飞行器柔性起落架落震性能分析

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起落架缓冲设计是起落架设计的核心问题，具有良好缓冲性能的起落架，才能使飞机在着陆、滑跑和地面操纵过程中具有较低的疲劳载荷、较好的稳定性和较高的可靠性 。起落架缓冲性能的好坏主要依赖于缓冲器的设计是否合理，而缓冲器参数配置的恰当与否。对缓冲性能有着决定性的影响131。针对起落架缓冲器的设计问题，研究者们开展了-些探索性的研究。文献H利用Motion建立了多体动力学分析模型，后根据缓冲器参数建立AMEsim缓冲器液压模型，最后通过两个软件的联合仿真。文献[51在刚性模型的基础上对变油孔缓冲器进行了参数优化仿真设计。

文献听Ⅱ用LMS软件对刚性机身和柔性机身全机落震仿真结果进行对比研究。上述论文研究找出了起落架缓冲器岗十的各方面关键因素，但都对起落架本身做了刚性假设，未能给出柔性起落架对缓冲性能的影响分析。由于非柔性化，刚性起落架在动力学仿真中会产生不合理的过载，使仿真结果失真f7。设计出的主起落架为满足收放空间的要求而采用了斜支柱的设计。此设计在落震工况下会在支柱上产生相应的弯矩，而引起弯曲变形〖虑到此变形可能对全机落震性能产生影响，采用全柔性化模型对全机落震进行了进-步的仿真分析。对起落架缓冲器填充参数进行了再-次的修正得到了理想的缓冲效果。为今后起落架设计中起落架柔性对缓冲性能的影响提供了评估参考。

2起落架缓冲系统参数初步设计2.1缓冲器使用行程计算假设轮胎和缓冲器可以完全吸收起落架缓冲系统着陆撞击T ，2功量，则：N(n s S). (1 )(S-S ) (1)式中：Ⅳ-过载，小型飞机取为 3；n广 轮胎效率 ，取 30%；s广-Ⅳ倍停机载荷下轮胎变形；"-锾 冲器效率，取 70%；s-机轮的垂直行程； 下沉速度，定义接地垂向速度最大不超过3m/s；g-重力加速度；KL/G， -升力；c-飞机重力121～飞机总体设计参数代人公式(1)计算得：前起落架垂直行程s ：r165mm；主起落架垂直行程.s 。.，y204mm2.2活塞杆面积初步估算单个起落架缓冲器活塞直径来稿 日期：2012-10-05基金项目：国家自然科学基金(51105197)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(kj20110202)作者简介：王文强，(1987-)，男，山东人，硕士研究生，主要研究方向：临近空间飞行器着陆装置设计和着陆缓冲性能分析；聂 宏，(1960-)，男，安徽人，教授，博士生导师，主要研究方向：飞机起落架装置设计结构疲劳与断裂以及飞机起落架自适应控制技术42 王文强等：飞行器柔性起落架落震性能分析 第8期- 般情况下，停机时为使用标准压缩机对起落架进行维护，停机时的气腔压力为10.35MPaI2。气腔静压力取为 10.35MPa，求得前起落架活塞杆压气面积0.00042m：：主起落架活塞杆压气面积-0.0043m 。

2.3油孔面积初步估算油孔面积估算公式：f I， 2n FPo南 ) s (2)式中： -垂直载荷的过载； ，-飞机着陆重量；F-压气面积；为压油面积； -定油孔面积；产-定油孑L缓冲器压缩速度；S- 油液的流量系数，这里取 0.8 。依据相关参数代入式(2)计算得出：前起落架油孔的面积； 1.2x10 m ；主起落架油孔的面积： ：5.2xl 0 m 。

3刚性起落架落震动力学仿真3.1简化刚性模型运动微分方程的建立单个主起落架的着陆动力学分析的力学模型是二质量模型，即弹性支撑质量和非弹性支撑质量，如图 1所示。弹性支撑质量是缓冲器中空气弹簧的上部质量 ，包括机体质量、支柱外筒等质量；非弹性支撑质量是空气弹簧下部质量 ，包括支柱活塞杆、轮毂、刹车装置、轮胎等质量。缓冲器作用力中对全机落震性能起主要作用的是空气弹簧力 和油液阻尼力 ，而其结构限制力和摩擦力的影响很小，可以忽略目。

图 1主起落架落震动力学模型(支柱为刚体)Fig.1 Falling Vibration Mode of Main Landing Gear假设着陆过程不发生弹跳～上述系统简化为二自由度系统的振动问题，该运动微分方程由达朗伯原理来建立。设定大地为参考坐标系，z.为下部质量 的位移；z 为上部质量 的位移； 为斜支柱倾角；K 为轮胎弹性刚度；c。为轮胎阻尼系数；K 为空气弹簧弹性刚度；c 为油液阻尼系数； 为升力。运动微分方程为：2r1 .C2LCcos0- - 2 2 cosO cosOCcos0Ccos0(3).(0) (0)飞机着陆接地速度 。 (4)该模型中(4)式为初始速度边界条件，二式联立可解出此系统的固有振动频率和系统随时问的响应函数。全机落震运动微分方程可按上述方法设定 6个自由度列出。

32刚性起落架全机落震仿真结果ADAMS的 Aircraft拈是专门用来构造飞机起落架模型和飞机模型的软件环境。该拈的工作过程可分为三个步骤：(1)建立模型；(2)建立所需的特性文件；(3)分析计算和仿真。主要是模型和特性文件的建立191。其中空气弹簧是通过定义初始状态下的气体压力、体积和压气面积等参数，由程序来计算模拟出对应行程的空气弹簧力。油液阻尼器的添加是通过调用 Damper属性文件来加载的，Damper属性文件中可输入压油面积、正反行程油孑L面积、油液密度和缩流系数等参数，利用 ADAMS的 Aircraft拈的处理器来计算对应压缩速度下的油液阻尼力。在 ADAMS/Aircraft中输入机体质量、重心位置、缓冲器使用行程、活塞杆面积和油孔面积等落震仿真参数进行仿真分析。主起落架承担飞机总载荷的 91.14%，因此对仿真结果重点分析主起落架。仿真结果，如图2所示。

：舞 j i jAnalysis：wwq-LAN-er)(a)(b)支柱力随时间变化曲线--～ - 二 ： r r～ 丁 ， ÷ 0 .- ～ - ；Analysis：wwqLANwwq-l wwql Time(sec)(e)(d)图2仿真分析结果Fig.2 Result of Simulation Analysis起落架落震仿真接地速度定为 3m/s，主起落架缓冲器最大压缩行程为 O.249m，最大压缩行程应满足小于 0.9倍最大行程的要求，由此可计算得出缓冲器最大行程为 0.276m，这与工程估算结果 0.204m不符，应参考0.276m对工程估算结果进行修改。最大行程处的轴向力为 58.027kN。缓冲器最大轴向力为72.5kN，发No.8Aug.2013 机械设计与制造 43生在 0.0378m行程处，过载为 2.99，满足过载小于 3的设计要求。

4柔性体起落架全机落震仿真4.1柔性起落架全机落震仿真利用有限元软件 HyperWorks将刚性起落架三维模型离散化，导入 Patran&Nastran计算出前 40阶模态并生成 MNF文件。

对构件变形的计算可在模态空间通过模态的线性叠加得到 1，此线性叠加关系为：[uj [咖] (5)式中：[]各个节点的位移矢量 -模态参与因子 ，起落架固有频率相对较高，如表 1所示，不与落震过程中地面激励发生共振，且各部件子结构模态同样相对较高因此假设子结构各阶模态贡献量相同。

将算出前40阶模态的MNF文件导入全机落震性能分析装配模型，保持原有填充参数不变，进行全机落震仿真。仿真结果，如图 3所示。

星0专0- 0O.15缓冲器行程随时间变化曲线囊 - ～上 I.， ：.j士- ～ .，Analysis：dl7-1-LAN-df7-1-1-dt7-1 Time(see)(b)2支柱力随时间变化曲线2.0 2.5 3.0 3.5 4.0Analysis：dr7-1LAN-df7-1-1-dr'/-1 Time(see)(c)(d)图3柔性起落架全机落震仿真结果Fig.3 Simulation Analysis Result Based on Flexible Landing Gear起落架落震仿真接地速度同样定为3m/s。测量仿真结果得到：主起落架缓冲器最大压缩行程为 0.155m；最大行程处的轴向力为38.387kN；缓冲器最大轴向力97.500kN，发生在0.0378m行程处，过载为4.37倍，不满足过载小于3倍的要求。说明在考虑起落架柔性的情况下初始设计参数不能满足设计要求。

4.2调整参数的柔性起落架全机落震仿真上述仿真结果不能满足缓冲器设计要求，应对相关设计参数进行修改。对空气弹簧力参数进行适当调整，提高缓冲器中空气弹簧的压气面积，将主起落架空气弹簧压气面积从 3.0x10 nl：调高至 3.6x10 inz。这样可以使空气弹簧相较于柔性起落架机构储蓄更多的能量 ，在缓冲过程中经多次伸缩使油液阻尼吸收更多的能量，从而有效提高缓冲器效率。仿真结果，如图4所示。

缓冲器功量图 1，∥0 扣 ： l ， Z∥i：毫 譬 置 II- 二 -： I～l：～I ：≮ ui二 - ：Analysis：wwqLAN-wwq-1wwq-1 Time(set2)(b)支柱力随时间变化曲线(d)图4修改参数后柔性起落架全机落震仿真结果Fig.4 Simulation Analysis Result Based on Modified Landing Gear起落架落震仿真接地速度设定为3m/s。由仿真结果测量读数得到：缓冲器最大压缩行程为 0.248m，最大行程处的轴向力为55.264kN。缓冲器最大轴向力为68.014kN，发生在O.071m行程处，过载为2.24，满足过载小于 3的要求。本次仿真结果与 4-2小节中的理论分析结果相符，同时也进-步降低了全机着陆过载，为全刚性起落架着陆过载的93.8%。

5结论(1)利用 ADAMS/Aircraft拈验证了飞机设计手册 关于起落架缓冲器初步设计中估算结果的相对准确性，具有工程参考意义 。

(2)对相同的设计参数用刚性和柔性两种模型进行了动力学仿真。由仿真结果可知：在参数相同的情况下，全柔性起落架的空气弹簧相较全刚性起落架变形小，缓冲过程中空气弹簧积累的能量有-部分被柔性起落架变形积蓄。由于刚性起落架进行的假设忽略了起落架刚度的影响，这使得仿真得到的填充参数不-定能满足工程实际，在以后的详细设计阶段应对起落架刚度的影响重点考虑。 (下转第47页)O O O O 0 0 O O OOO 0 0O 黜 唧76 5 4321口e；∞譬0.丁ll -No.8Aug.2013 机械设计与制造 47系不能解决零件之间拆卸优先顺序的问题 ，引入结构语义的概念，利用特定结构对应的特定拆卸顺序解决了约束语义无法解决的问题。通过距离语义和结构语义对应的产生式规则，更新集成干涉矩阵，生成可用于拆卸序列自动推导的优先拆卸矩阵。弥补了仅从几何角度和约束角度考虑拆卸序列的不足之处，获得了工程上可行的拆卸序列。