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一种变体飞机机翼折叠作动器的优化设计

发布时间:

2011 年 2 月 第 30 卷 第 2 期

机械科学与技术 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering

February 2011 Vol. 30 No. 2

金鼎

一种变体飞机机翼折叠作动器的优化设计
金 鼎,张 炜
( 西北工业大学 航空学院,西安 710072)

摘 要: 作动器在变体飞机设计中占有很重要的地位,它要求重量轻,作动力强,安全可靠且适于安

装在变体飞机内部。笔者针对折叠机翼变体飞机,设计了一种用于机翼折叠的作动器,并通过改进

的遗传算法对其主要参数进行优化,使作动器在满足设计指标的情况下达到质量最轻。根据优化

结果,试制出作动器并进行了加载试验,证明了将这种改进的遗传算法应用于该作动器参数优化的

可行性与有效性。最后,制作了安装有作动器的全尺寸折叠机翼验证机模型,用来模拟机翼折叠功

能,经验证达到了作动器设计指标。

关 键 词: 变体飞机; 折叠机翼; 作动器; 改进的遗传算法

中图分类号: V227 + . 9

文献标识码: A

文章编号: 1003-8728( 2011) 02-0286-04

Optimization Design of a Folding Wing Actuator for a Morphing Aircraft
Jin Ding,Zhang Wei
( School of Aeronautics,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072)
Abstract: A light,powerful,reliable and suitable for installation actuator plays an important role in morphing aircraft design. In this paper,a folding wing actuator was designed. An improved genetic algorithm was applied to optimizing the main parameters of the actuator for achieving lightest weight while meeting the design specifications. Based on the optimized parameters,the actuator was made and load test is conducted. The test result shows that the improved genetic algorithm is feasible and effective. Finally,a full-size folding wing demonstration model was produced,and the actuator is installed for simulation. Results show that this actuator achieved its design targets. Key words: morphing aircraft; folding wing; actuator; improved genetic algorithm

变体飞机通过改变飞机的几何或气动外形,实现 不同飞行任务下飞机飞行特性的变化,以适应不同的 战术要求。作为传统变体飞机的一种,变后掠翼飞机 比较理想地兼顾了低速、跨声速和超声速飞行性能, 但同时也付出了结构、重量、操纵性等方面的代价。
新概念变体飞机技术主要指的是采用智能材料 和机械机构设计,通过先进的流动控制和计算机主 动控制技术,在飞机飞行过程中,主动改变飞机的全 机布局或 者 气 动 外 形,以 便 适 应 不 同 的 任 务 需 求。 这一技术的优点不光是改变后掠角,更多的是对机
收稿日期: 2010 - 04 - 12 作者简介: 金 鼎( 1986 - ) ,硕士研究生,研究方向为飞行器总体设
计,jinding86@ 163. com; 张 炜( 联系人) ,副教授,博士, weizhangxian@ nwpu. edu. cn

翼面积、展弦比的改变,从而兼顾飞机高低速飞行和 续航性能与机动能力对飞机外形要求的矛盾。但 是,这一技 术 需 要 大 量 应 用 高 科 技 材 料,微 机 电 系 统、传感器、压电感应蒙皮、先进的计算机控制芯片, 这将导致研发成本的增加,某些材料或者技术也正 处于试验 阶 段[1]。 美 国 目 前 正 在 研 究 的 变 形 机 翼 主要有滑动蒙皮机翼、折叠机翼等。美国新一代航 空技术公司提出的“滑动蒙皮”变形机翼方案,可以 使机翼在飞行中逐渐伸展,通过改变机翼的面积和 *面外形优化飞机的性能。针对折叠机翼技术,洛 克希德·马丁公司将机翼设计成折叠式,内段机翼 可以对着机身折叠,机翼向上折叠时浸润面积减小 25% ,机翼展开后最大升阻比激增 44% ,有效翼展 增加 177% 。该机并未装配形状记忆蒙皮或热聚合 激励器,而是采用压电作动器折叠机翼[2]。

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金 鼎等: 一种变体飞机机翼折叠作动器的优化设计

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1 折叠机翼作动器设计 1. 1 作动器设计指标
折叠机翼作动器用于折叠机翼变体飞机机翼的 折叠、展开动作,且在完成折叠、展开动作后,具有保 持机翼折叠位置的作用。针对前面提到的折叠机翼 变体飞机,由于热聚合激励器和压电作动器仍处于 试验阶段,尚没有实用化,因此,在现阶段设计一种 技术成熟,简单可靠的折叠机翼作动器是进一步深 入研究折叠机翼变体飞机的必要条件。

图 1 洛克希德·马丁公司折叠机翼方案
针对图 1 中的变体飞机机翼折叠形式,提出作 动器一系列设计指标。对于翼展 2 m 左右,起飞重 量 3. 5 kg 的小型折叠机翼变体飞机验证机,根据机 翼 的 气 动 载 荷,要 求 作 动 器 的 输 出 扭 矩 至 少 6 N·m,作动器应具有反向自锁能力,反向自锁时 至少可以抵抗 3. 5 个 G 的过载。由于机翼折叠后 内段机翼必须与机身贴合,折叠角度约为 120°,因 此要求扭矩输出轴转动角度至少 120°。考虑到起 飞重量限制,做动器重量不得大于 0. 5 kg。 1. 2 作动器设计
针对上述要求,采用蜗轮、蜗杆作为作动器主传 动部件。直接使用一组蜗轮、蜗杆在满足强度要求 的情况下,会出现蜗轮尺寸过大无法安装在飞机内 部的问题。因此,采取的方案是: 减速电机输出轴连 接直齿轮,该直齿轮依次带动其他直齿轮转动和与 直齿轮共轴固连的蜗杆同步转动; 相临的蜗杆旋向 和转动方向都相反,从而使与蜗杆啮合的所有的蜗 轮转向都相同; 相临的蜗轮和蜗杆除旋向相反,其余 参数相同,以使所有蜗轮转向和转速相同; 并联的蜗 轮蜗杆机构设 2 ~ 4 组,每个蜗轮上连接一个耳片, 用以连接机翼的翼梁。蜗轮轴连接一只电位器作为 角度传感器,电位器的电位信号作为角度反馈信号 直接送到减速电机伺服电路控制作动器转动角度。 蜗轮,蜗杆和减速电机等安装在由铝合金制成的减 速箱上,减速箱由上、下盖板和左、右侧板四部分组 成,减速箱侧面设有螺栓孔,通过螺栓将作动器连接 在机体结构上。图 2 所示为作动器原理图。

图 2 作动器原理图
图 2 中仅画出 2 组蜗轮蜗杆,实际数量根据承 载和强度条件而定。图 3 所示为 3 组蜗轮蜗杆的作 动器原理图。并联式蜗轮蜗杆作动器特点是将变体 飞机的气动载荷分配给并联的多套蜗轮蜗杆。减速 电机驱动蜗轮蜗杆机构输出扭矩,实现飞机机翼变 形; 机翼的气动载荷反向加在蜗轮蜗杆上,但是由于 蜗轮蜗杆设计为反行程自锁,此时减速电机负载接 *零,机翼形状得以保持。
图 3 3 组蜗轮蜗杆的作动器原理图
并联的蜗轮蜗杆作动器优点在于: 传动比大,结 构紧凑; 采用多余度设计,一套蜗轮蜗杆失效后其余 涡轮蜗杆仍能保证飞机的*飞和安全着陆; 损伤容 限设计,一套涡轮蜗杆失效后,将作动器蜗轮旋转一 定角度就能避开蜗轮上失效的齿,从而再次形成完 整的多组蜗轮蜗杆机构。图 4 所示为使用 2 组蜗轮 蜗杆的作动器三维等轴视图。

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图 4 使用 2 组蜗轮蜗杆的作动器三维等轴视图
2 作动器优化设计 2. 1 优化目的
基于遗传算法的诸多优点,本节采用改进的遗 传算法对折叠机翼作动器各个尺寸参数进行优化, 在达到设计指标的前提下,使作动器重量最轻,达到 飞机减重的目的。 2. 2 遗传算法及其改进
遗传算法( GA) 是模拟生物自然选择与遗传机 理求解极值问题的一种智能搜索算法,其自组织、自 适应、自学*和群体进化能力适于处理复杂参数和 非线性优化问题。标准遗传算法的计算步骤是: 编 码并 确 定 控 制 参 数,生 成 初 始 群 体,选 择,交 叉,变 异,经反复迭代使个体逐渐接*最优解,直至满足规 定的收敛准则,即找到全局最优解[3]。
图 5 改进的遗传算法计算步骤
遗传算法同其它算法一样,存在着一些弱点: 群

体规模较大时,优化效率不太高; 寻优准则由概率决 定的,而遗传算法的进化代数常是固定的,这样就容 易使群体在进化后期陷入局部最优解。针对上述问 题,提出了一种改进的遗传算法,改进的遗传算法计 算步骤如图 5 所示,改善措施如下[4]:
( 1) 对适应度函数评价选出的最优良的一些个 体实行保护,使之不经过交叉、变异操作,直接进行 遗传,体现生物界优胜劣汰的进化准则。
( 2) 前期采用较大的交叉、变异概率,后期采用 较小的交叉、变异概率方法,以减小陷入局部解的危 险性,提高收敛到全局最优解结果的可靠性。 2. 3 作动器优化问题的数学模型
以作动器质量最小为优化目标,对影响作动器 强度和质量的主要参数进行优化。以蜗轮、蜗杆组 数 n,蜗轮模数 m,蜗轮齿宽 b2 ,螺旋角 β2 ,齿形影响 系数 YFa2 ,蜗轮齿数 z2 为优化参数。设计变量取值 范围见表 1。

参数 n m b2

表 1 设计变量取值范围

取值范围 1 < x1 < 4
x2 > 1 x3 > 0

参数 β2 YFa2 z2

取值范围 3 < x4 < 5 2. 28 < x5 < 2. 57
x6 > 28

设计变量为 X =[n,m,b2 ,β2 ,YFa2 ,z2]T =[x1 ,x2 ,x3 ,x4 ,x5 ,x6]T。
目标函数为 W = W1 + W2 + W3 + W4 + W5 + W6 其中: W1 为蜗轮重量; W2 为蜗杆重量; W3 为直齿轮 重量; W4 为上下盖板重量; W5 为左右侧板重量; W6 为伺服 电 机、涡 轮 轴、轴 承、紧 固 螺 栓、电 位 器 总 重量。 W1 = 0. 00746 × 0. 74πx1 x3 ( x2 x6 /2) 2 ; W2 = 0. 00785 × 5π2 x1 x2 ( x2 / j) 2 ; W3 = 0. 0028 × 3π( x1 + 1) ( 1. 2x2 / j) 2 ; W4 = 2 × 0. 0028 × 2 × 1. 5x1 ( 2 × 1. 2x2 / j) 2 ; W5 = 2 × 0. 0028 × 2 × 1. 5 × ( x6 x2 /2 +
2 × 1. 2x2 / j + 20) ( 5πx2 + 3) ; W6 = 80 + 20 + 16 + 10 + 12; j = 2 × tan( πx4 /180) 。 蜗轮、蜗杆传动中,失效常发生在蜗轮上,因此 将蜗轮齿根弯曲疲劳强度条件[5],蜗轮轮齿弯曲强 度条件,齿面接触疲劳强度条件和蜗轮轴刚度作为 约束条件[6]。

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蜗轮轮齿弯曲强度条件为 2 × 18000 × 1. 5 / ( x1 x2 x3 x6 ) < 400 蜗轮齿根弯曲疲劳强度条件为 0. 993 ( 1. 53 × 1. 3 × 18000 / x1 ) x5 tan ( πx4 / 180) / ( x6 x32 ) < 64 齿面接触疲劳强度条件为 x1 x26 x32 / ( 1. 1 × 1. 5 × 6000 × tan( πx4 /180) ) > 4 蜗轮轴刚度条件为 1. 2x1 x2 / tan( x4 /180) < ( 0. 7x2 x6 ) 2. 4 计算结果与分析 根据前 面 建 立 的 数 学 模 型 及 约 束 条 件,利 用 Visual C + + 作为编程语言,将改进的遗传算法编制 成计算机程序,对折叠机翼作动器主要参数进行优 化。同时,用传统的安全系数设计方法,通过设计手 册中提到的设计公式迭代得到一组设计参数与遗传 算法对比。计算结果见表 2。

表 2 计算结果对比

计算方法

传统安全 系数法

改进遗 传算法

n m b2 β2 YFa2 z2 目标函数值

2 1. 6 11 4. 5 2. 57 28 519. 1

1. 85 1. 27 10. 35 4. 81 2. 34 31. 95 364. 2

改进遗传 算法圆整后
2 1. 25 11 4. 5 2. 28 32 392. 7

改进遗传算法得出的结果,经圆整、标准化后确 定变 量 值 分 别 为: n = 2,m = 1. 25,b2 = 11,β2 = 4. 5,YFa2 = 2. 28,z2 = 32。经校核 4 个约束条件均 可以满足。
从优化结果可以看出利用改进的遗传算法进行 折叠机翼作动器的优化设计使得作动器总质量明显 减小,其量值为用传统安全系数法确定的基准作动 器的 24. 35% 。

以上误差,优化后作动器实际重量符合设计指标,优 化结果与实验结果的误差在可接受范围内。
经过磨合、机械调试、通电测试后,将作动器安 装在试验台上进行静载和动载试验。由于试验条件 限制,这里简单制作了一个实验台用于测试作动器 的实际作动能力和承载能力。作动器静载与动载试 验如图 6 所示。

图 6 作动器静载与动载试验
通过改变力臂长度和加载物质量来得到不同的 载荷,逐渐增加载荷,直至作动器做动失效或者部件 出现明显变形,最终得到试验数据见表 3,其结果满 足设计指标。

表 3 静载荷与动载荷试验结果

试验条件 静载荷 动载荷

力臂 0. 21 m 0. 29 m

力 29. 4 N 78. 4 N

力矩 6. 17 N·m 22. 74 N·m

为了验证该作动器安装在折叠机翼内的可行 性,制作了全尺寸折叠机翼验证模型。作动器安装 于机翼与机身连接处,通过传动机构将作动器输出 的力矩 同 时 传 给 内、外 段 机 翼。 实 际 模 拟 试 验 中, 内、外段机翼均可顺利实现同步折叠、展开变化。全 尺寸折叠机翼验证模型如图 7 所示。

3 作动器实验 根据优化结果得出的各个参数,试制了一台作动
器用来对比计算结果并进行实验。作动器组装完成 后,测得作动器总质量 452. 6 g,比优化结果重59. 9 g, 其原因经分析有以下 2 点: 数学建模与实际模型的误 差,实际材料与模型理想材料比重误差。考虑到存在

图 7 全尺寸折叠机翼验证模型
( 下转第 296 页)

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( 上接第 289 页)
4 结论 ( 1) 相对目前尚没有在变体飞机上实用化的热
聚合激励器和压电作动器,该折叠机翼作动器的设 计方案重量轻,作动力强,简单可靠,便于安装使用 且成本较低。实验证明: 根据设计指标设计出的作 动器重量为 452. 6 g,作动力为 6. 17 N·m,抗过载 能力超过 3. 5 G,达到了各项设计指标。
( 2) 利用改进遗传算法进行折叠机翼作动器的 优化设计使作动器总质量明显减小,其量值为用传 统安全系数法确定的基准作动器的 24. 35% 。遗传 算法得出的结果与实际试验结果相差不大,在误差 允许范围内。
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