基于Amesim仿真軟件的飛機(jī)起落架油氣式緩沖器動(dòng)態(tài)性能研究

徐威，梁全，郭麗麗

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870）

0 引言

起飛著陸系統(tǒng)是飛機(jī)的重要組成部分，在飛機(jī)起飛和著陸過(guò)程中，發(fā)揮著重要的作用。而緩沖器又是起飛著陸系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，尤其在飛機(jī)著陸過(guò)程中，起著吸收沖擊振動(dòng)、保護(hù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的功能[1-2]。

常見(jiàn)的飛機(jī)起飛著陸系統(tǒng)所采用的緩沖器是由氣體和油液組成的油氣緩沖器。這種緩沖器比彈簧和橡皮制作的緩沖器緩沖效果更佳，無(wú)論在飛機(jī)停機(jī)時(shí)，還是在落震過(guò)程中，都能提供更加優(yōu)異的保護(hù)性能。

雖然油氣式緩沖器的性能優(yōu)異，但由于該種類型的緩沖器工作原理復(fù)雜，結(jié)構(gòu)組成元件和參數(shù)較多，給油氣式緩沖器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，均是在靜態(tài)條件下進(jìn)行理論計(jì)算，然后開展樣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，再反復(fù)迭代調(diào)試，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果能夠借助計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)油氣式緩沖器進(jìn)行仿真計(jì)算，將極大程度上提高緩沖器的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量[3-5]。

Amesim仿真軟件是一款基于功率鍵合圖理論的仿真建模軟件，由于功率鍵合圖理論最擅長(zhǎng)對(duì)不同物理領(lǐng)域（例如機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)）的物理實(shí)體進(jìn)行聯(lián)合仿真，因此，該軟件特別適合進(jìn)行油氣式緩沖器這種機(jī)、液、氣混合系統(tǒng)的仿真建模。借助該軟件，可以開展所建立的緩沖器仿真模型的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性試用，對(duì)提高油氣式緩沖器的設(shè)計(jì)效率、降低試驗(yàn)成本具有重要的意義[6-7]。

本文以單作用和雙作用油氣式緩沖器為研究對(duì)象，利用Amesim仿真軟件對(duì)多種類型的飛機(jī)起落架油氣式緩沖器的靜態(tài)特性和落震性能進(jìn)行研究，為油氣式緩沖器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 單作用油氣式緩沖器的Amesim仿真建模

典型的單腔油氣式緩沖器的原理圖如圖1所示。

在圖1中，左圖為活塞上置、缸體下置的形式；右圖為活塞下置、缸體上置的形式。但不管是缸體上置還是活塞上置，都可以采用同一個(gè)Amesim油氣式緩沖器模型來(lái)進(jìn)行描述。對(duì)于此種類型的油氣式緩沖器含有3個(gè)關(guān)鍵元件，分別是油氣混合腔、阻尼孔和油液腔。因此，在建立該類油氣式緩沖器的仿真模型時(shí)，解決了這3個(gè)關(guān)鍵元件的建模方法，單作用油氣式緩沖器的建模問(wèn)題就能夠迎刃而解。

圖1 單腔油氣式緩沖器原理圖

當(dāng)利用Amesim仿真軟件進(jìn)行建模時(shí)，從建模方便的角度考慮，油氣混合腔最適合用“蓄能器”來(lái)進(jìn)行描述；而對(duì)于正反行程油孔相同的情況，采用液壓庫(kù)中的“節(jié)流孔”來(lái)進(jìn)行描述最合適；阻尼器壓縮實(shí)現(xiàn)阻尼作用，主要靠缸體和活塞的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，最適合用液壓元件庫(kù)中的“活塞”元件來(lái)進(jìn)行模擬。另外，要想完整仿真油氣式緩沖器的落震過(guò)程，還需對(duì)飛機(jī)的機(jī)體、起落架的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及輪胎進(jìn)行仿真建模。其中飛機(jī)機(jī)體和起落架的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，可以利用Amesim機(jī)械庫(kù)中的“相對(duì)位移元件”來(lái)進(jìn)行建模；對(duì)于飛機(jī)的輪胎，可以用Amesim機(jī)械庫(kù)中的“彈簧阻尼器”來(lái)進(jìn)行模擬。

對(duì)于“相對(duì)位移元件”來(lái)說(shuō)，要分別模擬機(jī)體和“起落架活塞桿+輪胎”部分的質(zhì)量，并且該模型充分考慮到了行程限位的問(wèn)題。不僅活塞的運(yùn)動(dòng)有行程限制，缸體（即飛機(jī)本體）的行程也受限制。這這些限位都可以通過(guò)對(duì)“相對(duì)位移元件”的參數(shù)設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

最后，用彈簧阻尼元件來(lái)模擬輪胎和地面的接觸物理現(xiàn)象。是機(jī)械庫(kù)中最方便的完成落震仿真的元件。

利用上述建模元件，所建立的單左右油氣式緩沖器的仿真模型草圖如圖2所示。

圖2 單作用油氣式緩沖器Amesim仿真草圖

圖中的標(biāo)注已經(jīng)說(shuō)明各個(gè)組成元件在整個(gè)仿真模型中所承擔(dān)的任務(wù)。

2 雙作用油氣式緩沖器的Amesim仿真建模

雙作用油氣式緩沖器的Amesim仿真建模是建立在對(duì)該類緩沖器工作原理的充分分析的基礎(chǔ)上的。某類型雙作用油氣式緩沖器的工作原理如圖3所示。

圖3 雙作用油氣式緩沖器落震過(guò)程原理圖

其中圖3（a）為緩沖器未工作（自由伸縮）時(shí)的狀態(tài)，圖3（b）為緩沖器主活塞壓縮階段，圖3（c）為在進(jìn)一步的壓縮過(guò)程中，第二活塞開始被壓縮的階段。雙作用油氣式緩沖器優(yōu)于單作用油氣緩沖器的突出特點(diǎn)在于在緩沖器緩沖的過(guò)程中，前者由于存在2個(gè)腔室，因而在不同的載荷作用下，其緩沖性能區(qū)分成2個(gè)階段，這也是命名為“雙作用”的原因。緩沖過(guò)程區(qū)分成2個(gè)階段，有利于設(shè)計(jì)出具有良好反彈阻尼比及停機(jī)壓縮比的起落架系統(tǒng)，對(duì)提高飛機(jī)起落架系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。

在充分考慮了上述雙作用緩沖器的工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合Amesim仿真軟件液壓庫(kù)、機(jī)械庫(kù)和氣動(dòng)庫(kù)各個(gè)元件的工作特點(diǎn)，建立了圖4所示的雙作用緩沖器Amesim 仿真模型。

圖4 雙作用油氣式緩沖器Amesim仿真草圖

在上述Amesim 仿真模型中，充分考慮到落震仿真的特點(diǎn)，考慮到機(jī)體的當(dāng)量質(zhì)量、大活塞的質(zhì)量和行程限位、小活塞的質(zhì)量和行程限位、低壓的油氣混合腔、高壓的氣體腔、油液阻尼孔、油液的可壓縮性、氣體的可壓縮性、輪胎、油液屬性、氣體屬性等。適當(dāng)忽略了泄漏、溫度的影響因素等。保證了仿真的準(zhǔn)確和高效。

3 單作用油氣式緩沖器的仿真

在建立了雙作用油氣式緩沖器Amesim仿真草圖（如圖2）的基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，同時(shí)也為了給單作用油氣式緩沖器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，本文開展了相關(guān)的仿真試驗(yàn)。其中單作用油氣式緩沖器仿真試驗(yàn)的關(guān)鍵仿真參數(shù)如表1所示。

表1 單作用油氣式緩沖器落震過(guò)程仿真關(guān)鍵參數(shù)

在表1參數(shù)的基礎(chǔ)上，為了研究機(jī)體質(zhì)量的改變對(duì)單作用油氣式緩沖器落震過(guò)程的影響情況，開展了仿真研究，其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 改變機(jī)體質(zhì)量時(shí)的落震過(guò)程機(jī)體位移曲線

如圖5所示，當(dāng)改變機(jī)體質(zhì)量為3500、4500、5500 kg時(shí)，當(dāng)機(jī)體質(zhì)量越大，其落震過(guò)程中的最大下沉位移越大（如圖5中的點(diǎn)劃線）；但同時(shí)機(jī)體質(zhì)量越大，落震過(guò)程中的振蕩越不顯著。

由于圖2的仿真模型中考慮了油氣緩沖器緩沖腔和反彈腔之間的泄漏，因而，在不開展臺(tái)架試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以借助仿真工具，獲得緩沖器緩沖腔和反彈腔之間的泄漏流量數(shù)值，對(duì)減少油氣式緩沖器泄漏具有一定的指導(dǎo)意義。當(dāng)改變機(jī)體質(zhì)量為3500、4500、5500 kg時(shí)，在落震過(guò)程中緩沖腔和反彈腔之間的泄漏曲線如圖6所示。

圖6 改變質(zhì)量時(shí)的落震過(guò)程緩沖腔和反彈腔之間的泄漏

從圖6中可以觀察得到，機(jī)體質(zhì)量越大，緩沖器的緩沖腔和反彈腔之間的最大泄漏越大，當(dāng)機(jī)體質(zhì)量為5500 kg時(shí)，緩沖器緩沖腔和反彈腔之間的泄漏可以高達(dá)55 L/min。獲得上述數(shù)據(jù)，有利于緩沖器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員采取適當(dāng)措施抑制或利用泄漏，對(duì)緩沖器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

4 雙作用油氣式緩沖器的仿真

在建立了雙作用油氣式緩沖器Amesim仿真草圖（如圖4）的基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，同時(shí)也為了給雙作用油氣式緩沖器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，本文開展了相關(guān)的仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中的關(guān)鍵仿真參數(shù)如表2所示。

表2 雙作用油氣式緩沖器落震過(guò)程仿真關(guān)鍵參數(shù)

依據(jù)表2中的參數(shù)，當(dāng)修改緩沖器活塞直徑為80 、90 、100 mm時(shí)，所獲得的落震過(guò)程中機(jī)體位移曲線如圖7所示。觀察圖7可以得到，當(dāng)緩沖器活塞直徑逐漸增大（80～100 mm變動(dòng)）時(shí)，當(dāng)活塞直徑為90 mm時(shí)，機(jī)體的彈跳幅度最?。ㄈ鐖D7中的虛線所示）。

圖7 修改活塞直徑的落震過(guò)程機(jī)體位移曲線

在落震過(guò)程中，機(jī)體的加速度（過(guò)載）是衡量緩沖器緩沖效果的關(guān)鍵參數(shù)。在建立了緩沖器仿真模型的基礎(chǔ)上，可以借助Amesim仿真軟件直接計(jì)算得到機(jī)體在落震過(guò)程中的加速度（過(guò)載）數(shù)據(jù)。同時(shí)，為了觀察活塞直徑對(duì)落震過(guò)程的影響情況，在修改活塞直徑為80、90、100 mm的情況下，得到落震過(guò)程的加速度（過(guò)載）曲線如圖8所示。

圖8 修改活塞直徑的落震過(guò)程機(jī)體加速度（過(guò)載）曲線

從圖8中可以觀察得到，當(dāng)活塞直徑在80～100 mm之間變化時(shí)，直徑越小，落震過(guò)程中的最大加速度（過(guò)載）越小。可見(jiàn)，通過(guò)仿真計(jì)算，為雙作用油氣式緩沖器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供了仿真參考和理論計(jì)算依據(jù)，具有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在分析單作用油氣式緩沖器和雙作用油氣式緩沖器工作原理的基礎(chǔ)上，利用Amesim仿真建模軟件對(duì)單作用、雙作用油氣式緩沖器分別進(jìn)行了仿真建模。為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，同時(shí)為了給緩沖器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)依據(jù)，本文對(duì)單作用油氣式緩沖器在機(jī)體質(zhì)量發(fā)生變化的情況下，落震過(guò)程中機(jī)體位移和泄漏，進(jìn)行了仿真計(jì)算；對(duì)雙作用油氣式緩沖器在活塞有效截面積發(fā)生改變的情況下，落震過(guò)程中機(jī)體位移和加速度（過(guò)載）情況，進(jìn)行了仿真計(jì)算。所得到的仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)指導(dǎo)油氣式緩沖器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的理論指導(dǎo)意義。