关键词:安装架车; ADAMS; SolidWorks;仿真；优化设计
0 前言
航空发动机体积大、重量大、结构复杂、安装间隙小，在安装、拆卸过程中其位置和姿态很难实现精确的调节，其从飞机上拆装过程通常劳动强度大，效率也很低。目前民用航空发动机主要采用吊装和托架式安装两种方式，我国主要采用吊装安装方式，技术比较落后[1-2]。
考虑到这种情况，我们在对国内外航空发动机的安装流程和安装设备进行初步调研后，对发动机安装架车的改装进行了充分的准备和计划，拟设计出一种集航空发动机运输、升降和调姿于一体的发动机安装平台，可实现发动机场内运输，且安装过程可实现空间多自由度调姿，以满足航空发动机快速精确安装的需求。
在研究过程中，使用三维建模软件SolidWorks和仿真软件ADAMS联合建模仿真，实现对安装架车的运动学研究。仿真研究能够直观地观察到安装架车的工作过程，得到架车的运动特性，从而提高工作效率。
1整车三维模型的建立
本航空发动机安装架车包括架车盘、升降机构、发动机夹持机构、调姿机构以及推进机构。所述架车底盘的下方由麦克纳姆轮支撑，架车既可以实现多种灵活的运动方式，又能承受巨大载荷；所述升降机构由四个支柱组成，位于所述横向与纵向滑动平台和所述架车底盘之间；所述发动机夹持机构设置在导轨上，分为左右两部分，分别以气缸及钢架实现对发动机的夹持，且底部与丝杠连接，可实现多种型号发动机的夹持：所述调姿机构设置于所述支撑机构与推进机构之间，实现对发动机的精确调姿；所述推进机构可将发动机推入安装位置，实现发动机的安装[3]。
1.1 整体车辆三维模型的建立
如下为整车结构图。由架车底盘、调姿升降机构、发动机夹持机构三个主要部 分组成。
如图为模型建立过程：
1) 结构划分，并画出三维草图，初步确定实现主要功能的组件。将结构划分为架车底盘、调姿机构、调节夹持机构，并进行初步三维建模，结构设计及整合。
2) 查阅资料，设计多组可实现各组件功能的方案。参考有关标准，对各零件建模，并初步确定选材。包括麦克纳姆轮、驱动电机、丝杠等的选取，调姿机构的齿轮齿条机构参考了机械设计手册有关标准进行设计。[4]
3) 将零件按结构划分组成三个装配体，协调、改进，初步确定设计方案。保存整车装配体为.SLDASM格式。
4) 将三个组件组成总装配体，结合力学知识进行静力学和动力学分析，对车体各模块结构提出相应的优化选材策略，进一步协调。并根据实际情况调整各部件位置与具体尺寸。
5) ADAMS分析。装配体另存为Parasolid(.x_t)格式，以实现与ADAMS等软件之间的数据交换[5]。
1.2 调姿升降机构三维模型的建立
各零件的三维模型主要通过Solidworks软件建立。Solidworks是目前应用最为广泛的机械设计软件之一。此软件功能强大且易掌握，深受用户欢迎。并且可以与目前市场上其他三维CAD软件进行数据交换。
考虑到多功能车在不同运行条件下各零件受力情况也不同，建立模型时，将整车各个零件分开建模，最终进行装配得到复杂的整车模型。如图所示为安装架车的调姿升降装置。
由四个可单独实现水平、垂直方向运动的支柱及与其配合的相关组件，实现航空发动机升降、多自由度调姿功能。
建立三维坐标系，将航空发动机的运动方向分为X轴、Y轴、Z轴的运动。
1.2.1 Z轴-竖直运动
竖直方向的运动原理与升降丝杠类似。电机输入动力，带动与电机相连的蜗杆转动，通过蜗轮蜗杆机构实现竖直升降运动。
1.2.2 X轴-水平运动
水平运动通过齿轮齿条机构实现。左端电机输入动力，通过平带轮调节齿轮转速，进一步控制水平方向运动速度。中间齿轮与右边齿轮安装在轴承座上，承受齿条载荷力。
考虑到安装架车的实际应用，此装置为车体调姿升降部分，故单独设计装配。
1.2.3 Y轴-推进运动
航空发动机夹持机构固定在推进机构上，推进机构在两个平行线性导轨内进行进给运动。在调节机构进行初步调姿后，使用推进机构将发动机推入预安装位置，再结合调姿机构调节安装角度，实现航空发动机的安装[3]。
实体模型生成步骤如下：1) 绘制蜗轮蜗杆、齿轮齿条、各个支架等零件的三维实体模型。2) 利用Solidworks强大的智能装配功能，通过一系列配合指令拼接成完整的装配体。3) 保存装配体为.SLDASM格式。
2整车动力学模型的建立
2.1安装架车模型的建立
将之前保存的.x_t格式的各零件图（主要为刚体部分）导入到ADAMS中,对SolidWorks建立的模型进行简化，利用布尔和功能将装配体简化为七个部分。选取齿轮齿条部分单独分析，将其简化为四个部分，即齿轮支撑部分、两个齿轮以及齿条部分。在将模型简化之后，由于在三维实体建模软件中所添加的配合将在力学分析软件ADAMS中失效，故需重新添加约束。
对各零件设置材料属性为steel。
2.2零件受力分析
通过ADAMS对零件施加受力和约束以查看零件的运动情况。
步骤如下:
1) 建立样机模型创建零件、添加约束、施加载荷并进行仿真分析;
2) 模型检验确定需要输出载荷的构件及载荷作用点,测量样机的相应特征、仿真分析、动画播放;
3) 输出相应的速度、力、加速度图线。
1.取沿着X轴方向运动的齿轮齿条部分作为研究对象：
2.3 结果分析
以上对齿轮齿条部分进行仿真，仿真过程中能够使设计的安装架车按照预期进行运动，同时，在对发动机安装架车整体进行分析时，与齿条相连的有四个链条传递X轴方向的力，但链条并不能承受所需要的力，后续进行ADAMS仿真时将其替换成刚性连接，以便于分析。
3总结
(1) 针对航空发动机安装过程实际需要，研发出新型航空发动机安装架车，将发动机运输、升降、调姿一体化，减少了原有航空发动机安装过程的繁琐步骤，降低安装成本，提高工作效率。
(2) 设计出一种安装精度更高的调姿方式，拟采用四条可独立控制升降支柱，通过支柱的独立起降，实现发动机安装过程的升降、调姿。
(3) 设计出一种可以调节的夹持机构，适用于多种型号航空发动机的安装。
(4) 采用SolidWorks软件和ADAMS软件相联合的方法，对安装架车进行运动仿真，提高效率。通过ADAMS内部的仿真分析功能，获得安装架车的运动学特性，为其运动控制及机械结构的优化设计提供参考依据。
参考文献:
[1] 高航,宋强,刘国,盛贤君,赵哲.航空发动机整机数控安装多轴调姿方法及其应用[J].航空制造技术,2017,11.
[2] 雷海峰.航空发动机数控安装架车的设计及结构分析[D].硕士论文,辽宁:大连理工大学，2013．
[3] 赵哲.航空发动机数控安装架车的研制[D].硕士论文,辽宁,大连:大连理工大学，2014,6.
[4] 成大先.机械设计手册[M].机械工业出版社，2008.
[5] 周基,芮勇勤,谭勇.基于Solidworks建模技术的工程有限元仿真分析[J].中外公路,2010,30(06):187-189.
基金项目：大学生创新训练计划项目（IECAUC2017009）;中央高校基本科研业务费资助项目(3122017025)
论文作者:梁嘉瑞 张攀 刘光泽 解润海
论文发表刊物:《科技中国》2018年6期
论文发表时间:2018/8/10
标签：机构论文; 航空发动机论文; 齿条论文; 发动机论文; 模型论文; 齿轮论文; 零件论文; 《科技中国》2018年6期论文;