轻型飞机纵向操纵系统参数化设计与仿真研究

黄国龙+张利国

摘要：据统计，全世界目前共有40万架轻型飞机。由于这种飞机具有轻便、安全、使用要求低、能在草地起降、易于操作、价格低廉等特点，在国内外被广泛用于私人飞行、公务飞行、商业运输等用途。文章通过对轻型飞机操纵系统的参数特征进行分析，以CATIA软件为基础，对其零部件进行参数化建模，Adams为系统仿真工具，建立操纵系统的常备零件库，实现产品的快速研发。

关键词：轻型飞机；纵向操纵系统；建模；参数化；仿真

中图分类号：V221 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）33-0033-03

随着现代飞机轻型化时代的来临，包括飞行空域的不断开放，越来越多的轻型、小型飞机进入人们的生活中。据统计，全世界目前共有40万架轻型飞机。由于这种飞机具有轻便、安全、使用要求低、能在草地起降、易于操作、价格低廉等特点，在国内外被广泛用于私人飞行、公务飞行、商业运输等用途。正因为轻型飞机的市场化需要，使得轻型飞机的设计更加多样化，也更加简单化。例如，一款新型、小型飞机的设计只是单纯为私人飞行提供，但是根据不同人员有其不同的设计要求，其设计原理上是大同小异，也许只是部分设计尺寸的改变，但是即使设计一款小型飞机，包括整机的设计、操纵系统的设计等工作，如果根据不同人员的不同设计要求来改变飞机的整体设计尺寸或者改变某一部分的设计尺寸，也要十分庞大的设计工作量。本文结合轻型飞机操纵系统中人员设计实际需求，虽然不像大飞机操纵系统那样操纵复杂，但是其最终目的是实现飞机俯仰和滚装的操纵。在实际操作中，空间运动复杂，其设计不可能一次甚至几次就能达到设计要求，要在不断反复尝试中得到最佳设计结果。因此在设计中实现零部件的参数化设计，掌握其参数化设计方法，建立自己的零部件常用设计库，将会进一步提高设计的

效率。

CATIA（Computer Aided Tri-Dimensional Integrated Analysis）软件是航空航天、汽车领域中市场占有率最高的CAD/CAM软件，在计算机辅助设计功能上有着一定的优势，CATIA用户可以根据实际设计工作中经常要用到的一些标准零部件和同构零件，实现标准件和同构件的参数化设计，建立用户自己的常用零件库，不仅可以减少设计时间，减少不必要的重复劳动，而且可以避免使用标准零件库时的其他问题。

1 零件参数化设计

在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。在计算机辅助设计系统中，不同型号的产品往往只是尺寸不同而结构相同，映射到几何模型中，就是几何信息不同而拓扑信息相同。飞机操纵系统设计是进行飞机设计的一个重要组成部分。由于在飞机设计阶段飞机的各项设计部分经常需要修改，因此如何快速地生成飞机操纵系统三维模型是一个必须解决的问题。CATIA V5软件环境下，可利用软件提供的相应功能函数编辑零件的参数表达式，即修改参数值，从而改变几何实体，实现零件参数化。在进行参数化设计的同时应注意零件坐标系的选择制定，提前制定方向信息，方便零件在常用零件库中的正确调用。

2 某轻型飞机纵向操纵系统主要零构件几何参数分析

2.1 手操纵机构

飞机操纵系统中手操纵机构的作用是驾驶人员通过前、后推拉杆实现飞机的升降舵操纵，从而实现飞机的俯仰飞行；通过驾驶人员的左、右压杆来实现飞机的副翼操纵，从而实现飞机的滚转飞行。通常情况下手操纵机构的结构形式主要有直杆式和弯杆式。直杆式手操纵机构主要的三个特征参数包括杆的直径、杆的长度、固定孔直径；弯杆式手操纵机构主要的四个特征参数包括杆的直径、杆的长度、弯杆的弯曲半径、固定孔直径。

2.2 传动机构

飞机操纵系统中的传动机构主要包括传动杆和推拉钢索，用来传递系统的运动。传动杆由两端套筒固定连接装置以及管材构成，通常情况下推拉钢索具体结构由软轴、套管、推拉杆接头总成、密封件等组成。传动杆的特征参数包括两端套筒固定装置的外径、内径、厚度以及套筒与钢索或者其他执行机构连接耳片半径、角度和厚度、孔直径等。另外，套筒底端固定，在此不用另行提取特征参数。推拉钢索的特征参数包括软轴钢索直径及长度、钢杆直径及长度、空行程等。

2.3 执行机构

飞机操纵系统中的执行机构包括摇臂等部件，用来执行传动机构对翼面等的操纵。其特征参数包括双摇臂提取的耳片孔径及厚度、摇臂半径和摇臂厚度。在执行机构中还包括其他结构形式，在这里不做阐述。

3 利用CATIA机械零件参数化设计模块对飞机操纵系统主要零件机构进行参数化设计

本文以传动机构的传动接头参数化设计建模为例。

打开CATIA零件设计界面，在工具中调出函数公式对话框，设定已知参数，并令其初值为：

外径R1=20mm

内径R2=15mm

臂长径R3=98mm

厚度h=10mm

中心夹角ANG1=170°

在建立零部件参数化以后，在零件库中调用需要零件，其设定初值可根据用户需要进行更改。

图1 初值设定对话框 图2 传动接头参数图解

根据传动接头图解所示，零件其他相关参数包括中心夹角ANG2、倒角半径r1、固定孔径r2、圆弧1、套管厚度h1等。

在CATIA中画出所示草图，标出ANG2、r1、r2、圆弧1，标注其尺寸，设定其函数关系：

ANG2=ANG1/1.2

圆弧1=ANG1/2.5

h1=3×h

r1=h/2，r2=h/5

图3 定义参数 图4 传动机构的传动接头

草图绘制结束后，进行厚度h、h1实体拉伸，得出所需零件图4。

在CATIA参数化设计模块中，设计其各个参数间的比例关系，使得实体建模数据简化，只要改变其初值，其他参数值也会相应变化。值得注意的是，进行参数化设计的零件在建立零件库时要对其设计表进行统一管理，方便零件调用。

4 零件的虚拟装配

零件的虚拟装配就是实体零件的模拟仿真过程，在CATIA中对用户所需零件进行了参数化设计之后，在装配设计模块中实现虚拟装配。在各零件装配前，对用户界面进行环境设置，目的是使各个零部件之间实现关联设计，在工具的选项功能中，进行关联设计设置，如图5所示。在进行多零件关联设计时会使用多个公共参数，这样以后在用户改变设计初值时，系统会根据零件之间的关联关系，进行自动或手动更新。减少零件之间的反复更改，提高工作效率。

图5 关联设计设置对话框

基于以上CATIA零件参数化设计以及装配功能，某轻型飞机操纵系统纵向操纵机构装配如图6和图7：

图6 操纵系统实际模型图 图7 连接接头

5 操纵机构的运动仿真

在CATIA中零件参数化建模后，采用机械多体系统动力学仿真专业软件ADAMS。该软件是以研究复杂系统的运动学和动力学关系为目标，以计算系统动力学为理论基础结合产品建模进行仿真计算，得到各种实验数据，帮助发现并解决问题。

将上述CATIA建模产品导入Adams中，选择参考坐标系，固定产品，对其进行仿真实验，时间定义为4s，步长为100，驱动函数为：

STEP（time，2，0d，2.5，30d）+

STEP（time，2.501，0.0d，3.0，-30.0d）+

STEP（time，3.01，0.0d，3.5，-30.0d）+

STEP（time，3.501，0.0d，4.0，30.0d）

这里的驱动函数用户可以根据设计要求自行定义，仿真曲线如图8和图9所示：

图8 操纵杆位置与时间关系曲线

图9 操纵杆角速度与时间关系曲线

飞机操纵系统的仿真运动分析可以得到操纵杆行程曲线、施加力曲线以及其他操纵曲线，仿真过程是实现其产品设计阶段的性能测试，从而保证生产出来的产品最低可能地满足设计目标要求，它不仅可以节省开发费用，还能最大限度地缩短开发周期，从而提升开发效率，是产品设计的一种有效手段。

6 结语

轻型飞机操纵系统的设计相对大飞机操纵系统的设计来说较简单，操纵过程不复杂，设计过程进行参数化相对简单，掌握了一些对轻型飞机操纵系统进行参数化设计的方法，在产品参数化建模后进行模拟仿真，能够得出各操纵部件的性能曲线，根据需要进行参数最优化，能够实现产品的快速研发。

参考文献

[1] 焦振双，许锋.飞机操纵系统传动机构参数化设计研究[J].江苏航空，2010，（1）.

[2] 李海滨，杨义虎，朱姗姗，邱元庆.以CATIA为平台的起落架零件参数化建模技术研究[J].现代制造工程，2009，（7）.

[3] 张学文.CATIA机械零件参数化设计[M].北京：机械工业出版社，2013.

[4] 丁仁亮.CATIA V5中按装配关系的关联设计[J].电大理工，2013，3（1）.

[5] 陈志伟，董月亮.多体动力学仿真基础与实例解析[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

作者简介：黄国龙（1987-），男，辽宁锦州人，沈阳航空航天大学航空宇航学部研究生，研究方向：飞行器设计；张利国（1972-），男，黑龙江齐齐哈尔人，供职于沈阳航空航天大学辽宁通用航空研究院，博士，研究方向：飞行器制造工程。

在CATIA参数化设计模块中，设计其各个参数间的比例关系，使得实体建模数据简化，只要改变其初值，其他参数值也会相应变化。值得注意的是，进行参数化设计的零件在建立零件库时要对其设计表进行统一管理，方便零件调用。

4 零件的虚拟装配

零件的虚拟装配就是实体零件的模拟仿真过程，在CATIA中对用户所需零件进行了参数化设计之后，在装配设计模块中实现虚拟装配。在各零件装配前，对用户界面进行环境设置，目的是使各个零部件之间实现关联设计，在工具的选项功能中，进行关联设计设置，如图5所示。在进行多零件关联设计时会使用多个公共参数，这样以后在用户改变设计初值时，系统会根据零件之间的关联关系，进行自动或手动更新。减少零件之间的反复更改，提高工作效率。

图5 关联设计设置对话框

基于以上CATIA零件参数化设计以及装配功能，某轻型飞机操纵系统纵向操纵机构装配如图6和图7：

图6 操纵系统实际模型图 图7 连接接头

5 操纵机构的运动仿真

在CATIA中零件参数化建模后，采用机械多体系统动力学仿真专业软件ADAMS。该软件是以研究复杂系统的运动学和动力学关系为目标，以计算系统动力学为理论基础结合产品建模进行仿真计算，得到各种实验数据，帮助发现并解决问题。

将上述CATIA建模产品导入Adams中，选择参考坐标系，固定产品，对其进行仿真实验，时间定义为4s，步长为100，驱动函数为：

STEP（time，2，0d，2.5，30d）+

STEP（time，2.501，0.0d，3.0，-30.0d）+

STEP（time，3.01，0.0d，3.5，-30.0d）+

STEP（time，3.501，0.0d，4.0，30.0d）

这里的驱动函数用户可以根据设计要求自行定义，仿真曲线如图8和图9所示：

图8 操纵杆位置与时间关系曲线

图9 操纵杆角速度与时间关系曲线

飞机操纵系统的仿真运动分析可以得到操纵杆行程曲线、施加力曲线以及其他操纵曲线，仿真过程是实现其产品设计阶段的性能测试，从而保证生产出来的产品最低可能地满足设计目标要求，它不仅可以节省开发费用，还能最大限度地缩短开发周期，从而提升开发效率，是产品设计的一种有效手段。

6 结语

轻型飞机操纵系统的设计相对大飞机操纵系统的设计来说较简单，操纵过程不复杂，设计过程进行参数化相对简单，掌握了一些对轻型飞机操纵系统进行参数化设计的方法，在产品参数化建模后进行模拟仿真，能够得出各操纵部件的性能曲线，根据需要进行参数最优化，能够实现产品的快速研发。

参考文献

[1] 焦振双，许锋.飞机操纵系统传动机构参数化设计研究[J].江苏航空，2010，（1）.

[2] 李海滨，杨义虎，朱姗姗，邱元庆.以CATIA为平台的起落架零件参数化建模技术研究[J].现代制造工程，2009，（7）.

[3] 张学文.CATIA机械零件参数化设计[M].北京：机械工业出版社，2013.

[4] 丁仁亮.CATIA V5中按装配关系的关联设计[J].电大理工，2013，3（1）.

[5] 陈志伟，董月亮.多体动力学仿真基础与实例解析[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

作者简介：黄国龙（1987-），男，辽宁锦州人，沈阳航空航天大学航空宇航学部研究生，研究方向：飞行器设计；张利国（1972-），男，黑龙江齐齐哈尔人，供职于沈阳航空航天大学辽宁通用航空研究院，博士，研究方向：飞行器制造工程。

在CATIA参数化设计模块中，设计其各个参数间的比例关系，使得实体建模数据简化，只要改变其初值，其他参数值也会相应变化。值得注意的是，进行参数化设计的零件在建立零件库时要对其设计表进行统一管理，方便零件调用。

4 零件的虚拟装配

零件的虚拟装配就是实体零件的模拟仿真过程，在CATIA中对用户所需零件进行了参数化设计之后，在装配设计模块中实现虚拟装配。在各零件装配前，对用户界面进行环境设置，目的是使各个零部件之间实现关联设计，在工具的选项功能中，进行关联设计设置，如图5所示。在进行多零件关联设计时会使用多个公共参数，这样以后在用户改变设计初值时，系统会根据零件之间的关联关系，进行自动或手动更新。减少零件之间的反复更改，提高工作效率。

图5 关联设计设置对话框

基于以上CATIA零件参数化设计以及装配功能，某轻型飞机操纵系统纵向操纵机构装配如图6和图7：

图6 操纵系统实际模型图 图7 连接接头

5 操纵机构的运动仿真

在CATIA中零件参数化建模后，采用机械多体系统动力学仿真专业软件ADAMS。该软件是以研究复杂系统的运动学和动力学关系为目标，以计算系统动力学为理论基础结合产品建模进行仿真计算，得到各种实验数据，帮助发现并解决问题。

将上述CATIA建模产品导入Adams中，选择参考坐标系，固定产品，对其进行仿真实验，时间定义为4s，步长为100，驱动函数为：

STEP（time，2，0d，2.5，30d）+

STEP（time，2.501，0.0d，3.0，-30.0d）+

STEP（time，3.01，0.0d，3.5，-30.0d）+

STEP（time，3.501，0.0d，4.0，30.0d）

这里的驱动函数用户可以根据设计要求自行定义，仿真曲线如图8和图9所示：

图8 操纵杆位置与时间关系曲线

图9 操纵杆角速度与时间关系曲线

飞机操纵系统的仿真运动分析可以得到操纵杆行程曲线、施加力曲线以及其他操纵曲线，仿真过程是实现其产品设计阶段的性能测试，从而保证生产出来的产品最低可能地满足设计目标要求，它不仅可以节省开发费用，还能最大限度地缩短开发周期，从而提升开发效率，是产品设计的一种有效手段。

6 结语

轻型飞机操纵系统的设计相对大飞机操纵系统的设计来说较简单，操纵过程不复杂，设计过程进行参数化相对简单，掌握了一些对轻型飞机操纵系统进行参数化设计的方法，在产品参数化建模后进行模拟仿真，能够得出各操纵部件的性能曲线，根据需要进行参数最优化，能够实现产品的快速研发。

参考文献

[1] 焦振双，许锋.飞机操纵系统传动机构参数化设计研究[J].江苏航空，2010，（1）.

[2] 李海滨，杨义虎，朱姗姗，邱元庆.以CATIA为平台的起落架零件参数化建模技术研究[J].现代制造工程，2009，（7）.

[3] 张学文.CATIA机械零件参数化设计[M].北京：机械工业出版社，2013.

[4] 丁仁亮.CATIA V5中按装配关系的关联设计[J].电大理工，2013，3（1）.

[5] 陈志伟，董月亮.多体动力学仿真基础与实例解析[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

作者简介：黄国龙（1987-），男，辽宁锦州人，沈阳航空航天大学航空宇航学部研究生，研究方向：飞行器设计；张利国（1972-），男，黑龙江齐齐哈尔人，供职于沈阳航空航天大学辽宁通用航空研究院，博士，研究方向：飞行器制造工程。