起落架收放系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真

魏亮亮，范建博，何煜文

(中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司西飛設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710089)

引言

為了減少飛行中的空氣阻力，大型飛機(jī)一般設(shè)置有起落架收放系統(tǒng)，其功能是保證飛機(jī)起飛后起落架可靠收起，著陸前起落架可靠放下[1-2]。在起落架收放過(guò)程中，液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)起落架機(jī)構(gòu)，使起落架按照一定的軌跡作空間運(yùn)動(dòng)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行的起落架收放系統(tǒng)建模，多側(cè)重于起落架機(jī)構(gòu)或液壓控制系統(tǒng)，不能綜合考慮起落架負(fù)載的不斷變化和液壓控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[3-5]基于ADAMS仿真平臺(tái)建立了起落架收放的動(dòng)力學(xué)模型，分析了起落架收放過(guò)程的力學(xué)特征，但由于液壓等控制系統(tǒng)壓力過(guò)于簡(jiǎn)化，導(dǎo)致輸出結(jié)果與實(shí)際相差較大；文獻(xiàn)[6-10]基于AMESim、Flowmaster等流體仿真軟件建立了起落架收放液壓控制系統(tǒng)模型，分析了液壓控制系統(tǒng)參數(shù)對(duì)起落架收放的影響，但是忽略了起落架收放過(guò)程中不斷變化的負(fù)載，其結(jié)果也不準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[2，11-15]將起落架負(fù)載與液壓控制系統(tǒng)綜合起來(lái)，建立了聯(lián)合仿真模型，但是其研究對(duì)象為單個(gè)起落架和部分液壓控制系統(tǒng)，缺少起落架之間的相互作用研究及完整的液壓系統(tǒng)的影響特性分析。為了對(duì)起落架收放系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的建模與仿真，以某型機(jī)為例，基于新一代3D CAE平臺(tái)Simcenter 3D中的動(dòng)力學(xué)仿真模塊Motion和流體仿真軟件AMESim建立了整機(jī)狀態(tài)下，起落架機(jī)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真虛擬樣機(jī)模型，對(duì)液壓控制系統(tǒng)的壓力流量特性、起落架收放機(jī)構(gòu)負(fù)載和各起落架間相互作用等方面展開(kāi)深入研究。

1 起落架收放系統(tǒng)原理

1.1 起落架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理

某型機(jī)起落架布局為前三點(diǎn)式，前起落架收起時(shí)，作動(dòng)筒的活塞桿伸長(zhǎng)，將緩沖支柱跟機(jī)輪一起逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)可折斜支柱向內(nèi)折疊，如圖1所示；主起落架收起時(shí)，作動(dòng)筒縮短，從而轉(zhuǎn)動(dòng)吊掛框架；當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)框架時(shí)，斜支柱使緩沖支柱轉(zhuǎn)動(dòng)并將其壓到收起位置上，同時(shí)吊掛框架經(jīng)拉桿和穩(wěn)定緩沖器轉(zhuǎn)動(dòng)(翻轉(zhuǎn))機(jī)輪組，如圖2所示。前、主起落架放下與收起過(guò)程相反。

圖1 前起落架收放運(yùn)動(dòng)示意圖

圖2 主起落架收放運(yùn)動(dòng)示意圖

1.2 液壓控制系統(tǒng)工作原理

起落架收放液壓控制系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)由2個(gè)機(jī)載泵供壓，設(shè)有手動(dòng)換向閥，控制起落架收放油路。在收、放起落架時(shí)，手動(dòng)控制換向閥到收起、放下位置，壓力油進(jìn)入收放作動(dòng)筒相應(yīng)的腔內(nèi)，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)筒位移，使起落架完成收、放動(dòng)作，到位后上位鎖、下位鎖將起落架鎖在收起、放下位置(本次研究目標(biāo)主要是起落架收放過(guò)程，將上位鎖、下位鎖忽略)，手動(dòng)控制換向閥到中位，完成起落架收、放。

圖3 液壓控制系統(tǒng)原理

在放起落架的回油路上設(shè)有節(jié)流閥，用于減緩起落架放下速度，防止起落架放下速度過(guò)大對(duì)機(jī)構(gòu)造成沖擊損傷。

1.3 起落架收放系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程

起落架機(jī)構(gòu)是包含眾多運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的三維收放機(jī)構(gòu)，利用Lagrange法建立多體動(dòng)力學(xué)方程[16]進(jìn)行起落架機(jī)構(gòu)建模，選取起落架收放角度作為廣義坐標(biāo)，應(yīng)用拉格朗日第二類(lèi)方程建立機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程：

其中，

(1)

式中，T—— 系統(tǒng)動(dòng)能

U—— 系統(tǒng)勢(shì)能

θ—— 起落架收放角度

M—— 廣義力矩

TP—— 系統(tǒng)平動(dòng)動(dòng)能

TZ—— 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能

mk—— 構(gòu)件質(zhì)量

vxk,vyk,vzk—— 構(gòu)件的速度矢量

ωxk,ωyk,ωzk—— 第k個(gè)構(gòu)件繞自身主慣性軸的角度矢量

Jxx_k,Jyy_k,Jzz_k—— 構(gòu)件的主轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

x0k—— 第k個(gè)構(gòu)件在地面坐標(biāo)系下的重心x坐標(biāo)

Fy—— 液壓作動(dòng)力

Ff—— 機(jī)構(gòu)摩擦力

d(θ) —— 收放作動(dòng)筒的作用力臂

Mw—— 氣動(dòng)阻力

1.4 液壓控制系統(tǒng)方程

如圖4所示，起落架收放作動(dòng)筒負(fù)載的力平衡方程：

圖4 收放作動(dòng)筒原理

F=p1A1-p2A2

(2)

收放作動(dòng)筒的流量連續(xù)性方程：

(3)

(4)

式中，F(xiàn)—— 收放作動(dòng)筒的負(fù)載

p1—— 無(wú)桿腔的壓力

p2—— 有桿腔的壓力

A1—— 無(wú)桿腔的面積

A2—— 有桿腔的面積

Q1—— 無(wú)桿腔的流量

Q2—— 有桿腔的流量

V1—— 無(wú)桿腔的體積

V2—— 有桿腔的體積

βe—— 液壓油的體積彈性模量

通過(guò)節(jié)流孔的流量為：

(5)

式中，Q3—— 節(jié)流孔處流量

S—— 孔口幾何面積

p3—— 上游壓力

p4—— 下游壓力

ρ—— 液壓油密度

C—— 流量系數(shù)

2 起落架收放系統(tǒng)建模

2.1 起落架收放機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

基于動(dòng)力學(xué)仿真軟件Simcenter 3D Motion，以現(xiàn)有起落架數(shù)字樣機(jī)為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)化起落架機(jī)構(gòu)及鎖機(jī)構(gòu)，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)體，在各運(yùn)動(dòng)體間添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，施加摩擦力、慣性力、接觸力和氣動(dòng)載荷等，建立起落架收放機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，如圖5所示。

圖5 起落架收放機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

在起落架收放機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型中，將起落架收放作動(dòng)筒活塞的位移和速度信號(hào)作為輸出變量，將收放作動(dòng)筒的作動(dòng)力作為輸入變量。在進(jìn)行仿真運(yùn)算時(shí)，Motion軟件將作動(dòng)筒活塞的位移和速度輸出到液壓控制系統(tǒng)模型，液壓控制系統(tǒng)根據(jù)位移和速度參數(shù)計(jì)算作動(dòng)筒內(nèi)的流量；同時(shí)收放機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型接收液壓控制系統(tǒng)中作動(dòng)筒的作動(dòng)力作為輸入，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)起落架收放機(jī)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。

2.2 液壓控制系統(tǒng)模型

基于流體仿真軟件AMESim，簡(jiǎn)化某型機(jī)液壓系統(tǒng)，創(chuàng)建換向閥、溢流閥、節(jié)流閥等各液壓輔件和液壓管路并添加參數(shù)，創(chuàng)建聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)交互模塊，建立起落架收放液壓控制系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示。

圖6 液壓控制系統(tǒng)模型

3 起落架收放系統(tǒng)仿真

按表1設(shè)置仿真參數(shù)，0～1 s手動(dòng)換向閥處于中位，液壓泵為蓄壓器充壓；1～51 s，控制手動(dòng)換向閥撥至收起位，收放作動(dòng)筒收起腔供壓，起落架收起；51～100 s控制手動(dòng)換向閥撥至放下位，收放作動(dòng)筒放下腔供壓，起落架放下。

表1 仿真主要參數(shù)

3.1 仿真模型驗(yàn)證

某型機(jī)進(jìn)行了飛行載荷譜測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)起落架的作動(dòng)筒負(fù)載進(jìn)行了測(cè)量，將負(fù)載仿真結(jié)果與某型飛機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖7、圖8所示，兩者數(shù)值大小和變化趨勢(shì)基本一致。

圖7 右主起落架作動(dòng)筒負(fù)載仿真值

圖8 飛行過(guò)程右主起落架作動(dòng)筒負(fù)載試驗(yàn)值

3.2 作動(dòng)筒負(fù)載

作動(dòng)筒負(fù)載曲線如圖9所示，收放主起落架所需最大驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)大于前起落架；2個(gè)主起落架負(fù)載存在微小差異，這是2個(gè)起落架不完全對(duì)稱及機(jī)構(gòu)摩擦力不同造成的。起落架放下時(shí)，作動(dòng)筒負(fù)載存在反向的過(guò)程，這是起落架放下回油管路設(shè)置了節(jié)流閥，回油壓力過(guò)高造成的。另外，負(fù)載方向變化時(shí)存在振蕩現(xiàn)象。

圖9 作動(dòng)筒負(fù)載曲線

3.3 壓力流量特性

起落架收放系統(tǒng)壓力流量曲線如圖10所示，在起落架收起時(shí)，系統(tǒng)壓力先降低，在前起落架收起后，開(kāi)始收主起落架，系統(tǒng)負(fù)載變大，系統(tǒng)壓力升高，在主起落架收起到位時(shí)，系統(tǒng)壓力繼續(xù)升高到最大壓力(泵出口壓力)。在放下起落架時(shí)，系統(tǒng)壓力先降低，但此時(shí)系統(tǒng)壓力波動(dòng)較大，隨后主起落架放下過(guò)程系統(tǒng)壓力升高，隨后前起落架放下，系統(tǒng)壓力繼續(xù)升高，前起落架放下到位后，系統(tǒng)壓力升高至最大壓力(泵出口壓力)。

圖10 壓力流量曲線

從圖10可以看出，泵出口壓力與系統(tǒng)壓力在起落架收放過(guò)程中相差約3 MPa，在起落架收放到位后一致，這是由于泵出口距離系統(tǒng)壓力測(cè)量傳感器較遠(yuǎn)，系統(tǒng)壓降造成。在前起落架收起時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到了最大流量56 L/min，放下時(shí)由于起落架放下回油管路節(jié)流閥的存在，并未達(dá)到最大流量。

3.4 起落架互相影響分析

作動(dòng)筒位移曲線如圖11所示，在整個(gè)起落架收起過(guò)程中，由于前起落架重量較小，先收起，隨后左、右主起落架收起。在左、右主起落架收起過(guò)程中，存在左主起落架“等待”右主起落架的現(xiàn)象，這是起落架收起過(guò)程中負(fù)載變化與流量分配造成的，與某型機(jī)實(shí)際收起現(xiàn)象相符；在整個(gè)起落架放下過(guò)程中，左、右主起落架先放下，隨后前起落架放下，這是系統(tǒng)背壓較大造成的；在左、右主起落架放下過(guò)程中，存在右主起落架較長(zhǎng)時(shí)間“等待”左主起落架的現(xiàn)象，這是起落架放下過(guò)程中負(fù)載變化與流量分配造成的，與某型機(jī)實(shí)際收起現(xiàn)象相符。

圖11 作動(dòng)筒位移曲線

4 結(jié)論

(1) 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，本仿真方法及結(jié)果可作為收放系統(tǒng)設(shè)計(jì)及深入研究的依據(jù)；

(2) 起落架放下初始階段，作動(dòng)筒負(fù)載與液壓驅(qū)動(dòng)力方向不一致，負(fù)載方向變化至與液壓驅(qū)動(dòng)力方向一致時(shí)會(huì)出現(xiàn)小幅振蕩；

(3) 系統(tǒng)壓力與作動(dòng)筒機(jī)構(gòu)變化趨勢(shì)相同，系統(tǒng)流量與機(jī)構(gòu)負(fù)載變化趨勢(shì)相反；

(4) 為避免起落架收放過(guò)程中相互影響，重量較小的前起落架一般應(yīng)先于主起落架收起，晚于主起落架放下。