基于磁流變減震器的起落架落震仿真平臺開發(fā)

祝世興，許曉龍

(中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300)

0 前言

飛機(jī)在起飛、降落和滑跑過程中會產(chǎn)生較大的動(dòng)靜載荷，并且這些載荷主要由飛機(jī)起落架承載。作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的重要組成部分起落架的設(shè)計(jì)是飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中的重中之重。起落架在減緩機(jī)身震動(dòng)，降低飛機(jī)地面載荷及保障飛機(jī)飛行安全方面起著重要作用。減震器起著主要的緩沖任務(wù)，因此起落架減震器緩沖性能的設(shè)計(jì)是起落架設(shè)計(jì)的核心問題，也是使飛機(jī)滿足高可靠性、長壽命要求的重要環(huán)節(jié)。

針對自行設(shè)計(jì)的多環(huán)槽磁流變減震器，用C#構(gòu)建友好的人機(jī)交互界面與仿真平臺核心軟件實(shí)現(xiàn)無縫連接。利用動(dòng)力學(xué)仿真軟件MSC-ADAMS優(yōu)良的動(dòng)力學(xué)仿真性能構(gòu)建出合理的菜單和參數(shù)對話框，并用數(shù)據(jù)庫保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出同樣準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方便設(shè)計(jì)人員操作也很大程度上提高仿真效率。

1 磁流變減震器原理

1.1 磁路設(shè)計(jì)模型

相比傳統(tǒng)油氣式減震器，磁流變減震器的最大優(yōu)勢在于提供連續(xù)可調(diào)的阻尼力、響應(yīng)迅速，作為半主動(dòng)控制系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿μ峁┶吔谥鲃?dòng)最優(yōu)控制力的阻尼力。減震器內(nèi)磁場由纏繞活塞中部的勵(lì)磁線圈激發(fā)，線圈纏繞部分是磁芯，此處磁力線最密集，磁力線流出磁芯后經(jīng)活塞端部流向阻尼通道，穿過阻尼通道進(jìn)入缸筒，再次穿過另一側(cè)阻尼通道后回到磁芯形成閉合回路。磁力線穿過的阻尼通道內(nèi)磁流變液受磁場激勵(lì)產(chǎn)生磁流變效應(yīng)，具備一定的剪切屈服強(qiáng)度，且強(qiáng)度值隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的上升而升高。圖1為典型的磁流變液體的τ-B曲線。

圖1 剪切應(yīng)力－磁感應(yīng)強(qiáng)度特性曲線圖

1.2 減震器受力分析

磁流變減震器的主要性能指標(biāo)為阻尼器最大出力Fc和阻尼力可調(diào)系數(shù)β，減震器設(shè)計(jì)即是選取結(jié)構(gòu)參數(shù)確定這兩個(gè)性能指標(biāo)。由Bingham模型忽略閥式分量可得Fc和β的計(jì)算公式為:

磁流變減震器的工作原理是利用線圈產(chǎn)生的磁場控制磁流變液在阻尼通道中的流動(dòng)特性，改變減震器上下腔間壓力差實(shí)現(xiàn)阻尼力控制。該仿真平臺以自行設(shè)計(jì)的多環(huán)槽式磁流變減震器為研究對象，工作模式結(jié)合剪切模式和壓差模式的雙作用，控制方式為半主動(dòng)控制，這種基于混合工作模式的設(shè)計(jì)使減震器的結(jié)構(gòu)簡單緊湊、阻尼效果好。選Bingham模型建立等效力學(xué)模型，工作原理如圖2所示。磁流變減震器的運(yùn)動(dòng)微分方程如公式 (3)、 (4)所示，軸向阻尼力如公式(5)— (8)所示。

圖2 磁流變減震器等效力學(xué)模型

式中:m1為彈性支撐質(zhì)量，m2為非彈性支撐質(zhì)量，x1和x2分別是m1和m2的軸向位移變化量，C1為等效模型的黏滯阻尼力系數(shù)，k1為等效減震彈簧剛度系數(shù)，kt為等效輪胎剛度系數(shù)，F(xiàn)c是公式 (1)所表示的阻尼出力，τ為時(shí)間延遲0.3 s。

式中:L為阻尼通道有效長度;D為阻尼通道平均周長;H為阻尼通道間隙;η為流體的動(dòng)力黏度;v(t)為活塞與缸體間的相對速度;τ為磁流變液的剪切屈服強(qiáng)度;VB為低壓腔初始填充體積;Aa為活塞桿截面積;u為活塞行程。

減震器的軸向阻尼力分別表示:黏性阻尼力Fη、庫侖阻尼力FMR、空氣彈簧阻尼力Fa、摩擦力Ff和結(jié)構(gòu)限制力FL。

2 仿真平臺的建立

在磁流變減震器原理基礎(chǔ)上建立的仿真平臺的主要內(nèi)容是減震器的磁流變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和落震測試。減震器的磁流變結(jié)構(gòu)特性表現(xiàn)在磁力線的分布情況和通入電流情況下磁場產(chǎn)生的切向剪切應(yīng)力大小;阻尼特性測試和落震性能測試反映在減震器行程變化情況及減震器的軸向受力方面，需要的輸入?yún)?shù)為決定軸向力各分力大小的結(jié)構(gòu)參數(shù)和所填充磁流變液的參數(shù)［4］。未通入電流情況下，該減震器是被動(dòng)控制的減震器，隨著通入電流的變化，磁流變液被磁化產(chǎn)生類似固體材料的剪切屈服強(qiáng)度，提供隨磁場強(qiáng)度也就是通入電流強(qiáng)度的大小變化的庫侖阻尼力。

平臺的結(jié)構(gòu)包括交互界面和后臺核心軟件兩部分，仿真平臺的結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過人機(jī)界面輸入的參數(shù)傳遞至后臺軟件，運(yùn)行后把結(jié)果儲存至數(shù)據(jù)庫通過調(diào)用在人機(jī)界面的輸出圖形結(jié)果。搭建平臺的前提是減震器設(shè)計(jì)和落震測試所需要的輸入和輸出之間的關(guān)系。平臺搭建的難點(diǎn)在于交互界面和后臺核心軟件的連接進(jìn)行參數(shù)傳遞與結(jié)果輸出，把軟件預(yù)留接口加載入平臺，再用ACCESS數(shù)據(jù)庫來存儲參數(shù)和結(jié)果數(shù)據(jù)就可以解決這個(gè)問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

圖3 仿真平臺結(jié)構(gòu)圖

2.1 人機(jī)交互界面

交互界面是操作人員直接接觸的仿真平臺輸入輸出界面，根據(jù)確定的參數(shù)及輸入輸出之間的關(guān)系選取文本框、單選框、按鈕等定制輸入對話框，并將輸入的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理;選取分欄顯示框、圖片顯示框等定制輸出界面。為方便輸出圖線在平臺中編寫專門的繪圖類，運(yùn)行繪圖命令之前以等效力學(xué)模型中確定的動(dòng)力學(xué)關(guān)系處理輸入?yún)?shù)和系數(shù)并把結(jié)果數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中方便繪圖時(shí)調(diào)取。

圖4 定制的仿真平臺菜單

2.2 后臺運(yùn)行程序

后臺運(yùn)行程序要獲取磁路的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況和起落架在落震測試分析中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征。ANSYS磁路分析首先需要導(dǎo)入減震器設(shè)計(jì)參數(shù)，然后獲得編譯好的運(yùn)行命令，在ANSYS中運(yùn)行并輸出磁路分析圖;起落架落震仿真分析中輸入起落架的結(jié)構(gòu)參數(shù)和系數(shù)，確定落震仿真條件，然后可以運(yùn)行ADAMS獲取行程、速度和加速度隨時(shí)間變化曲線。

2.3 減震器設(shè)計(jì)模塊

該模塊主要針對減震器的磁流變結(jié)構(gòu)做分析，在減震器活塞內(nèi)部或者活塞外部纏繞的勵(lì)磁線圈通電后產(chǎn)生電磁效應(yīng)，根據(jù)需要選擇合適的磁路是本模塊的目的，該模塊需要確定減震器內(nèi)活塞及活塞桿的結(jié)構(gòu)尺寸、線圈纏繞的形式、纏繞位置及圈數(shù)、磁流變液通入的間隙，完成組裝的磁流變減震器如圖5所示，并在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)前已沖入規(guī)定壓強(qiáng)的氮?dú)狻?/p>

圖5 自行設(shè)計(jì)并完成組裝的磁流變減震器

2.4 落震測試模塊

減震器的設(shè)計(jì)確定后，起落架的落震分析在其基礎(chǔ)上求取等效力學(xué)模型分析中的阻尼力和起落架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)狀況。其中油孔分為常油孔和變油孔，減震器油氣腔分為單腔單氣塞、單腔雙氣塞和雙腔減震器。文中選取常油孔和雙腔單氣塞油氣腔進(jìn)行研究，不同類型的油孔和油氣腔結(jié)構(gòu)所需要確定的參數(shù)略有差異，但計(jì)算的方法是相同的［1］。

起落架落震測試試驗(yàn)是模擬飛機(jī)著陸撞擊的一種動(dòng)力試驗(yàn)，在落震試驗(yàn)中通過測量起落架質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和受力情況確定起落架運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)行落震試驗(yàn)的初始條件及仿真條件如表1所示。

表1 起落架落震仿真條件

3 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比分析

按照設(shè)計(jì)的減震器結(jié)構(gòu)，運(yùn)行ANSYS可得到如圖6所示的減震器磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖，圖示曲線表示通入電流0.8 A條件下的磁流變減震器活塞中的磁力線分布情況，中心黑色區(qū)域和周圍灰色區(qū)域?yàn)樽璐挪糠?，Ⅰ處區(qū)域?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度最大處。在合理范圍內(nèi)電流變化得到不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖，通入電流大小隨減震器受到?jīng)_擊力可以做出動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布也是動(dòng)態(tài)變化。

圖6 通入電流0.8 A時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

由公式 (1)可得到各種狀態(tài)下減震器的阻尼出力隨著活塞與缸體相對運(yùn)動(dòng)速度的變化曲線，如圖7所示，其中減震器的最大出力達(dá)到136 kN，阻尼力可調(diào)系數(shù)為11.7，能夠較好實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

圖7 減震器的阻尼出力－速度曲線

載入起落架結(jié)構(gòu)參數(shù)和落震仿真條件，運(yùn)行得到磁流變減震器的起落架落震的行程－時(shí)間曲線、速度－時(shí)間曲線、加速度－時(shí)間曲線如圖8所示。

圖8 活塞行程、速度、加速度曲線

在圖9所示的振動(dòng)試驗(yàn)臺上進(jìn)行震動(dòng)實(shí)驗(yàn)1可以得到磁流變減震器在通入電流前后的減震效果，減震器放置對比行程變化曲線可以發(fā)現(xiàn)加載電流后減震效果明顯。

圖9 阻尼特性實(shí)驗(yàn)臺

由圖10、11可看出在同樣的隨機(jī)振動(dòng)條件下，通入電流的磁流變減震器行程曲線在1.5 s之后的最大振幅減小2/3，減震效果明顯，吸收功量變大，減震器的工作效率大幅度提升，符合在飛機(jī)減震器上加入磁流變因素的初衷，并得到仿真的驗(yàn)證。

圖10 未通入電流情況下減震器行程曲線圖

圖11 通入0.8 A電流情況下減震器行程曲線圖

4 結(jié)束語

對比振動(dòng)試驗(yàn)，仿真平臺運(yùn)行結(jié)果比較接近實(shí)際，這也表明該仿真平臺的實(shí)用性及其在磁流變減震器設(shè)計(jì)和起落架落震測試方面的合理性。起落架落震仿真在該平臺上的實(shí)現(xiàn)為后期平臺上加入起落架滑跑振動(dòng)測試模塊和全機(jī)振動(dòng)測試模塊奠定了基礎(chǔ)。

落震測試是起落架振動(dòng)測試的重要部分，關(guān)系到飛機(jī)起降安全，但如今相關(guān)的虛擬仿真技術(shù)還不夠方便準(zhǔn)確，文中建立的仿真平臺結(jié)合人機(jī)交互界面的友好性和后臺核心軟件的動(dòng)力學(xué)分析優(yōu)勢，讓磁流變起落架的落震仿真測試操作簡便、簡單易懂。在新設(shè)計(jì)投入樣機(jī)制造和實(shí)驗(yàn)之前在該平臺上得到可靠的仿真測試結(jié)果，一定程度上能夠縮短飛機(jī)起落架部分的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。

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