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折叠变体飞行器风洞试验模型设计与可靠性分析

发布时间:

机械传动 
文章 编 号 :04—23 {09 0 10 59 20 )6—08 02—0  4

20 正  09

折 叠 变 体 飞行 器 风 洞 试 验模 型设 计 与 可 靠 性 分 析 
( 航空工业空 力研究院, 黑 中国 气动 龙江 哈尔滨 101 李  强  李周 复  刘铁 中  50) 0  
摘要 特种 高速 风洞 试验模 型设计 一直是 风洞 试验领 域 的难点 问题 。针对 某 变体 飞行 器 高速 风洞 

试验任务提 出的运动 性能 指标 , 计 开发 了可控 的折 叠变体试 验模 型 , 其设计 方案及 工作 原理进 行 了 设 对  

阐述, 并对传动机构进行 了优化设计 , 而后对传动机构进行 了可靠性分析与计算。结果表明该试验模型 
能够对机 翼折 叠 变体 角度进 行连 续 、 定和精 确控 制 , 稳 完全达 到 了设 计要 求的各 项指标 。   关键 词  变体 飞行 器 折叠 风 洞模 型  可靠性 

0 引 言 
任何飞行 器在初 期 的研制 阶段都 必须进 行风 洞试  验 , 风洞试 验所需 的一 定 比例 飞 行器 模 型 是 必不 可  而
少 的。在航 空 、 天等领 域 中 , 航 风洞试 验模 型是进 行实  物仿 真 的关键 硬件 设 备 , 飞行 器 的 风洞 实 验 研 制过  在

部 分应始 终保持 与机 身水 *面* 行 。要求在 折叠过 程  中, 机翼 能够 随时按 要求停 止在 某一折 叠角 度 ; 折叠 角 
速 度可根 据需要 在 一定 范 围 内改变 , 且 折 叠过 程 可  并

控 。为 实现上 述过 程 , 套机构 分为 两个部 分 : 整 主动机 
构 和从 动机构 。   机 翼 的折 叠原 理如 图 1 所示 。模 型在 风洞试 验过 

程中起着极为重要 的作用。仿真测试 的模型可以模拟 
飞行 器在 空间实 际飞 行 时 的各 种 姿 态 , 复现 其 运 行 时 
的运 动学 和动力 学 特征 , 获得 重 要 的实 验 数 据 。模 型  性 能的优 劣直接 关系到 仿真 和测试 实验 的可靠 性 和置 

程中内翼和外翼均绕各 自的折叠转轴进行旋转 , 1 图 a  
为机翼 完全展 开状 态下折 叠转 轴 的*面位 置 , 1 为  图 b 折叠完 成后 最终折 叠转 轴 的* 面位 置 , l 为折 叠原  图 c 理 的前 视 图 , 包括 机翼 完 全 展 开状 态 和 折叠 完 成最 终 
状态 

信度 , 是保 证航 空 、 天型号 产品 和新型 飞行器 研发 的  航
基 础[l 1  。

对于 常规风洞 试 验 模 型而 言 , 自身各 零 件 之 间  其 是 一个相 对 固定 的状 态 , 不需设 置传 动机构 , 并 不需 考  虑模型 自身运 动 的定 位 、 制 以及 风 洞 试 验过 程 中 自 控  
身运动带 来 的相 关 问题 。而对 于某 些 特种 模 型 , 风  在 洞试验 过程 中 , 自身各 零 件 之 问是 一 个 相对 运 动 的  其

状态 , 因而在模 型 内部必须 设置 传动机 构 。再 者 , 对于 
高速风 洞试验 模型 而言 , 气 动 载荷 相 对 于低 速 成 倍  其

增长 , 型 的可 靠 性设 计 又 凸显 出来 。如 在 风洞 试 验  模
过程 中 , 型 自身 运 动 出现 问题 , 者试 验 数 据 不 可  模 轻 用 , 个研制 过程前 功尽弃 , 整 重者 还可 能对 风洞带 来破 
坏性影 响 。  

我们根据某变体飞行器高速风洞试验研究任务的  
要求 , 设计 了能够 在风洞 中可控 的 、 实时变 体 的飞行器  特种模 型 , 以测量 飞行器 变体过 程 中的气 动力 , 对该  并 模 型的传 动机构进 行 了可靠度 分析 与计算 。   翼 绕着 内翼 折叠转 轴进行 旋  转 , 现 直 线 运 动 到 旋 转 运 图2 偷  柄} 实 曲   意   图

1 设 计 方 案 与原 理 
风洞试验 模型 的变体 方 案 为 机翼 折 叠 变形 , 内翼  部分 能够绕 纵 向铰链 轴按 一 定 的角 速度 旋 转 , 外翼  而

动 的转 变 , 达到该 主 动 机构 的设 计 目的。 为 了使 主动  机构 的传动 性能 达到最 佳 , 用如下 的分 析计算 方法 。 采   众 所周 知 , 构 中传 动 角 的 大小 是衡 量 其 传 动性  机

第3 3卷

第6 期 

折叠变体 飞行器风洞试验模型设计 与可靠性 分析 

8  3

能的主要参数之一。在传统的设计 中, 一般是预先给  定最小传动角的许用值 , 以此为依据设计机构 中各  并
构件 的长 度 , 由于最小 传 动角 多数 为经验 值 , 因而 其传  动 陛能并非 最佳 。在 本 次 设 计 中 , 讨 了最 小传 动 角  探 具有 最大 值时 ( 即机 构 的传动性 能最 佳 时 ) 心 曲柄滑  偏 块机 构 中各构件 长 度 的关 系式 , 以此 来 计 算 主 动机  并 构各 构件 的长度 。   偏心 曲柄 滑 块 机 构如 图 2所 示 , 曲柄 A  长 为 a  、
连杆 B C长 为 b 滑 块 行 程 C C 长 为 日、 心距 为 e  、 13 偏 、

/ Rc 2 )   4 2 S   一b o(
— — —  

0  


J ]    b


口 

() 8
\u /  

c0 

式 () 为机构 的最 小传 动 角 ri 有 最 大值 时 ( 8即 m具 n 即机  构 的传 动性 能 最佳 时 ) 构件 长度 a b与 偏 心 距 e之  , 、
间的关 系式 。  

折叠 变体 飞行 器 模 型 的 折 叠 角度 是 一 定 值 ( 即传 
动机 构 的极位 夹 角 已知 ) 驱 动 电缸 的行 程 固定 ( , 即滑 

块 行程 已知 )在 此条 件下 , , 由式 () 1得机构 的行 程 速 比 
系数 K, 由式 ( ) 2 得  , 由式 ( ) 式 ( ) 式 ( ) a b  3、 4 、 8得 、 、

极位 夹角 为  、 程速 比系 数为  , 0与行程 速 比系  行 角
数 K 的关 系 为 
㈦ 8 ×     () 1 

e r 此时折叠变体 主动机构 的传动性 能最佳。将  、  
已知数 据代 入 , 出 : 得 曲柄 长 度 2 r 连杆 长度 8 m   0 m, a 0 m,
偏 心距 8 m。 m   () 2  1 2 从 动机构 设 计  .

由图 2可得 出机构 的综合 方程 式 
R:  

该 方 案 的从 动 机构 ( 即执行 环 节 ) 亦 采用 *行 四边 

口 2c : 。 s罢 s i    n b 2s c昙 :Rn 。   i   s
e ( 一 i 0 詈) : b 口s ( +   n
式 中, 口为直 线 A D与 D 1 间 的夹角 。 C之  

(  3 ) (  4 )

形 机构 。通过 主动 机构 带 动 内翼 绕 着 内合 页转 轴 ( 亦  即从 动机 构 的主动 转轴 ) 进行 旋转 , 而驱 动* 行 四边  从

形机构进行*行与旋转的耦合运动 , 在整个运动过程 
折叠 与展 开 以及飞 行 器 展 弦 比的 变化 , 到变 形 飞行  达 器折 叠方 案 的设计 要求 。  
变形 飞行器 风 洞 试 验模 型 的方 案 、 理 与 结 构 如  原 前 所述 , 传力 方 式 如下 : 动 缸 推动 内翼 进 行 旋转 , 其 电  

外 继 () 中 , 翼 弦* 面始 终保 持* 行 , 而实 现 内翼和 外翼 的  5  

当滑 块 处 于 C 2位 置 时 , 构 具 有 最 小 传 动 角  机
mi ,  

且 

CSm :  —  Ori=—  ̄    n

() 6 

将 驱 动力 转变 为对 内翼 转 轴 的 驱 动转 矩 , 电动 缸 只 与 

显 而易 见 , 当改 变 曲柄 长度 a 连杆 长度 b以及偏  、 心距 e时 , 都将 改变 最 小 传 动角 ri m 的值 和 影 响机 构  n 的传 动性 能 。   将式 ( )式 ()式 ( ) 3 、 4 、 5代入 式式 () 整理 得 到  6并

机身相连 , 与机身垫块、 转盘及 风洞洞壁均不接触 ,   以 避免其输 出力传递 到天*上 ; 气动力作用于机身及机 
翼 上 , 终传 递 到天* 上 ; 最 天* 承受 的作 用力包 括气 动 
力、 主动 机构 重力 、 动机 构重 力 、 翼 与机 身的重 力 , 从 机  

  。 n ——■ ——— ( 块 和转盘 的作 用力 。 。   ——   —一  7   — 荨  , )  
咖 一   mi
“ —   ∞   。  

e 。 i  [ c(+) s n   导+ 。 。 。] 础一      

天* 与机 身垫 块 、 转盘 均不 接触 , 以并 不承受 机 身垫  所

下面讨 论在 给定 行 程 速 比系 数 K( 即极 位 夹 角 0  

2 可 靠 性 分 析 与 计 算 
机构 运 动可靠 性 是指 机 构 在 规 定 的使 用 条 件 下 ,   在 规定 的使 用 时间 内 , 确 、 时 、 调 地 完 成 规定 机  精 及 协 械 动作 的能力 , 用概 率表 示就 是机 构运 动可 靠 度 _ 3。 2 ]  - 与 一般 可 靠度定 义 略有差 别 的是 强调 了精确 、 时 、 及 协 

为 常数 ) 和滑块 行程 日条 件下 , 最小 传 动角 ri 有 最  m具 n 大值 时 , 件长 度 a b和偏 心 距 e之 间 的关 系式 。将  构 、 式 ( ) a求 导 , 7对 并令其 值 为零 , 则 

[ 詈n  ns i   n+ o s = ( 训c i     sn 詈  0   c c {导c    c 一 0 。 s  ( ) o    c 0 iL T + s   n s    s l o     T
c。s  

调, 即强调 了机构动作在几何空间中运动的精确度 , 在 
时间域 内的精确 性 以及构 件 间 的协 调性 、 同步性 , 区  它 别 于使 用期 的 时间条 件 [  。利 用机 械 系统动 力学 分析  软件 A A D MS作 为可 靠性分 析 的* 台 , 行机 翼折 叠变  进

CS0+a ] O( )}   经 整理 , 结合 式 ()式 ()式 ()得 到  并 3 、 4 、 5,

a=22 号 臼s  b Ri + 硒no0   s0 n c  
n 

一  

体机构的变参数设 计 , 建立机构 的仿真模型进行仿真  分析 , 并应用蒙特卡罗法进行计算 。从几何尺寸误差、  

机 械 传 动 

2O O9正 

运动副间隙误差出发分析评价机翼折叠变体机构运动 
可靠 性 , 而在设计 阶段 就定 量 的 评估 了变 体 特种 模  从
型 的动态质量 。   2 1 计算模 型  .

E A ) ( r ,   ( , = △ )代入式( )有  ( R =E A )即 △,  ( r , ) 1 , 4
(   =E + R △ ) 1  [  一
。  。
e  i a sn


一  R 

c。sa

— 

csa      。 ]△ + 2 。
【   (5   5) 1

+e ia+ R    Rs n  2
+   “   。+

。 2  r csa △  ∞ o j 1

根据 图 2得 滑块 的位 移 Y为  ,

式 (5 就是考 虑尺 寸误 差时 的机构位 移误 差 的均值 计  1)

Y   + - O t 了s a    s ] =r1   CS 一 e i 一 r 。 a  E   O  n c2

() 9 

算公式 。由于公 式 繁琐 而 方 法类 似 , 面 只根 据 位 移  下

在该 主动机 构 的铰 链 式运 动 副 中 , 轴在 套 孔 中  销
运动 , 销轴 的中心在误 差 圆范 围 内随机 分布 , 图 3所  如 示 , 有效长 度 R与 实际杆 长 r 则 有这样 的关 系 

可靠度的概率模型 , 求出位移 的可靠度 , 而速度、 加速 
度 的计 算方 法 与之相 同 , 此不作 赘述 。 在  
2 2 可 靠度计 算模 型  .


般认 为尺 寸误 差 、 动 副 间 隙误 差 服从 正 态 分  运

R= ( +  +y  √ r  ) 2

(0  1)

布, 正态 分布 的叠加 仍服从 正态 分布 , 以位 移误差 服  所
从 正态 分布 。设 G( )   一3 f , Y = y >0 即实 际误 差  i   小 于极 限误差 , 可靠度 为 [  则   ]
R= (      ) 其 中  (6  1)

式中, Y为销轴中心的局域坐标。局域坐标以 P为圆  ,  
心, 以 O   P方 向为正方向。并在此基础上得出结论  E( =E( )    ) Y =0
2 d = 2  !     
:  

( 1  1)
 

y : =

—  

—  



(2  1)

p / -/   1 1 o  

式 中 , ( 、 Y 、   分 别 为销 轴 中心 局 域 坐 标  E ) E( ) 2  、


(7  1)

口  + 盯  

Y的 均 值 和 方 差;  



为 径 向 间 隙误 差 的 方 差 ;  

式 中, 、0  0  为允许 的极 限位 移误差 均值 和标准 差 ; 、    
是 以上所 求 的位移特 征值 。   根 据误差 的表 达式 
A i  一Y y =Y   (8  1)

E( )   是径 向间隙误 差 的均值 。  

通 过对仿 真结 果 的计 算可 得到输 出运 动 ( 移 、 位 速 

度 和加 速度 ) 的分 布参数 
1  


n 

÷  

() 1  9

D 

2 高   = ( )    一  
图 3 有 效 连接 模 型 

() 2 0  

式 中 , 为仿 真次数 ; y 是第 i i A  次输 出运动误 差 ; 是  Y 理 想值 ;  Y是第 次仿 真 的仿真 测量 值 ; 是仿 真结 果    的均值 ; 是 仿 真 结 果 的 方 差 。再 根 据 式 (6 和 式    1) (7 , 1)进行 可靠度 计算 。  
2 3 运动 可靠 性仿真  .

根据上述 理论 及 其 结论 , 虑 偏 心 曲柄 滑 块 机构  考 的铰链 式运 动副存 在 径 向 间隙 , 导 出对 运 动 输 出参  推
数 的误差 所 产 生 的 影 响 。设 曲 柄 和 连 杆 长 度 分 别 为 

r, 2曲柄 与连杆 之间铰 链径 向间 隙为 R 连杆 与滑  c


通过 以上运 动 分析 可 以看 出 , 解析 计 算 过 程相 当  复杂 。利 用 机 械 系统 动 力 学 分 析 软 件— —A A D Ms作 



块之 间 的铰链 径 向间 隙为 尺   已知 r,2 R 尺 c, 1 r, c  的 




为机构 运动可 靠性 分 析 的* 台 , 行 机构 的变参 数 设  进 计, 从而 建立机 构 的仿真模 型进 行仿 真分析 , 并应用 蒙  特卡洛 法进行计 算 。   A A SVe D M /i w提供 了 4种 参 数 化 方 法 , 们 应 用  我
参 数化 点 的坐标 和使 用 设 计 变 量 2种 方 法 。其 中 , 应 

均值和方差 , 利用有效长度理论 , 建立输出位移误差与 
径 向间隙之 间 的关 系 。在 式 () 9 中用有 效长 度 R、 L代  替实 际长度 rz则  、,
Y=R[ + R 1  均值 为  ( ) l      =E + R


e s a i n


一  R 

c。sa — 

cs ] o2  

( 3  1)

用参数 化点 的坐标 , 自动 地 修 改与 参 数 点有 关 联 的设  计对 象 , 曲柄 和连 杆 的 长度 。为 了能 够 在运 动 可靠  如
e  

c。sa — 

s 一 ca   i  ̄o ] n s + a 2
(4  1)

性仿 真模块 中使 连杆 轴 孔 的半 径 可 以参 数 化 , 过 多  经 次尝试 , 现可 以在 A A / i 发 D MSVe w中建 立连 杆 , 在 连  并 杆 的端部 采用挖 孔 的手 段 , 过 使用 设 计 变量 来 参 数  通
化孔 的半径 。而 柱 销可 以使 用 圆柱 代 替 , 半径 也 可  其

[  一

+e ia+ R    Rs n  2 +   嘶2] csa  o J

由式 (0 和 式 ( 1 得 到  ( )=E( ) 所 以 有  1) 1)   r,

第3 3卷

第6 期 

折叠变体飞行器风洞试验模 型设计 与可靠性分析 

以通 过设计 变量 参数 化 。在轴 孔 和柱销 之 间施加 * 面  副进 行约束 , 以保证 不偏 离 回转* 面 ; 且在 轴孔 和 柱  并 销之 间施加 接触 力 , 拟 实 际碰 撞 作 用 效果 。模 型 建  模 好之 后 , 用 已建立 机构 运动 可靠 度 的仿 真模 块 , 利 执行  循环 仿真 , 具体 参见 图 4的 机构 运 动 可 靠 性 仿 真 模块 
流程 图。  

3 结 论 
我 们针 对某 变体 飞行 器 高速 风洞试 验任 务提 出的  运 动性 能指 标 , 计 开发 了试 验模 型折 叠变体 机 构 , 设 通  过 对设计 方 案及 工作 原理 的 阐述 , 明该 机 构 操作 简  表
便, 能够 对 飞行 器模 型机 翼折 叠 角度进 行连 续 、 定控  稳

从动 机构 的可靠 性 分 
析 和 计 算 与 主 动 机 构 类  似, 由于篇 幅所 限 , 在此 不 

UG建 模并 装 配 , 出 导  

制 , 风洞 实验 中能 够 准 确 模 拟试 验 模 型 所 需 的各 种  在
运 动姿 态 ; 从几 何尺 寸误 差 、 运动 副 间隙误 差 出发 分析 

导 入 AD AMS参 数 化  . 模型 , 加约 束 和运 动  施

评 价 了机翼 折 叠变 体 机 构运 动 可 靠 性 , 而 在 设计 阶  从 段 就定 量 的评估 了变体 特种模 型 的动 态质 量 。  

作具 体 阐述 。我们 对 主动 
机 构和从 动机 构分 别进 行 
蒙特 卡 罗 法参 数 化模 型 

了 10次 仿 真 。对 于主 动  0 机 构 , 曲柄 和 连 杆 的 尺  当
寸 精 度 为 16~兀 而 轴  T 7, 孔 和 销 轴 的 尺 寸 配 合 为  H /6时 , 移 可 靠 度 为  7f 位

参 
建 立 测量 对 象 

考 

文 

献 

[ ] 刘政崇 .风洞结构设计 [ . 1 M] 北京 : 中国宇航出版社 ,04 l 9  20 : —l .
仿真 , 保存 测 量 结果 

[ ] 张义 民, 2 黄贤振 , 张旭方 , .不完全 概率信息 牛头刨床 机构运动  等 精度 的可靠性优化设 计 [] J .中国机械工 程 ,0 8 1 (9 :3 5— 20 ,9 1 )25  
25   3 8.

0 96 , 度 可 靠 度 为  . 71 速 0 86 , 速 度 可 靠 度 为  。49加
0 7 8 ; 于从 动 机 构 , .8 9 对 当 

统计 结 果 ,计 算可 靠 度 

[ ] 杨 明顺 , 3 李鹏 阳, 李言 , .考虑不 同类型可靠性 一成本 函数下的  等 可靠性优化设计 [] J .中国机械工程 ,08 1 (2 :32 3 5  20 ,7 2 )24 —24 .

图 4 仿真模块流程图 

[ ] 孙 志礼 , 良玉 . 4 陈 实用机械可靠性设计理论与方法[ . 京: M] 北 科 
学 出版 社 ,03 23  20 :1 .

各 连杆 的尺 寸精 度 为 I6~Ⅱ 而 轴 孔 和销 轴 的尺 寸  T 7,

[ ] 纪玉杰 , 5 孙志 礼 , 良巧 .曲柄 滑块 机构运 动可靠性 的仿真 [ ] 李 J.  
兵 工 学 报 ,062 () l6—10  20 ,7 1 :1 2.

配合为 H / 时 , 7f 6 位移可靠度为 093 , .11速度可靠度为  08 1, . 2加速度可靠度 为 0 70 。从 以上计算结果可  7 . 9 0 以看 出 , 整套 折叠 变 体 飞行 器 模 型 的 可 靠 度还 是 比较 
高的, 能够满 足设 计指 标对 风洞 试验 安全 性 的要求 。  

收稿 日期 :0952 20 00  基 金项 目: 总装 备部预研基 金(  7 3  H 0)
作 者 简介 : 强 (99一 ) 男 , 李 17 , 黑龙 江 哈 尔 滨 人 , 士 , 程 师  硕 工

( 上接 第 7 7页 )  
[ ] 夏宏玉 , 2 尚建 忠 . 仪器仪 表零件结 构设计 [ . 沙 : M] 长 国防科技大 

3 结 论 
我们 以提高 压力 仪 表 的压 力 显示 精 度 为 目的 , 针  对压 力仪 表 的传 动原 理及 结构 上存 在 的非线 性 问题 进  行 了分析 , 建立 了以提 高 传 动精 度 为 目标 的优 化设 计  模型 , 用 M TA 5 0语 言编 制 了优 化 计 算 程 序 , 并 A IB . _ 求  出了 曲柄 连杆 二杆组 对 弹簧 管 的非线性 位 * 行非 线  性补偿 时 的最优 结 构参 数 , 过 对 压 力 表 传 动 机构 的  通 优化 设计 , 可有 效 的克 服 弹 簧管 的非 线 性 特 性 所造 成  的显 示误 差 , 提 高压 力 表 精 度 的重 要 措施 。 同时 利  是 用该 程序 分析 了夹 角对 传 动机 构 精 度 的 影 响程 度 , 为  合理 地制 定传 动机 构 的结构参 数 和提 高仪 表 的生产 工  艺水 *提 供 了依据 。  

学 出版 社 ,00 8 20 :5—8 . 6 

[] 吴振亭 . 3 基于有 限单元法 的 C型弹簧管 压力表 的优化设计 [ . D]  
西安 : 西安 交 通大 学 ,044 20 :0—4 . 2 

[] 姜琪 .机 械运 动方 案及 机构 设计 [ .北 京 : 4 M] 高等 教育 出版社 ,  
1 9l l 7一 l 9. 9 :l 1  

[] 常勇 . 5 具有最佳传 动角 的* 面 曲柄 滑块机构 的解析解 法 [] 机  J.
械 科 学 与 技术 ,02 6 :5   20 ()97.

[] 曹惟庆 . 6 连杆 机构 的分析 与综 合 [ .北京 : M] 科学 出版 社 ,1 1  20 : 3
1 3— 1 4. 6 6  

[] 周 煦 , 7 王德 民 . 数值计算方法及程 序设计 [ .西安 : M] 西安交通大 
学 出 版 社 ,95 23—24  18 :2 2.

[] 郑镇河 . 8 弹簧管式压力表误差分析 [] 电子仪器仪表用户 ,0 , J. 20   0
1 3 : —3 . ( )3 4 5 

收稿 日期 :0 829 20 11 
参  考  文  献 

作者简介 : 吴振亭 ( 6 一 )男 , 1 4 , 河南漯河市人 , 9 硕士 , 副教授 

[ ] 许正 国. 1 压力表 [ ] 北京 : M. 水利电力出版社 , 8 :1 9  1 99 — 3 9




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