飛機起落架的設(shè)計速度直接影響新機型的研發(fā)周期。要提高起落架的設(shè)計效率首先要選擇合適的設(shè)計方法。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是自底向上（bottom-up），其設(shè)計思路是先設(shè)計零件，然后將設(shè)計好的零件進行裝配，如果在裝配過程中發(fā)現(xiàn)問題，就要對零件進行頻繁的修改。這種設(shè)計方法面臨諸多問題：①起落架設(shè)計之初先設(shè)計零件，無法傳遞設(shè)計意圖；②零件之間沒有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，一個零件的修改無法帶動其他零件的同時變更；③當零件發(fā)生變化時，需重新定義約束關(guān)系，重新裝配，工作量大且繁瑣，設(shè)計周期長。因此，為了滿足起落架的快速設(shè)計要求，縮短研發(fā)周期，在起落架設(shè)計過程中采用自頂向下（top-down）的設(shè)計方法。
1 自頂向下的設(shè)計方法及具體實現(xiàn)
自頂向下的設(shè)計方法是一種從整體布局到各零部件設(shè)計的裝配設(shè)計方法。用自頂向下方法裝配的零部件之間有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，可以通過修改某個零部件實現(xiàn)整體機構(gòu)尺寸的變化。自頂向下設(shè)計著眼于起落架的設(shè)計意圖，不僅符合起落架的設(shè)計研發(fā)思路，而且更能體現(xiàn)出起落架參數(shù)化設(shè)計和快速高效的設(shè)計理念。
嚴格來講自頂向下只是一個概念，只要能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)從頂部模型傳遞到底部模型，這種設(shè)計方法都可以稱為自頂向下。在Creo中是通過骨架模型來實現(xiàn)起落架的自頂向下設(shè)計。骨架模型有標準骨架模型和運動骨架模型兩種。由于起落架屬于運動機構(gòu)，因此選用運動骨架模型。運動骨架模型是指機構(gòu)在運動狀態(tài)下各零件具有的相對位置構(gòu)成的骨架，在組件中是以子組件的形式創(chuàng)建。
所謂“骨架”就是用基準的點、線、面來表示產(chǎn)品的設(shè)計信息和裝配信息。在并行設(shè)計當中，零件的定形和定位是事先規(guī)劃好的，而此時的定形和定位就是由骨架模型來完成。在起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計之前就將這些重要的尺寸定下來，能夠很好地避免一些外觀和干涉等問題。骨架模型是基于參數(shù)化來設(shè)計起落架，有著諸多優(yōu)點。首先，骨架模型是基于參數(shù)化來創(chuàng)建的，參數(shù)修改的同時能夠使骨架模型隨之快速變更；其次，利用骨架模型能夠在起落架實體創(chuàng)建之前對起落架進行運動仿真和分析優(yōu)化，極大提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。圖1為應(yīng)用骨架模型實現(xiàn)起落架自頂向下設(shè)計的過程。
圖1 應(yīng)用骨架模型設(shè)計起落架具體流程
2 起落架自頂向下的設(shè)計過程
2.1 分析起落架結(jié)構(gòu)特性
如圖2所示，主動活塞與構(gòu)件4組成轉(zhuǎn)動副C，氣缸、構(gòu)件3和6分別繞飛機機架上的固定軸線A、B、F 轉(zhuǎn)動，構(gòu)件6 與機輪相連，同時與構(gòu)件5 組成轉(zhuǎn)動副E，構(gòu)件3、4 和5 組成轉(zhuǎn)動副D。當活塞在氣缸中往復(fù)運動時，氣缸也做一定角度的擺動，構(gòu)件3、4、5、6 轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)起落架的收放。
圖2 某機型起落架的結(jié)構(gòu)圖
2.2 設(shè)計起落架骨架模型
通過分析起落架的結(jié)構(gòu)特性，進一步確定機構(gòu)的運動狀態(tài)、運動副和運動約束等條件后，進入裝配環(huán)境，創(chuàng)建機構(gòu)的運動骨架模型。圖3為在Creo 裝配環(huán)境下創(chuàng)建的飛機起落架的運動骨架模型。
圖3 機構(gòu)運動骨架模型
2.3 應(yīng)用骨架模型對起落架機構(gòu)運動仿真
在進行運動仿真之前需要對運動骨架進行連接定義，本例中除了活塞是滑塊連接外，其他均為銷釘連接。完成連接定義后，需要定義伺服電機并進行機構(gòu)分析，此時運動骨架會模擬整個機構(gòu)的運動情況，不僅可以測量飛機起落架收放的速度、加速度、運動軌跡等運動學(xué)指標，而且能夠檢測運動過程是否滿足機械約束。如果仿真結(jié)果達不到設(shè)計要求，可以通過修改骨架模型參數(shù)，快速實現(xiàn)機構(gòu)的變更直到滿足設(shè)計意圖。飛機起落架收起速度的測量定義和結(jié)果如圖4所示。
圖4 起落架收起速度的測量
2.4 應(yīng)用骨架模型對起落架進行分析優(yōu)化
應(yīng)用骨架模型的優(yōu)勢除了在設(shè)計具體的零部件和整體裝配之前進行運動仿真外，還能對骨架模型進行敏感度分析、可行性分析和優(yōu)化設(shè)計。從而提高了尋求最優(yōu)設(shè)計方案的效率。
敏感度分析主要用來評估一些重要尺寸在一定范圍內(nèi)變化對測量目標參數(shù)的影響關(guān)系，為后續(xù)的可行性分析和優(yōu)化設(shè)計提供參考。圖5為活塞長度的變化對飛機起落架的收起速度差的影響關(guān)系曲線。
圖5 活塞長度變化的敏感度分析曲線
可行性分析用來評估機構(gòu)的相關(guān)參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化能否滿足設(shè)計要求。如果可行性分析得不到可行性解，說明給的參數(shù)范圍不符合設(shè)計要求，也就不需要進行后續(xù)的零部件的詳細設(shè)計。圖6為修改飛機起落架收起速度差的可行性分析過程。
圖6 可行性分析過程
操控板結(jié)果顯示為：已找到可行解決方案。
優(yōu)化設(shè)計是在確定優(yōu)化目標函數(shù)的前提下，在所有可行性方案中尋求最優(yōu)解的過程。完成優(yōu)化設(shè)計之后，設(shè)計變量的尺寸會自動變更為最優(yōu)尺寸，骨架模型的參數(shù)值也會隨之變?yōu)樽顑?yōu)值。圖7 為以收起速度差最小為優(yōu)化目標、活塞長為設(shè)計變量的優(yōu)化結(jié)果。
圖7 優(yōu)化結(jié)果
2.5 起落架主體零件的創(chuàng)建
起落架的運動仿真和分析優(yōu)化完成之后，進行零部件的詳細設(shè)計。由于骨架模型的參數(shù)和各零部件相關(guān)聯(lián)，直接將設(shè)計的零件依附到骨架上即可。最終飛機起落架的整體設(shè)計如圖8所示。
圖8 最終完成的起落架
3 結(jié)語
本文基于Creo平臺，完成了對某機型飛機起落架的自頂向下設(shè)計。與傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計方法相比，該設(shè)計方法能更好地滿足產(chǎn)品研發(fā)和頻繁修改的需求；運用骨架模型，能夠提前對機構(gòu)進行運動仿真，并且能夠?qū)C構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進行敏感度分析、可行性分析和優(yōu)化設(shè)計，提高了尋求最優(yōu)設(shè)計方案的效率，從而更好地實現(xiàn)設(shè)計者的設(shè)計意圖。
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本文標題：基于Creo的某機型起落架的自頂向下設(shè)計
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