基于UG/ADAMS的起落架緩沖性能仿真分析

劉嘉平+劉海寧+黃杰+劉晨暉

摘要：該文基于初教六起落架實體為參照，利用UG建立了起落架的三維模型，并利用ADAMS對建立的起落架模型進行緩沖受力分析。應用以上建立的模型，進行了主起落架和副起落架在不同環(huán)境中的著陸緩沖動力學仿真分析，并將仿真實驗的分析結果與實測數據進行了分析與比較，分析結果表明此分析方法適用于飛機起落架的仿真模擬。

關鍵詞： UG；ADAMS；起落架；緩沖性能

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）06-0249-03

飛機起落架的收放系統(tǒng)是飛機液壓系統(tǒng)中管路復雜、故障率高、直接危害到飛機起降安全并引起學者研究的關鍵性系統(tǒng)。而對于起落架而言，其緩沖性能直接關系到起落架落地時受到的載荷，對起落架的壽命和檢修有重要的影響。由于飛機起落架測試的成本昂貴、實物緊缺，不易根據現(xiàn)實情況進行調整，而且測試在各個環(huán)境中的起落架的動態(tài)性能更是費時費力。之前也有其他的仿真模擬的方法，但是基于有初教六起落架的退役實物，利用UG可以快速、便捷、有效地建立起落架的三維起落架模型，再利用ADAMS將UG的建模導入并對其力學性能進行仿真分析。此分析方法應用廣泛可以對飛機在各種工況下起落架的減震性能和受力情況進行模擬，虛擬模型的仿真實驗相較于傳統(tǒng)的實物測試而言成本較少、實現(xiàn)起來比較容易、可靠性也比較高，而且能夠隨時地根據實驗分析出來的結果對起落架的設計和維護進行改進。

目前對起落架的仿真分析相對于其他航空部件而言較少，仿真分析能為工業(yè)用戶提供從產品設計、性能優(yōu)化、試驗測試甚至到故障診斷各階段的技術支持，從而達到優(yōu)化產品、降低開發(fā)成本、提高產品質量等優(yōu)點。另一方面而言，在高校教學中教具的稀缺不利于學生加深對起落架的深入學習，因此大學生對起落架進行緩沖性能仿真分析有其獨特的現(xiàn)實意義。

1 UG起落架建模

因為ADAMS其建模的局限性不利于起落架此類復雜機構的建模，故本文采用UG對起落架進行三維建模。起落架的主要結構包括輪胎、緩沖器、作動筒、收放機構和緩沖支柱五部分。根據初教六的實體退役起落架進行實地測量，得到相應的尺寸數據，然后利用UG建模模塊逐個繪制起落架上各個零部件的三維模型，并從起落架的承力結構開始從最上面開始各個部件的裝配以形成整體模型。為了提高起落架模型在ADAMS中的計算效率和難易程度，在建立模型時對初教六的實體進行了適當的簡化，比如在結構中省略了一些小的插銷和螺栓一些不影響整體受力的結構。起落架的模型如圖1所示。

2 起落架緩沖性能仿真分析

2.1 起落架緩沖模型建立

將之前UG中建立的模型保存為Parasolid格式的文件以便于將其導入到ADAMS中進行力學分析。在ADAMS環(huán)境中的File菜單選擇中我們使用import命令將其導入。Parasolid格式的文件導入到2ADAMS中后可以很好地繼承原來UG三維建模中的位置關系、質心位置、轉動慣量和質量信息等各種屬性，但是其裝配關系沒有完全導入，所以需要添加約束將其裝配關系進行重新設定和整理。重新設定一個地面為參照面并鎖緊，在各連接鉸點處添加轉動副，在減震器中添加移動副，添加動力源于承力機構，并輸入著陸水平速度和著陸下沉速度。將空氣彈簧力、油液阻尼力的相應參數添加到減震器的模型上，同時將水平摩擦力和內部摩擦力分別設置到輪胎和活塞作動筒上。重新定義長度單位為m，力學單位為N，重力設定為垂直于參照面向下。

2.2 起落架緩沖仿真力學模型的建立

起落架的3D模型裝配完成后，就可進行起落架落震仿真實驗。起落架的具體參數如表1所示。

在ADAMS環(huán)境下，如果要分析起落架在一定水平速度及垂直速度下進行降落的緩沖性能，則需要在起落架上以一個點為基準設置并添加驅動，然后利用ADAMS中對象運動檢測測量的功能，對整個模型進行一個全面的運動檢測。將仿真時間設置為3s，利用ADAMS中的View模塊提供的對部位的測量可以對起落架從承力結構到最下方的輪胎的相對位移和各種受力情況進行測量。起落架的緩沖系統(tǒng)包括輪胎和緩沖器這兩個部件，本文則需要完全模擬緩沖器受力情況并將受力的變化公式設置到3D的建模上。緩沖器軸向力包括：減震器內部的油液阻尼力、作動筒和活塞之間的摩擦力和空氣彈簧力。另外，當緩沖器中活塞的位移達到最大值和活塞達到最小行程時，作用其上的軸向力可直接由緩沖器整體的結構限制力確定。

減震器內部的作動筒受到的空氣彈簧力的受力通過式（1）可見，表示總的彈力；表示作動筒的壓氣面積也就是橫截面積；表示作動筒內的起始壓強；代表大氣的壓強；代表著陸前作動筒內的空氣體積；代表緩沖器行程；表示作動筒多變系數。本文根據初教六的實體退役起落架進行數據的測量并將標準情況下的參數代入到模型之中。

初教六起落架的緩沖機構采用緩沖彈簧變油支撐孔型節(jié)流閥。當著陸時取較小的速度時，油液只流經常油孔。當著陸速度取一個較大的值時，總體阻力變大，即閥門左右兩側的壓差逐漸變大，從而產生了克服彈簧作用的預緊力，使得變油孔在壓力下打開。緩沖器伸張的時候，變油孔閉合，只有常油孔工作。油阻尼力的力學公式如下所示：

如上述式（2），變油孔閉合，只有常油孔工作時，油阻尼力的力學計算公式變更為；當變油孔開通時，常油孔和變油孔同時參與流通時，滑油阻尼力的力學公式改為。其中，代表油的阻尼力；為油液的密度；為作動筒的橫截面積；為油液流動誤差系數；是油孔的橫截面積；是常油孔的橫截面積；是變油孔橫截面積；是緩沖機構的壓縮速率。

對于起落架所有結構配合時的內部摩擦力而言，由于搖臂式起落架的活塞支柱沒有承受徑向力，可以認為緩沖機構的作動筒與活塞支柱之間的摩擦力和緩沖機構內部的空氣壓力形成正比。即：

式（3）中的為當量摩擦系數，一般值在0.12到0.21之間。除此之外我們在建模時同時還要考慮緩沖支柱的結構限制力和輪胎模型。緩沖支柱的結構限制力如下所示：

式（4）中， 為結構限制剛度；為緩沖支柱行程；為緩沖支柱最大行程。

式（5）中，是輪胎垂直振動當量阻尼系數，一般可以取值為0.039m/s；是輪胎靜壓參數。

輪胎和著陸面之間的摩擦力為：

式（6）中，是輪胎與著路參考面之間的摩擦系數。

上述參數中絕大部分參數為定值，可以通過對實物的測量和起落架設計數據的收集得到并將其簡化代入。而對于緩沖器行程、緩沖器速度等變量，則需要在緩沖器上添加相應的傳感器以測量其變化并進行采集。同時需要對緩沖器、緩沖支柱和輪胎進行力學模型公式的修改，右鍵對應的模型部位選擇modify功能將簡化代入數據后的公式輸入編輯以符合起落架的受力分析要求。

2.3 起落架緩沖受力分析

在菜單中找到plotting功能，將仿真參數代入，修改其橫縱坐標觀測參數可得到如下圖：

仿真結果分析：

圖2是緩沖結構的受力功量圖，能夠看出變化的走勢較為飽滿，這表示在一次行程之中緩沖機構吸收了較大的能量沖擊。圖3為緩沖機構中的活塞位置變化隨時間變化的曲線，由試驗結果表明在緩沖作用中活塞的最大行程為352.5mm，設計最大行程是362.9mm，不超過設計要求，能滿足機構正常使用。

圖4表示的是減震緩沖機構所受合力隨時間變化曲線，起落架在一定水平速度和縱向速度下開始接觸著陸表面后可見緩沖機構迅速壓縮。于0.12s時，緩沖支柱力達到峰值，最大峰值能達到808.91kN，然而起落架的理論靜載荷是336.9kN，可以得到，起落架所受力的峰值是起落架靜態(tài)時載荷的2.5倍左右。但是緩沖支柱力的最小值仍然比零大，這表明了起落架依然沒有離開著陸參考面，這也可以從圖5中一個輪胎所受縱向力大于零這點來推斷出?？諝鈴椈闪陀鸵鹤枘崃Φ某跏夹谐痰耐禃r間是0.72s，最大值是0.8s，說明著陸效果可以滿足彈簧力和阻尼力的要求。

圖6表示的是起落架在著陸緩沖時的重心位置隨著時間變化的曲線，圖中可以看出起落架重心的變化相對平緩，沒有變化趨勢突變的點，說明起落架的減震效果達到要求。

3 結論

本文對初教六搖臂式起落架緩沖系統(tǒng)進行了著陸性能的受力分析并推導了相關的力學公式，并依據實物利用UG完成了對初教六起落架的3D建模，利用ADAMS在不同環(huán)境中進行了仿真分析，并對仿真結果與實際數據進行了比較。本文是基于初教六的實物模型進行模型的建立和分析，對于其他型號的起落架分析需稍作修改，但是實驗結果符合要求，可以說明利用UG8.0和ADAMS這種方法對起落架進行力學仿真分析是切實可行的，并可予以推廣及應用。

參考文獻：

[1] 周宏兵.基于ADAMS仿真技術的挖掘機鉸點受力分析[J].鄭州大學學報，2009.

[2] 張春山.基于ADAMS抓斗機構運動和受力分析[J].農業(yè)裝備與車輛工程，2011（4）.

[3] 李卓然.基于UG和ADAMS的采摘機器人動力學仿真分析[J].農機化研究，2016（11）.

[4] 王仲民，周鵬，劉玉山. UG與ADAMS的助行機器人動力學建模與仿真[J].機械與電子，2012（5）：72-74.

[5] 龔龍，張春雷.基于SolidWorks與Adams的焊接機器人動力學仿真[J].中國西部科技，2015（7）：36-39.