飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真研究

孫志娟，戴京濤

（1.國家開放大學(xué) 工學(xué)院，北京 100039；2.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 航空機(jī)械系，青島 266041）

0 引言

起落架系統(tǒng)是飛機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在現(xiàn)代飛機(jī)起落架系統(tǒng)的各個工作部件中，收放機(jī)構(gòu)在使用中發(fā)生失效的概率較高，約為34.4%[1,2]，其工作性能直接影響到飛機(jī)的安全運(yùn)行。因此，在對起落架收放機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的過程中，對其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)性能進(jìn)行分析具有重大意義。為了減小飛行中的阻力，現(xiàn)代飛機(jī)的起落架通常是可收放的。即起飛后，將起落架收入飛機(jī)內(nèi)部，并關(guān)閉起落架艙；著陸前，放下起落架，將之固定在一定的位置，并可靠鎖住?？墒辗牌鹇浼鼙M管增加了重量，使飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用復(fù)雜化了，但提高了飛行時的總效率。

由于起落架收放機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，非線性因素較多，求解運(yùn)動學(xué)結(jié)果較為復(fù)雜，且很難得出與實際相符且較為精確的動力學(xué)結(jié)果，為了得到較好的與工作實際相符的仿真結(jié)果，應(yīng)用UG（Unigraphic）軟件的虛擬樣機(jī)技術(shù)建立某型軍用飛機(jī)前起落架空間收放機(jī)構(gòu)的三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計。進(jìn)而利用UG和ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）軟件的接口，用數(shù)字樣機(jī)代替原來的實物樣機(jī)試驗，在數(shù)字狀態(tài)下仿真計算，研究氣動阻力、質(zhì)量力、慣性力和收放動作筒液壓力對收放運(yùn)動的影響等，進(jìn)行起落架收放運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)性能研究。

1 虛擬樣機(jī)的建立與收放運(yùn)動分析

通過研究起落架收放機(jī)構(gòu)的組成及其工作原理得出機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖，分析該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動傳遞情況，為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)分析打下的基礎(chǔ)[3]。進(jìn)而應(yīng)用UG軟件對飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模、裝配和運(yùn)動仿真，并通過靜態(tài)干涉檢查和動態(tài)干涉檢查來確定模型的合理性。

1.1 飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)分析

飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)一般采用連桿機(jī)構(gòu)。通常伴隨飛機(jī)前起落架收入或放出機(jī)身的同時，飛機(jī)的整流罩也隨之關(guān)閉或打開，因此起落架的收放和整流罩的開合構(gòu)成了空間聯(lián)動機(jī)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析是對一個實際機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析的首要步驟，在某型飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了一定程度的簡化，由于整流罩開合部分為對稱布置，所以僅以一側(cè)整流罩作為研究對象，并省去了部分次要構(gòu)件，得到圖1所示的起落架收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理圖。

圖1所示的起落架收放機(jī)構(gòu)的狀態(tài)為起落架收起狀態(tài)。由收放動作筒進(jìn)行驅(qū)動，收放機(jī)構(gòu)可以完成單輸入—單輸出的機(jī)構(gòu)運(yùn)動。起落架放下時，鉸鏈點C將向下運(yùn)動，從而使得構(gòu)件5向下放下緩沖支柱，整流罩7隨之打開。

1.2 起落架收放機(jī)構(gòu)模型的建立

圖1 某型飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理圖

UG軟件能夠?qū)?fù)雜曲面和實體進(jìn)行的三維造型的同時，還能直觀、準(zhǔn)確的體現(xiàn)各零部件間的裝配關(guān)系。因此，運(yùn)用UG軟件分別建立收放動作筒、撐桿、緩沖支柱、拉桿、整流罩等三維零部件模型，并依據(jù)各零部件之間的裝配關(guān)系進(jìn)行整機(jī)的裝配，裝配完成后的運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型如圖2所示。

1.3 起落架收放運(yùn)動分析

起落架收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真是對設(shè)計方案進(jìn)行實時仿真，能在三維模型中實現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程的可視化，并且實現(xiàn)運(yùn)動過程的干涉分析。首先按照圖1對收放機(jī)構(gòu)模型創(chuàng)建運(yùn)動副，然后在已經(jīng)定義的B點移動副上，定義運(yùn)動驅(qū)動，并在此運(yùn)動副上設(shè)置驅(qū)動形式，定義勻速直線運(yùn)動的驅(qū)動函數(shù)，使得收放動作筒的運(yùn)動速度為10mm/s，從而實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真分析，進(jìn)而可得出運(yùn)動時間為15.3s。最后，由于收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中，多個構(gòu)件同時運(yùn)動，并伴隨緩沖支柱的舉升、收放動作筒的移動，空間的運(yùn)動相對較為雜亂，所以需要檢查收放過程中，檢查各構(gòu)件之間是否存在動態(tài)干涉，經(jīng)干涉檢查，飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)各構(gòu)件建模無誤，各構(gòu)件之間無干涉。

圖2 飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)總體裝配圖

2 收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)仿真

在ADAMS軟件中建立起落架收放機(jī)構(gòu)的數(shù)字樣機(jī)，分析其所承受載的載荷，包括起落架承受的氣動阻力、起落架質(zhì)量力和慣性力、收放作動筒的驅(qū)動力和摩擦力等，進(jìn)而給模型加載，分析起落架收放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)性能，以期滿足工程實際需求。

2.1 仿真環(huán)境設(shè)置

起落架收放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)仿真需要分析其收放運(yùn)動過程中所承受的載荷，其載荷種類繁多，計算相對復(fù)雜。因此，在ADAMS仿真過程中，需要確定以下幾種具有主要影響的載荷[4]。

現(xiàn)在，小鄒和小劉已經(jīng)有一個多月相安無事了。有一次，我竟然神奇般地看到放學(xué)站路隊時，小鄒和小劉面對面點了點頭，相視一笑，這可是一年多來的首次。看到她們有這樣的變化，我懸著的一顆心終于可以放下了。

1）質(zhì)量力：作用在各零件的重心上，方向始終指向地面。在穩(wěn)定氣流中，起落架收放機(jī)構(gòu)各零部件的質(zhì)量力Pm可以通過下式求解：

V——允許收放起落架的最大飛行速度；

S——翼面面積，m2；

w——突風(fēng)速度，10m/s；

Ga——飛機(jī)起飛或者著陸時的重力，N；

g——重力加速度，9.8m/s2；

L——突風(fēng)強(qiáng)度擴(kuò)散段長度，30m。

故由式(2)～式(4)可以計算起落架收放時的使用過載，如表1所示。

表1 各構(gòu)件收放時的使用過載

2）氣動阻力：作用在各零件壓心上，且指向氣流方向，起落架各零部件上的氣動阻力Pa,di可以通過下式求解：

式中：Cxi——起落架各零件上的阻力系數(shù)；

q——速壓；

Si——起落架各零件在垂直于氣流平面上的投影面積。

主要考慮作用在緩沖支柱和整流罩上的氣動阻力。其中，圓形截面的緩沖支柱的阻力系數(shù)Cx0隨機(jī)輪寬徑比的變化而變化，按照機(jī)輪寬徑比為0.2選擇Cx0=0.76；機(jī)輪迎面阻力系數(shù)通過文獻(xiàn)[5]查取，Cxw=0.5；對于整流罩，按板的阻力系數(shù)計算，Cxh=1.28。因此，折合成氣動力力矩作用在緩沖支柱和整流罩的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動副上，可以通過下式求解：

式中：Padi——各零件氣動合力，其值隨收放運(yùn)動過程改變；

bi——各零件氣動合力到旋轉(zhuǎn)軸力臂，其值隨收放運(yùn)動過程改變。

在起落架收起的過程中，整流罩的旋轉(zhuǎn)軸上和緩沖支柱（含機(jī)輪）旋轉(zhuǎn)軸上的氣動阻力力矩變化曲線如圖3所示。

圖3 整流罩和緩沖支柱的氣動阻力力矩

3）慣性力：在起落架收放過程中，由于運(yùn)動時間相對較短，故可能出現(xiàn)較大的慣性力。慣性力對起落架轉(zhuǎn)軸的力矩與各零部件的旋轉(zhuǎn)角加速度的方向相反，其數(shù)值Mg可以通過下式求解：

式中：J——起落架對轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，J=mr2；

m——起落架轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量；

r——轉(zhuǎn)動部分重心至轉(zhuǎn)軸的距離；

4）摩擦力：在收放作動筒上引起的摩擦力fP可以通過下式求解：

式中 Paa為收放作動筒載荷。

2.2 運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)仿真

選擇目前世界上使用范圍最廣的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真軟件——ADAMS軟件對起落架收放機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析。將UG模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，重新定義約束，包括轉(zhuǎn)動副、移動副、萬向節(jié)和球副。采用多剛體動力學(xué)理論中的拉格朗日方程法建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，通過虛擬樣機(jī)來模擬起落架收放機(jī)構(gòu)的整個運(yùn)動過程，并加載各作用力：

1）各零件的質(zhì)量屬性和重力加速度由于起落架收放機(jī)構(gòu)各桿件所選用的材料為高強(qiáng)鋼，而輪胎的材料為橡膠，所以設(shè)定各構(gòu)件的材料屬性。然后定義重力加速度的大小和方向。

2）氣動阻力：起落架在飛機(jī)正常飛行過程中，受到的來自飛機(jī)航向和側(cè)向的氣流阻力，反映了正風(fēng)和側(cè)風(fēng)影響。按照圖3中所示曲線添加緩沖支柱和整流罩的氣動阻力矩。其中，左右兩側(cè)整流罩所加載的氣動阻力矩大小相同，方向相反。

3）慣性力：在提取各零部件加速度或角加速度的基礎(chǔ)上對各零部件的慣性力進(jìn)行加載。

4）摩擦力：按照摩擦系數(shù)0.3來設(shè)置總的摩擦力在收放作動筒上引起的附加摩擦力載荷。

設(shè)置起落架收放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動時間為15.3s，進(jìn)而可以提取整流罩和緩沖支柱的時變的角位移、角速度和收放作動筒的驅(qū)動力，如圖4所示。

圖4 仿真分析輸出曲線

如圖4(a)所示，起落架收起過程中，緩沖支柱的角位移單調(diào)增大的同時，整流罩的角位移先減小后增大，且緩沖支柱的角位移始終大于整流罩的角位移，這與該機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程的要求相一致，為了保證整流罩在緩沖支柱收起后可靠關(guān)閉，不與緩沖支柱發(fā)生運(yùn)動干涉，所以在緩沖支柱收起的過程中，整流罩先打開，然后再關(guān)閉。如圖4(b)所示，起落架收起過程中，緩沖支柱的角速度先增大后減小，整流罩的角速度則為減小—增大—減小的一個過程，這是因為緩沖支柱收起過程中先要快速收起，隨著整個運(yùn)動行程的結(jié)束，角速度逐漸減?。欢髡衷谶\(yùn)動的過程中，對于其打開的過程角速度是逐漸減小的，在關(guān)閉的過程中角速度逐漸增大，隨著整個運(yùn)動行程的結(jié)束，角速度逐漸減小，符合該機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程設(shè)計要求。如圖4(c)所示，起落架收起過程中，收放動作筒驅(qū)動力的三個波峰和波谷分別出現(xiàn)在艙門從打開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為關(guān)閉狀態(tài)的時間點、緩沖支柱角速度開始減小的時間點和整流罩角速度開始減小的時間點，形成了一定的液壓沖擊力。顯然，ADAMS仿真結(jié)果與設(shè)計過程中定性的分析求解在趨勢上是完全一致的，從而驗證了設(shè)計方案的正確性。

3 結(jié)論

應(yīng)用UG軟件建立某型軍用飛機(jī)起落架的參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型，對起落架收放系統(tǒng)進(jìn)行虛擬裝配、運(yùn)動分析和干涉檢查。進(jìn)而通過UG軟件和ADAMS軟件的接口，建立ADAMS數(shù)字樣機(jī)，分析起落架所受氣動阻力、起落架質(zhì)量力、慣性力、起落架收放作動筒載荷的影響，并在ADAMS中給模型加載，模擬各載荷作用，設(shè)置了虛擬仿真環(huán)境參數(shù)，從而通過仿真分析，得到系統(tǒng)更接近真實運(yùn)行情況的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，驗證了設(shè)計方案的正確性，也為整機(jī)的優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

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[4] 陳琳.飛機(jī)起落架收放運(yùn)動與動態(tài)性能仿真分析[D].南京航空航天大學(xué),2007.

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