多輪起落架的數(shù)字化建模及其動(dòng)態(tài)性能仿真

楊尚新

【摘 要】在笛卡爾坐標(biāo)系中建立了飛機(jī)起落架著陸過程的等效數(shù)學(xué)模型；基于ADAMS/Aircraft模塊建立了多輪式起落架的著陸動(dòng)態(tài)性能分析模型并完成全機(jī)數(shù)字樣機(jī)的裝配。對仿真結(jié)果進(jìn)行研究分析，得出結(jié)論：多輪式起落架能夠有效地分散地面載荷，大大地減小起落架單個(gè)機(jī)輪承受的壓力，增大飛機(jī)的漂浮性，提高飛機(jī)起飛著陸的安全性，并在一定程度上延長起落架及跑道的使用壽命。該研究內(nèi)容及方法為今后的大飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)提供有益的參考。

【關(guān)鍵詞】多輪起落架；數(shù)字建模；動(dòng)態(tài)響應(yīng)

【Abstract】It established an equivalent mathematical model of Landing gear in Descartes Coordinate System .The digital prototypes of the Landing gear and full-aircraft with multi-wheels were established based on MSC ADAMS/Aircraft software. Via research and analysis of the simulation results， it draws conclusions that Landing gear with multi-wheels can scatter ground load and decrease burden on single wheel efficiently. As a result， the floatation and security of aircraft will be improved greatly. Also the life of Landing gear and the runway will be prolonged. The beneficial references are provided for the design of large aircraft in the future.

【Key words】Landing gear with multi-wheels； Digital modeling； Dynamic response

0 引言

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，重型飛機(jī)起落架的主起落架，面臨著兩個(gè)必須解決的問題，一是機(jī)場跑道的強(qiáng)度滿足不了重型飛機(jī)的著陸要求：由于飛機(jī)重量的增加，機(jī)輪載荷相應(yīng)成倍地增加，導(dǎo)致跑道道面應(yīng)力很高，嚴(yán)重情況下會使道面開裂、變粗糙和形成波形，加快結(jié)構(gòu)疲勞和輪胎磨損，導(dǎo)致昂貴的起落架和跑道維修費(fèi)用；二是機(jī)輪直徑的增大，給起落架的收藏帶來了很大的困難[1]。而采用多輪式起落架能很好地解決這些問題。本文在ADAMS/Aircraft環(huán)境下建立四輪車式及六輪（三對雙輪串列）[2]式起落架模型并裝配全機(jī)的虛擬樣機(jī)，對多輪系飛機(jī)起落架進(jìn)行著陸動(dòng)態(tài)性能仿真，通過對二者的仿真結(jié)果對比分析，得出在一定的重量范圍內(nèi)，六輪式較傳統(tǒng)的四輪式起落架的優(yōu)勢所在，定量地說明了多輪式起落架在解決上述問題方面的效果。

1 飛機(jī)著陸等效模型的建立

1.1 坐標(biāo)系的選取

飛行動(dòng)力學(xué)的坐標(biāo)系通常是右手笛卡爾坐標(biāo)系，本文采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）規(guī)定的“前X右Y下Z”體系（如圖1所示）。即沿飛機(jī)縱軸航向的方向?yàn)閄軸的正方向，垂直于X軸沿翼展指向右翼方向?yàn)閅軸的正方向，豎直向下為Z軸的正方向。在此坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上建立起落架的動(dòng)力學(xué)模型。

1.2 起落架簡化模型

為了使建立的模型便于計(jì)算，同時(shí)又能較準(zhǔn)確地反映真實(shí)起落架的受力情況，本文亦采用二質(zhì)量理論[3]建立如圖2所示的等效模型。圖中根據(jù)起落架結(jié)構(gòu)中各部分的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，把系統(tǒng)劃分為：彈簧支承質(zhì)量（空氣彈簧所支承的質(zhì)量，包括機(jī)身、機(jī)翼、緩沖器外筒等，即ma）和非彈簧支承質(zhì)量（包括緩沖器活塞桿、剎車裝置、機(jī)輪及車架等，即mb）。

如圖2中模型所示，支柱力通常可表示為：

F1=Fa+Fh+Ff

其中，F(xiàn)a為空氣彈簧力，F(xiàn)h為油液阻尼力，F(xiàn)f為摩擦力。另外，緩沖器正反行程摩擦力可以按照緩沖器總軸向力的5%來計(jì)算[4]。

在氣體等溫壓縮的理想條件下，圖中支柱和輪胎模型可簡化為一個(gè)質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)來描述[5-6]，所受的力分別為

ADAMS/Aircraft模塊是ADAMS軟件[9]的一個(gè)擴(kuò)展模塊，是在各種測試條件下建立起落架和全機(jī)模型的一個(gè)專用平臺，提供了優(yōu)越的起落架建模環(huán)境：標(biāo)準(zhǔn)模板和模板生成器。在這個(gè)平臺上可以建立起落架和全機(jī)的數(shù)字虛擬樣機(jī)，精確模擬物理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

2.1 虛擬樣機(jī)模板的建立

ADAMS/Aircraft模塊中的樣機(jī)模型都是以模板為基礎(chǔ)的，然后通過調(diào)用模板來生成子系統(tǒng)，最后由子系統(tǒng)來裝配生成全機(jī)的數(shù)字化模型。所以各子系統(tǒng)模板的建立是最為關(guān)鍵、重要的一步。其建立方法主要有兩種：

（1）直接打開軟件自帶的標(biāo)準(zhǔn)模板，通過修改其中各個(gè)部分的參數(shù)來生成符合實(shí)驗(yàn)要求的新模板。

（2）利用模板生成器從定義最基本的硬點(diǎn)（hardpoints）開始逐步生成最終的樣機(jī)模板。

利用模板生成器建立起落架模板的基本步驟（圖3）如下：

（1）進(jìn)入模板生成器，定義環(huán)境變量，創(chuàng)建硬點(diǎn)（hardpoints）。

（2）根據(jù)需要利用點(diǎn)或坐標(biāo)創(chuàng)建結(jié)構(gòu)框架（construction frame），construction frame實(shí)質(zhì)上是地面上的標(biāo)記點(diǎn)，帶有方向?？捎糜诓考亩ㄎ唬貏e是在最后建立輸入、輸出通信器的時(shí)候必不可少。

（3）創(chuàng)建各個(gè)組成部件。這個(gè)過程包括創(chuàng)建部件（part）及其幾何外形（geometry）并定義緩沖系統(tǒng)的屬性等。注意，由于ADAMS/Aircraft開始創(chuàng)建的部件不包含幾何外形，所以二者要分開來建立。

（4）給各個(gè)部件添加連接約束。

（5）創(chuàng)建用來在模板之間互相傳遞信息的輸入/輸出通信器（communicator），對各模板通信器進(jìn)行測試，確定通信器正確無誤后即完成模板的建立。

以上為起落架模板建立的一般步驟，輪胎和機(jī)身模板的建立相對簡單一些，定義好若干點(diǎn)、結(jié)構(gòu)框架及通信器等之后，直接調(diào)入屬性文件即可生成。

2.2 模型子系統(tǒng)的建立

樣機(jī)的各部件模板建立完成之后，打開ADAMS/Aircraft的標(biāo)準(zhǔn)界面窗口，可通過調(diào)入上面建立的模板直接生成各子系統(tǒng)。本文建立了普通雙輪前起落架子系統(tǒng)，以及四輪車式和六輪（三對雙輪串列）式兩種主起落架子系統(tǒng)（如圖4所示）。

由于機(jī)身的樣機(jī)形狀不影響仿真結(jié)果，所以本文直接調(diào)用了模板機(jī)身，定義其質(zhì)量、慣矩、重心位置等參數(shù)，然后通過修改輪胎文件的參數(shù)分別創(chuàng)建了機(jī)身子系統(tǒng)及前、主起輪胎子系統(tǒng)。

2.3 全機(jī)數(shù)字樣機(jī)模型的建立

將上面建立好的各子系統(tǒng)正確裝配起來即完成多輪飛機(jī)的全機(jī)數(shù)字模型的建立。本文最后裝配完成的全機(jī)數(shù)字樣機(jī)模型如圖5所示。

3 全機(jī)著陸仿真與分析

在ADAMS/Aircraft標(biāo)準(zhǔn)界面環(huán)境下裝配好全機(jī)著陸模型后按表1所列參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

假設(shè)飛機(jī)兩點(diǎn)對稱著陸，仿真結(jié)果如圖6～圖10所示。

仿真結(jié)果分析：

（1）在著陸碰撞后，六輪式主起飛機(jī)的水平航向速度明顯比四輪式主起飛機(jī)的減小的快，能在一定程度上縮短著陸滑跑距離。

（2）兩種主起落架緩沖系統(tǒng)吸收的著陸功量相當(dāng)，但六輪式主起飛機(jī)單個(gè)機(jī)輪對地面的壓力要比四輪式小30%左右，極大地降低了機(jī)輪對跑道單位面積的壓力，從而減小起落架及跑道的的維修費(fèi)用，延長了起落架及跑道的使用壽命。同時(shí)提高了飛機(jī)的漂浮性能，增強(qiáng)了飛機(jī)起飛著陸的安全性。

（3）起落架緩沖器功量圖比較飽滿，說明起落架在第一次緩沖行程中吸收了絕大部分能量，另外飛機(jī)在著陸碰撞后重心高度逐漸趨于平穩(wěn)，地面對機(jī)輪作用力的變化亦與輪胎壓縮情況一致。以上情況均與實(shí)際的物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢吻合，所以可證明所建立的模型是可靠的。

4 結(jié)論

（1）與增加支柱相比，增加機(jī)輪后的六輪主起落架系統(tǒng)，既能有效地分散路面載荷、減小單個(gè)機(jī)輪的受力，又能使飛機(jī)有不超過三個(gè)主起落架支柱，大大地降低了起落架系統(tǒng)及操縱機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。

（2）ADAMS/Aircraft模塊能夠快速準(zhǔn)確地建立起落架系統(tǒng)模型及全機(jī)模型，并且能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能仿真，可靠度高，較之周期長、費(fèi)用高的物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)有無可替代的優(yōu)勢。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代CAD/CAE相結(jié)合的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)一體化技術(shù)必將成為今后工業(yè)設(shè)計(jì)的主流設(shè)計(jì)手段。

【參考文獻(xiàn)】

[1]航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)委員會.飛機(jī)起落架強(qiáng)度設(shè)計(jì)指南[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社， 1989：672-683.

[2]諾曼·斯·柯里.飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)原理和實(shí)踐[M].北京：航空工業(yè)出版社，1990：1-7.

[3]呂祥生，聶宏.基于MCS算法的飛機(jī)起落架仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2007，24（1）：55-57.

[4]王惟棟，任志勇.多支柱起落架停機(jī)載荷仿真分析[J].飛機(jī)工程，2006，3：19-21.

[5]袁東.飛機(jī)起落架仿真數(shù)學(xué)模型建立方法[J].飛行力學(xué)， 2002，20（4）：44-47.

[6]Howlett J.J. UH-60A Black Hawk Engineering Simulation Program[R].NASA-CR-166309，1981.

[7]Mechanical Dynamics Inc， Road Map to ADAMS/Aircraft Documentation[Z]. ADAMS12.0 help， 2002

[8]Mechanical Dynamics Inc， Road Map to ADAMS/View Documentation[Z]. ADAMS12.0 help， 2002

[9]李軍，邢俊文，覃文潔，等.ADAMS實(shí)例教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.

[責(zé)任編輯：曹明明]