飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)研究

中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 劉順濤 陳雪梅 趙正大 尹華彬

現(xiàn)代軍機(jī)結(jié)構(gòu)中含有大量運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這些機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)副（連桿、鉸鏈等）數(shù)量眾多，運(yùn)動(dòng)過程和運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜多變，給設(shè)計(jì)及裝配過程帶來了巨大挑戰(zhàn)。通過虛擬仿真技術(shù)對(duì)這些復(fù)雜運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行分析和仿真，能有效地幫助工藝人員進(jìn)行工藝分析，找出運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的可調(diào)量，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工人進(jìn)行安裝調(diào)試，縮短設(shè)計(jì)及裝配周期。

本文采用CATIA的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊DMU對(duì)飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真和分析，能夠有效模擬飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為其設(shè)計(jì)、優(yōu)化及裝配提供了依據(jù)。

1 起落架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)是飛機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一，它為飛機(jī)起飛、著陸、滑行和地面停放提供支撐，同時(shí)也能吸收飛機(jī)在滑行和著陸過程中的振動(dòng)和沖擊。幾乎所有軍用和民用飛機(jī)在起飛著陸過程中都伴隨有起落架的收放運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)代軍機(jī)空地循環(huán)周期短的特點(diǎn)導(dǎo)致起落架使用頻繁、故障幾率增大，而在起落架系統(tǒng)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件中，收放機(jī)構(gòu)在使用中出現(xiàn)故障的概率較高。

起落架裝置中包括起落架收放裝置和起落架前艙門兩套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由艙門作動(dòng)筒對(duì)起落架前艙門，收放作動(dòng)筒對(duì)起落架分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。收起起落架的工作流程為：艙門作動(dòng)筒動(dòng)作打開起落架艙前門，撐桿作動(dòng)筒動(dòng)作拉動(dòng)撐桿由鎖死部位至可運(yùn)動(dòng)部位，然后收放作動(dòng)筒動(dòng)作收起起落架，同時(shí)帶動(dòng)起落架后艙門關(guān)閉，最后艙門作動(dòng)筒動(dòng)作關(guān)閉起落架前艙門。

2 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

運(yùn)動(dòng)學(xué)理論已經(jīng)指出，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)仿真需滿足自由度為0的條件[1]，即：

式中，n為運(yùn)動(dòng)構(gòu)件總數(shù)，m為運(yùn)動(dòng)副總數(shù)，l為驅(qū)動(dòng)器總數(shù)，pi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的約束個(gè)數(shù)，qj為第j個(gè)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)約束條件數(shù)，rk為其他約束條件個(gè)數(shù)。

基于如上定義，某型機(jī)起落架前艙門和收放裝置的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由度均應(yīng)為0，以實(shí)現(xiàn)其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。

以此為依據(jù)，可在CATIA的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊DMU對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真。仿真的關(guān)鍵步驟是在運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)中各個(gè)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的運(yùn)動(dòng)部件之間，定義合適的運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行必要的約束和連接，以滿足運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自由度為零的要求[2]。機(jī)構(gòu)中每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件通常都包括多個(gè)運(yùn)動(dòng)副，該起落架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真中涉及的運(yùn)動(dòng)副包括：固定副、旋轉(zhuǎn)副、圓柱副、球面副、U型副等。其中固定副、旋轉(zhuǎn)副、圓柱副、球面副在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中形式單一，運(yùn)動(dòng)也相對(duì)簡(jiǎn)單。U型副相對(duì)復(fù)雜，它允許兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件之間有兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，等同與軸線相交的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，用于傳遞兩根相交軸之間的運(yùn)動(dòng)，本質(zhì)上是一個(gè)球鉸4桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)主動(dòng)軸以角速度ω1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出軸以角速度ω2=ω1cosα（α）為主動(dòng)軸與輸出軸的夾角）運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)副的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)兩運(yùn)動(dòng)軸之間的夾角發(fā)生變化時(shí)，運(yùn)動(dòng)傳遞不會(huì)發(fā)生中斷，僅兩軸之間的瞬時(shí)傳動(dòng)比發(fā)生變化。

圖1 某型機(jī)起落架運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Kinematic scheme of a type of aircraft landing gear

在運(yùn)動(dòng)仿真中，U型副通常與球面副成對(duì)出現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，可調(diào)拉桿兩端的孔徑遠(yuǎn)大于與之相連的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件軸徑。構(gòu)件1為可調(diào)拉桿（實(shí)際安裝中長(zhǎng)度可調(diào)），構(gòu)件1與2之間、構(gòu)件1與3之間均為帶夾角的轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)件1起到傳遞轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。將構(gòu)件1與2之間定義為U型副，構(gòu)件1與3之間定義為球面副，即能保證運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)動(dòng)而且無多余的自由度，機(jī)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 U型副與球面副運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Kinematic scheme of U-joint and ball-joint

3 仿真結(jié)果與分析

參照以上分析對(duì)某機(jī)型起落架機(jī)構(gòu)進(jìn)行完整的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，以圖1（b）為依據(jù)對(duì)起落架運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分解，轉(zhuǎn)換約束為運(yùn)動(dòng)副，對(duì)作動(dòng)筒添加驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行仿真后可最終得到整個(gè)起落架工作過程中的每個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

如前文所述，該運(yùn)動(dòng)仿真包括了起落架收放裝置和起落架前艙門兩套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)共3個(gè)驅(qū)動(dòng)器（艙門作動(dòng)筒、收放作動(dòng)筒和撐桿作動(dòng)筒），因此利用DMU進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，應(yīng)相應(yīng)地定義3組運(yùn)動(dòng)機(jī)制，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的邏輯關(guān)系對(duì)3種機(jī)制進(jìn)行順序定義，以實(shí)現(xiàn)完整的運(yùn)動(dòng)仿真。

在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)根據(jù)作動(dòng)器的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況建立規(guī)則關(guān)系（如驅(qū)動(dòng)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系）用于驅(qū)動(dòng)仿真，如圖3所示。

圖3 用于驅(qū)動(dòng)仿真的規(guī)則關(guān)系Fig.3 Laws used to drive the simulation

運(yùn)動(dòng)副定義和仿真設(shè)置完成后，可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)起落架運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行多種分析檢查。

（1）零件干涉檢查。利用DMU的“碰撞檢查”功能可檢查零件在運(yùn)動(dòng)過程中的干涉情況，即在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，如果出現(xiàn)了零件之間的干涉，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)仿真并標(biāo)明干涉位置。這項(xiàng)功能能夠有效地幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，調(diào)整設(shè)計(jì)。

（2）運(yùn)動(dòng)軌跡分析。利用DMU的“運(yùn)動(dòng)軌跡”功能 可以測(cè)量分析運(yùn)動(dòng)部件上任意部位的運(yùn)動(dòng)軌跡。如圖4所示為輪胎中心軸線在整個(gè)起落架收放過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡。

（3）運(yùn)動(dòng)速度及加速度分析。利用DMU的“速度/加速度”功能可以測(cè)量分析運(yùn)動(dòng)部件上任意一點(diǎn)的速度和加速度。如圖5所示為輪胎中心點(diǎn)在整個(gè)起落架收放過程中的速度與加速度曲線。

圖4 輪胎中心軸線運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Motion track of the central axis of tire

圖5 輪胎中心點(diǎn)運(yùn)動(dòng)曲線Fig.5 Motion cure of tire center

（4）掃掠包絡(luò)體分析。

利用DMU的“掃掠包絡(luò)體”功能可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)過程所掃過的體積。如圖6所示為起落架艙門在整個(gè)起落架收放過程中所掃掠過的包絡(luò)體。

圖6 起落架艙門運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體Fig.6 Motion swept volume of landing gear door

4 結(jié)束語

進(jìn)行起落架機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真能使設(shè)計(jì)與工藝人員直觀地看到各運(yùn)動(dòng)部件間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)過程，得到許多試驗(yàn)難以得到的仿真結(jié)果，從而可以直觀地進(jìn)行機(jī)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整與改進(jìn)，方便現(xiàn)場(chǎng)工人進(jìn)行安裝調(diào)試，有效地縮短設(shè)計(jì)及裝配周期。

本文通過對(duì)起落架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的仿真技術(shù)研究，能夠指導(dǎo)工藝人員對(duì)起落架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否合理，更好地開展起落架機(jī)構(gòu)的審圖工作。當(dāng)設(shè)計(jì)部門對(duì)起落架的結(jié)構(gòu)件提出更改時(shí)，能夠通過仿真查看起落架整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中是否發(fā)生干涉。該仿真技術(shù)還能幫助工藝及裝配人員熟悉起落架機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，更好地完成現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試安裝工作。

開展起落架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)研究對(duì)制造單位具有重要意義，其應(yīng)用及推廣能夠有效地預(yù)防、解決起落架的設(shè)計(jì)、安裝及調(diào)試過程中的各種問題。目前，此類運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真技術(shù)研究還處于起步階段，后續(xù)研究還可在運(yùn)動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，利用ANSYS等有限元軟件對(duì)工作過程中的主要承力連接臂進(jìn)行有限元分析，以及利用ADAMS等系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)/性能仿真等工作。

[1] 孫桓，陳作模，尤春風(fēng)．機(jī)械原理.北京:高等教育出版社，2001.

[2] 尤春風(fēng)．CATIA V5高級(jí)應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社，2006.