B737飛機主起落架收放機構(gòu)運動分析與仿真模擬

王棟　孔祥芬　成波　張俊

摘 要：該文合理簡化我國民航現(xiàn)役機種B737主起落架收放機構(gòu)，使用數(shù)學(xué)機構(gòu)運動學(xué)分析其收放過程。在此理論分析基礎(chǔ)上，參照中國民航大學(xué)工程訓(xùn)練中心大車間的B737-200型飛機主起落架實體，結(jié)合其飛機維護(hù)手冊（AMM）、圖解零件目錄（IPC）等手冊，使用三維軟件CATIA繪制出B737-200型飛機主起落架收放機構(gòu)的構(gòu)件三維動力學(xué)模型，經(jīng)組裝后進(jìn)行主起落架收放機構(gòu)DMU運動仿真與分析。

關(guān)鍵詞：起落架 收放機構(gòu) 運動分析 CATIA 仿真

中圖分類號：V226.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（c）-0010-05

Abstract：In this paper，a reasonable simplified of our country civil aviation active aircraft B737 main landing gearretraction and extension mechanism，using mathematical mechanism kinematicsto analyzeits retraction and extension process.On the basis of theoretical analysis，it references to B737-200 aircraft main landing gear entitywhich in the large workshop of Engineering Techniques Training Center of CAUC，combining with its aircraft maintenance manual （AMM）、illustrated parts catalog （IPC） and other manuals，using 3D software CATIA to drawitscomponent dynamic models，conductingDMU motion simulation and analysis after assembling the main landing gear components.

Key Words：Landing Gear；Retraction and Extension Mechanism；Kinematic Analysis；CATIA；Simulation

飛機的起飛著陸裝置是起落架?，F(xiàn)代飛機的起落架通常由機輪與剎車系統(tǒng)、承力結(jié)構(gòu)、減震器、收放機構(gòu)、前輪減擺器和轉(zhuǎn)彎操縱機構(gòu)等組成。其中收放機構(gòu)作為起落架核心部件，其適航性直接決定起落架和飛機系統(tǒng)安全性[1]。另據(jù)美國國家運輸安全委員會（NTSB）統(tǒng)計，1993—2003年10年間，各類飛機因起落架系統(tǒng)故障引起的不正常飛行事件占不正常飛行事件總數(shù)的15%，而其中因起落架收放系統(tǒng)故障引發(fā)的事故就占到23%[2]?？梢娖鹇浼苁辗艡C構(gòu)對飛行安全至關(guān)重要，同時在實際教學(xué)中，起落架是一個典型機構(gòu)運動學(xué)分析的例子。對收放機構(gòu)進(jìn)行運動分析不僅是對起落架安全的研究，也有助于教學(xué)的開展及學(xué)生對起落架收放機構(gòu)運動的理解。

運動分析是飛機起落架進(jìn)行機構(gòu)分析的第一步，亦是最關(guān)鍵的一個步驟，其可為后續(xù)的仿真模擬做理論儲備[3]。CATIA V5軟件是CAD/CAE技術(shù)應(yīng)用范圍比較廣的軟件產(chǎn)品之一，它涵蓋了產(chǎn)品開發(fā)的全過程，提供了高度完善的集成環(huán)境[4]。利用CATIA V5可以方便、快捷地建立起落架的數(shù)字樣機模型并為之后的進(jìn)一步起落架運動學(xué)分析提供基礎(chǔ)[5]。由建模得到的起落架3D模型以及仿真模擬動畫有利于實際教學(xué)中學(xué)生理解起落架收放過程。

該文針對我國民航現(xiàn)役機種B737主起落架收放機構(gòu)合理簡化其主要結(jié)構(gòu)，然后使用數(shù)學(xué)機構(gòu)運動學(xué)分析其收放過程并建立運動學(xué)方程。在此基礎(chǔ)上參照中國民航大學(xué)工程訓(xùn)練中心大車間的B737-200型飛機主起落架實體和相關(guān)維修手冊建立其CATIA數(shù)字樣機模型。將虛擬樣機模型在CATIA的DMU模塊中進(jìn)行運動學(xué)仿真分析，檢查機構(gòu)運動的干涉碰撞情況并得到相關(guān)構(gòu)件之間的運動關(guān)系，為今后對該起落架收放機構(gòu)的運動性能分析奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，也為相關(guān)機型的起落架仿真分析及教學(xué)提供了參考。

1 B737飛機主起落架收放機構(gòu)運動分析

起落架收放機構(gòu)運動分析首先是了解整個起落架的機構(gòu)組成及其運動傳遞方式，以確定其原動件、從動件、執(zhí)行部分以及中間的各傳動構(gòu)件和運動副類型。接著對整個起落架進(jìn)行整體的運動分析，正確的繪制出起落架在收上以及放下兩個臨界狀態(tài)的結(jié)構(gòu)簡圖，由此顯示整個飛機起落架收放的內(nèi)部工作原理。最后根據(jù)機構(gòu)原動件的運動規(guī)律和各構(gòu)件之間的運動學(xué)約束關(guān)系，分析并確定其他構(gòu)件的運動規(guī)律，如從動件的角位移、角速度、角加速度，從動件上某些點的軌跡、位移、速度、加速度等運動參數(shù)，為接下來的仿真模擬做理論鋪墊[6]。

1.1 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析

起落架的收放任務(wù)由收放執(zhí)行機構(gòu)完成，它的作用是按指定的運動形式，借助液壓系統(tǒng)將起落架準(zhǔn)確地收或放到飛機上的指定部位。收放機構(gòu)因其各構(gòu)件之間的相對運動不同，分為在同一平面里運動的平面機構(gòu)和在不在一個平面運動的空間機構(gòu)。工程中4個構(gòu)件構(gòu)成的平面四桿機構(gòu)在現(xiàn)代社會中應(yīng)用最為廣泛，部分飛機起落架系統(tǒng)傳動機構(gòu)就是最基本的平面四桿連桿機構(gòu)[7]。該文對主起落架的放下和收上兩個臨界狀態(tài)進(jìn)行機構(gòu)分析，并且對主起落架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從整體上做了必要的簡化。如圖1和圖2分別為B737飛機主起落架的放下狀態(tài)和收上狀態(tài)，主起落架經(jīng)過簡化后主要包括梁支柱、游動梁、收放作動筒、上側(cè)撐桿、下側(cè)撐桿、下位鎖下連桿、下位鎖上連桿、減震支柱和機輪等結(jié)構(gòu)。

1.2 機構(gòu)的自由度

1.2.1 平面機構(gòu)的自由度

構(gòu)件是機構(gòu)的運動單元，一個作平面運動的自由構(gòu)件有3個獨立運動的可能性。當(dāng)兩個構(gòu)件組成運動副后，其獨立運動便受到限制，自由度隨之減少。對構(gòu)件獨立運動的限制稱為約束，運動副的類型不同，引入的約束也不同，保留的自由度也不同。在平面機構(gòu)中，每個低副引入兩個約束，使構(gòu)件失去2個自由度；每個高副引入一個約束，使構(gòu)件失去一個自由度[8]。機構(gòu)的自由度，應(yīng)為活動構(gòu)件自由度總數(shù)與運動副引入的約束總數(shù)之差：

F=3n-2PL-PH （1）

式（1）中：n為活動構(gòu)件數(shù)，即平面機構(gòu)除機架外的構(gòu)件數(shù)；PL為低副數(shù)；PH為高副數(shù)。

在運用式（1）計算機構(gòu)的自由度時，還應(yīng)注意復(fù)合鉸鏈、局部自由度和虛約束等情況。該文因僅涉及復(fù)合鉸鏈情況，特在此著重介紹。若兩個以上的構(gòu)件在同一處以轉(zhuǎn)動副相聯(lián)接，便構(gòu)成復(fù)合鉸鏈。由個構(gòu)件匯成的復(fù)合鉸鏈應(yīng)當(dāng)包含m-1個轉(zhuǎn)動副。

1.2.2 自由度的計算

在主起落架放下狀態(tài)的簡化機構(gòu)中，C和I處是3個構(gòu)件相鉸接的復(fù)合鉸鏈，則n=9，PL=13，PH=0，因此，自由度為：

F=3n-2PL-PH=3×9-2×13=1

在收上過程中，該文假設(shè)主起落架已解除放下并鎖定的臨界狀態(tài)，即下位鎖已解鎖且其上、下連桿已解除過中立狀態(tài)，并且上、下側(cè)撐桿已通過死點位置。只有主起落架收放作動筒通過伸展活塞桿來為收上主起落架這一動作來提供力。在放下過程中，該文假設(shè)主起落架下位鎖已完成開鎖動作，只有主起落架收放作動筒通過收縮活塞桿來為放下主起落架這一動作來提供力。綜上，在整個收放過程中僅有主起落架收放作動筒的活塞桿為原動件，其余活動構(gòu)件為從動件。又因為F>0，且原動件數(shù)目等于機構(gòu)的自由度數(shù)目，所以，該簡化機構(gòu)的各構(gòu)件具有確定的相對運動。

1.3 機構(gòu)的運動分析

為了對主起落架進(jìn)行機構(gòu)運動學(xué)分析，特對圖1進(jìn)行了進(jìn)一步簡化，得出圖3。

圖3中1桿為減震支柱，2桿為下側(cè)撐桿，3桿為下位鎖下連桿，4桿為下位鎖上連桿，5桿為上側(cè)撐桿，6為機架。點A為減震支柱的旋轉(zhuǎn)中心。點F和點E分別為上側(cè)撐桿和下位鎖上連桿的轉(zhuǎn)動支點。圖示為主起落架的放下鎖定狀態(tài)，主起落架收上時，鉸鏈點C將向上運動。通過上面的結(jié)構(gòu)分析，可認(rèn)為B737飛機的主起落架收放運動可劃分為兩個平面四桿機構(gòu)運動。平面四桿機構(gòu)運動分析的解析法常用的有矢量方程解析法、復(fù)數(shù)法和矩陣法。

1.3.1 機構(gòu)的位置分析

該文采用平面四桿機構(gòu)運動分析的復(fù)數(shù)法。為了接下來的分析方便，如圖4所示，建立以起落架減震支柱旋轉(zhuǎn)中心為原點的坐標(biāo)系，并將各構(gòu)件表示為桿矢，各構(gòu)件桿矢的方位角皆由x軸正向開始，按逆時針方向進(jìn)行計量，由部分構(gòu)件所構(gòu)成的ABCFA封閉圖形所形成的封閉矢量方程為：

2 B737飛機主起落架收放機構(gòu)仿真及運動學(xué)分析

2.1 主起落架收放機構(gòu)仿真建模

CATIA V5軟件能夠?qū)嶓w進(jìn)行三維造型的同時，還能直觀、準(zhǔn)確的體現(xiàn)各零部件間的裝配關(guān)系[9]。該文通過實際測量中國民航大學(xué)工程訓(xùn)練中心大車間的B737-200型飛機主起落架構(gòu)件參數(shù)，同時參照飛機維護(hù)手冊（AMM）、圖解零件目錄（IPC）等手冊，運用CATIA建模軟件建立B737飛機主起落架模型。在對B737飛機主起落架適當(dāng)簡化的基礎(chǔ)上，運用CATIA V5軟件分別建立緩沖支柱、上扭力臂、下扭力臂、阻力臂、減震支柱、上側(cè)撐桿、下側(cè)撐桿、機輪和輪軸組件等三維零部件模型，并依據(jù)各零部件之間的裝配關(guān)系進(jìn)行裝配，裝配完成后的主起落架模型如圖5所示。

2.2 主起落架DMU運動仿真與分析

主起落架收放機構(gòu)DMU運動仿真是對實體模型進(jìn)行仿真，能在三維模型中實現(xiàn)機構(gòu)運動過程的可視化，并且實現(xiàn)運動過程的干涉分析[10]。首先按照圖3對收放機構(gòu)模型創(chuàng)建運動副約束、固定構(gòu)件，然后在已經(jīng)定義的C點轉(zhuǎn)動副上，定義運動驅(qū)動，此時主起落架模擬收放機構(gòu)自由度F=0，滿足運動仿真要求。然后設(shè)置主起落架減震支柱的收放極限角度為75°，并且設(shè)置其為勻速運動進(jìn)行仿真，具體仿真運動過程如圖6所示。由于收放機構(gòu)運動過程中，多個構(gòu)件同時運動，所以，需要檢查收放過程中各構(gòu)件之間是否存在動態(tài)干涉。經(jīng)檢查，飛機主起落架收放機構(gòu)各構(gòu)件建模無誤，各構(gòu)件之間無干涉。

3 結(jié)語

該文對合理簡化之后的B737飛機主起落架收放機構(gòu)進(jìn)行運動分析與仿真模擬。首先從結(jié)構(gòu)自由度的角度驗證得出主起落架確實具有確定的相對運動。然后對主起落架從機構(gòu)的位置、速度、加速度進(jìn)行運動分析，得出在其運動過程中各部件隨動變化的運動情況。最后對主起落架進(jìn)行CATIA建模，并運用CATIA的DMU模塊進(jìn)行模型的運動仿真，觀察運動過程中實際部件的相關(guān)運動情況。以上工作不僅是對起落架收放機構(gòu)的研究，也可用于實際教學(xué)，從而有助于學(xué)生對起落架收放機構(gòu)的理解與相關(guān)教學(xué)工作的開展。

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