客机舱门机构参数优化设计

论文摘要

客机舱门机构设计中，一个重要的目标是使舱门能按规定的轨迹运行，即使排除因设计人员本身经验不足所带来的偏差，仅仅考虑加工误差以及装配间隙存在的影响，机构的运行往往也会偏离规定的轨迹，由此可能带来诸如舱门开启/关闭困难、密封不严等一系列问题，严重时甚至会危及飞行安全。为了研究上述因素对舱门机构运动轨迹的影响，并将轨迹的偏离控制在一定范围内，有必要对机构的关键参数/公差进行灵敏度分析和对机构进行优化设计。此外，对于诸如飞机舱门机构这类复杂系统的设计，目前国内多还停留在简单的仿制、试验以及针对给定设计进行计算校核的阶段，尚缺乏系统且有效的工具和手段实现舱门机构从参数化建模、运动学/动力学分析、参数灵敏度分析乃至参数及公差优化的完整设计过程。本文以ARJ21-700登机门机构为对象，针对上述问题开展研究，具体成果包括：1、建立了一般完整多刚体系统的运动学优化模型，分别采用直接微分法和有限差分法推导了优化模型目标函数的灵敏度表达，通过波音747舱门悬挂机构的灵敏度求解对比，验证了有限差分法灵敏度求解的可行性与精度，并将该方法用于ARJ21舱门机构关键参数的全运动过程灵敏度分析，分析结果可用于指导机构运动补偿设计。2、建立了基于响应表面法的机构尺寸优化模型，利用THUSolver多体动力学求解器对ARJ21舱门机构进行运动响应采样，以此为基础构造了目标函数（这里为舱门轨迹偏差）关于设计变量也即构件尺寸参数的近似显式响应表面模型，并用序列二次规划方法对该显式模型进行优化求解，有效实现了对ARJ21舱门机构运动轨迹的高精度修正。3、提出了一个双重优化模型，用于机构尺寸公差优化。其中内层优化模型实现在给定尺寸公差配置下运动轨迹极限偏差的计算，外层优化则以尺寸公差为设计变量，实现运动轨迹极限偏差的最小化设计。将该模型用于ARJ21舱门机构尺寸公差优化并采用响应面法进行了求解，数值结果验证了该模型及方法的有效性。进一步把该方法推广至考虑间隙的多体动力学模型的装配公差优化问题，并分别针对波音747和ARJ21舱门机构进行了数值实现。4、开发了多体系统优化软件THUOptim，该软件以任革学教授领导的清华大学动振实验室开发的多体系统求解器THUSolver为基础，实现了舱门机构模型参数化、舱门运动灵敏度分析、尺寸优化及公差优化，为ARJ21舱门机构乃至更一般的复杂机构的设计改进提供了一个有力的工具和平台。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 多体系统优化国内外研究概况
• 1.2.1 多体系统动力学概述
• 1.2.2 多体系统优化概述
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 多刚体系统分析基本理论及其在客机舱门机构仿真中的应用
• 2.1 多刚体系统运动学/动力学理论简介
• 2.1.1 多刚体系统运动学
• 2.1.2 多刚体系统动力学
• 2.2 客机舱门机构运动仿真算例
• 2.2.1 算例 1：波音 747 舱门悬挂机构运动过程仿真
• 2.2.2 算例 2：ARJ21 舱门机构运动过程仿真
• 第3章 多刚体系统灵敏度分析与尺寸优化
• 3.1 多刚体系统运动学优化模型
• 3.2 多刚体系统运动学灵敏度分析
• 3.2.1 基于直接微分法的一阶灵敏度分析
• 3.2.2 基于有限差分法的一阶灵敏度分析
• 3.3 灵敏度分析算例
• 3.3.1 算例 3：波音 747 舱门悬挂机构一阶灵敏度分析
• 3.3.2 算例 4：ARJ21 舱门机构一阶灵敏度分析
• 3.4 基于响应表面法的舱门机构尺寸优化
• 3.4.1 基于响应表面法的优化建模及求解
• 3.4.2 算例 5：ARJ21 舱门机构尺寸优化
• 第4章 基于双重优化模型的多体系统公差优化
• 4.1 尺寸公差分析
• 4.1.1 尺寸公差优化模型建立与求解
• 4.1.2 算例 6：ARJ21 舱门机构尺寸公差优化
• 4.2 装配公差分析
• 4.2.1 考虑间隙的动力学模型建立
• 4.2.2 装配公差优化模型建立与求解
• 4.2.3 算例 7：波音 747 舱门悬挂机构装配公差优化
• 4.2.4 算例 8：ARJ21 舱门机构装配公差优化
• 第5章 多体系统优化软件 THUOptim 介绍
• 第6章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果