机操纵系统载荷计算中的应用

弓朋岗

中航飞机研发中心强度所

CATIA在飞机操纵系统载荷计算中的应用

弓朋岗

中航飞机研发中心强度所

飞机操纵系统载荷的计算繁琐而且复杂，本文主要介绍了CATIA在飞机操纵系统载荷计算中可视化方面的应用

载荷；CATIA；操纵系统

1 概述

飞机三大主操纵系统即方向舵、升降舵、副翼操纵系统一般均为硬式（拉杆、助力器）构成。飞机主操纵系统载荷计算、操纵系统疲劳载荷计算是静强度校核、疲劳寿命分析工作的基础，载荷计算结果的正确性直接影响到飞机的安全和使用寿命。为此，可借用CATIA实现飞机操纵系统载荷计算过程中的可视化。

2 理论原理

节点（支座）载荷的平衡，本质是力矩的平衡。为了计算简单明了，同时也为了使本方法适应操纵系统的所有零部件，我们选取了最基本，最少元件组成的结构形式，见图1。

图1 典型摇臂、拉杆操纵系统

根据力学知识可知，力矩平衡：

F输入×L1×cosα=F输出×L2×cosβ

其中α、β分别为摇臂与Y轴的夹角

L1、L2分别为输入摇臂与输出摇臂的长度

输入力臂有效长度L1×cosα

输出力臂有效长度L2×cosβ

在实际工程计算中，摇臂L1和L2都是固定不变且已知长度，只需求出输入夹角α和输出夹角β即可求出输出载荷。本文将介绍如何在CATIA中求夹角α和夹角β。

3 关于角度的求解

为了能更清晰的说明问题，将在CATIA中建立比较简单明了的摇臂、拉杆、支座操纵系统模型来进行说明，绝对轴参考前文图1。

支座1摇臂长L=30 mm,与Y轴夹角10°；

支座2随动输入摇臂长L=40 mm,随动输出摇臂长L=30 mm，与Y轴夹角10°；

支座3三角摇臂，输入摇臂长L=30 mm,与Y轴夹角-5°；

输出摇臂长L=30 mm,与X轴夹角5°。

假设输入摇臂传来的载荷对拉杆来说为拉力，输出摇臂与Y轴的角度将逐渐变化（假设输入摇臂与Y轴的极限夹角为30°）。操纵系统变化见图2～4所示。

4 模型的相关说明

（1）在CATIA中约束摇臂长度时，应取摇臂在支座上约束点到力的作用点的距离；

图3 变化10°后

图4 变化20°后

（2）在CATIA绘图平面内模拟支座时，应将摇臂与支座连接的端点固定约束，可以保证摇臂的旋转自由；

（3）在CATIA中模拟三角摇臂时，应模拟出三角摇臂中的内角；

（4）在CATIA中模拟随动摇臂时，可模拟为两根长短不同的摇臂（该长度为摇臂上力的作用点到摇臂约束点的距离），其夹角模拟为0°；

（5）在操纵系统的平面坐标系中，摇臂可能与某个坐标轴有一定的初始夹角（例如图2中，在YX平面内，摇臂与Y轴初始夹角就为10°），此夹角应模拟出来（可不标注具体值）。

（6）连接两摇臂的拉杆应约束长度；

（7）飞机操纵系统可能由N个摇臂、拉杆、支座从机头至机尾连接起来，在建立CATIA模型时，按前5条一一模拟，即可根据相关输入摇臂α值直接求出其他输出摇臂的β值，进而计算出各摇臂的载荷；

（8）由于CATIA中不能自动显示出随输入摇臂α值变化而引起输出输出β的变化，因此在计算某个摇臂的载荷时，需要人工测量β。

5 结束语

在CATIA中用此方法可以很直观的看出整个操纵系统的前后变化，而且能精确的测量出随输入摇臂角度α变化而变化的输出摇臂的任何β值，选取一个包络值来计算最严重工况下的操纵系统静强度，既提高了工作效率，又提高了精度。