民機(jī)起落架機(jī)構(gòu)破冰動(dòng)力學(xué)仿真分析方法

強(qiáng)國(guó)彥 薛小鋒 馮蘊(yùn)雯

摘 要：民機(jī)在遭遇降雪、降霜、凍雨等極端氣候條件時(shí)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)有可能附著冰層，當(dāng)積冰達(dá)到一定程度，便可能影響到機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)動(dòng)。為研究起落架機(jī)構(gòu)在上述極端氣候條件下的環(huán)境適應(yīng)能力，基于ADAMS建立民機(jī)起落架多體動(dòng)力學(xué)模型，考慮重力、冰層黏滯力、摩擦力對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響，仿真分析了不同溫度、不同冰型下的起落架機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力矩。研究發(fā)現(xiàn)，常溫?zé)o冰工況下，起落架收放動(dòng)作受重力影響最大；當(dāng)在環(huán)境溫度-25℃左右形成凍結(jié)冰時(shí)，起落架所需破冰驅(qū)動(dòng)力矩最大；起落架發(fā)生結(jié)冰（凍結(jié)冰或撞擊冰），破除冰層所需驅(qū)動(dòng)力矩?cái)?shù)值的分散性很大；起落架?chē)?yán)重積冰時(shí)，僅靠驅(qū)動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)破冰，需進(jìn)行除冰作業(yè)。本文建立起落架多工況破冰動(dòng)力學(xué)模型的建模流程具有很好的移植性，可推廣到其他機(jī)構(gòu)的破冰動(dòng)力學(xué)仿真。

關(guān)鍵詞：民機(jī)； 起落架； 冰； 動(dòng)力學(xué)分析； 環(huán)境影響

中圖分類(lèi)號(hào)：V226 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.08.006

基金項(xiàng)目： 航空科學(xué)基金（20200009053002）

結(jié)冰是航空的主要天氣災(zāi)害之一，從地面等待起飛的飛機(jī)到巡航高度的飛機(jī)，結(jié)冰危險(xiǎn)均存在[1]。隨著民機(jī)使用環(huán)境越發(fā)豐富，由極端環(huán)境引起的起落架故障也不斷增多[2]。因此，評(píng)估飛機(jī)起落架結(jié)冰工況下是否能正常使用就顯得尤為重要。

在飛機(jī)積冰預(yù)測(cè)方面，Politovich等[3] 將飛機(jī)結(jié)冰研究的數(shù)值模擬結(jié)果與飛行觀測(cè)結(jié)果比較，評(píng)價(jià)了飛機(jī)結(jié)冰環(huán)境的一般特征。Sitnikov等[4]基于TSU-NM3氣象模式分析了促進(jìn)飛機(jī)在大氣邊界層結(jié)冰的氣象條件。Yi Xian等[5]基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了飛機(jī)結(jié)冰冰型的預(yù)測(cè)模型。在飛機(jī)起落架故障分析方面，張惠等[6]指出高溫、高寒、濕熱、結(jié)冰等極端氣候條件下起落架極易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)卡滯或收放不同步的故障。朱晨辰等[7]針對(duì)高低溫、側(cè)風(fēng)下的起落架動(dòng)力學(xué)行為研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與總結(jié)。在飛機(jī)起落架動(dòng)力學(xué)分析方面，胡銳等[8]就艦載機(jī)起落架動(dòng)力學(xué)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行了調(diào)研綜述。杜金柱等[9]對(duì)起落架突伸緩沖器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模與仿真，結(jié)合遺傳算法，求得了臨界質(zhì)量。田佳杰等[10]指出起落架收放系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)構(gòu)件多，系統(tǒng)由多個(gè)驅(qū)動(dòng)力協(xié)調(diào)工作，不同階段驅(qū)動(dòng)力在變化，因此對(duì)于起落架收放系統(tǒng)的研究主要應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真的方法。印寅等[11]采用虛擬仿真及物理試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)飛機(jī)起落架收放系統(tǒng)性能進(jìn)行研究。魏亮亮等[12]采用 Simcenter 3D Motion建立了基于全機(jī)起落架機(jī)構(gòu)的仿真模型。崔飛等[13]利用 CATIA和 LMS Virtual. Lab 對(duì)某支柱式起落架進(jìn)行收放運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)以及落震仿真分析。劉照曦等[14]基于ADAMS進(jìn)行主起落架的落震仿真，發(fā)現(xiàn)基于ADAMS建立仿真模型可有效描述真實(shí)起落架仿真過(guò)程。徐堯等[15]基于多柔體動(dòng)力學(xué)理論，提出一種飛機(jī)起落架多柔體ADAMS建模和落震動(dòng)力仿真方法。

綜上發(fā)現(xiàn)，目前針對(duì)民機(jī)結(jié)冰預(yù)測(cè)工作已有開(kāi)展。針對(duì)起落架動(dòng)力學(xué)仿真主要集中在機(jī)構(gòu)收放功能、落振、液壓傳動(dòng)等領(lǐng)域，而對(duì)極端氣候條件冰層如何影響起落架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的分析工作開(kāi)展較少。本文基于ADAMS平臺(tái)，參考結(jié)冰試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立民機(jī)起落架機(jī)構(gòu)破冰動(dòng)力學(xué)仿真模型，分析了環(huán)境溫度、冰層厚度對(duì)起落架收放功能的影響。仿真結(jié)果可為極端氣候條件下飛機(jī)起落架使用提供參考，為起落架地面防冰/除冰提供依據(jù)。

1 起落架機(jī)構(gòu)破冰建模基礎(chǔ)

1.1 起落架工作原理

起落架是供飛機(jī)起飛、著陸時(shí)在地面上滑跑、滑行和移動(dòng)、停放用的，是飛機(jī)的主要部件之一，其工作性能的好壞以及可靠性直接影響飛機(jī)的使用和安全。

典型民用機(jī)起落架機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)輪、支柱、搖臂、拉桿、作動(dòng)筒、起落架艙門(mén)、上位鎖等組成。當(dāng)起落架下放時(shí)，上位鎖解鎖，起落架可在自身重力作用下繞轉(zhuǎn)軸向下旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，重力矩通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)作用于艙門(mén)，使艙門(mén)先打開(kāi)后關(guān)閉；作動(dòng)筒在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中做負(fù)功，以防止起落架下放過(guò)快，機(jī)構(gòu)摩擦矩則在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中做負(fù)功，即重力矩>驅(qū)動(dòng)力矩+摩擦阻力矩。當(dāng)起落架收起時(shí)，作動(dòng)筒破除起落架下位鎖的平衡力，使起落架繞旋轉(zhuǎn)軸向上旋轉(zhuǎn)；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)作用于艙門(mén)，使艙門(mén)先打開(kāi)后關(guān)閉；起落架自重在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中做負(fù)功，機(jī)構(gòu)摩擦矩則在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中做負(fù)功，即驅(qū)動(dòng)力矩> 重力矩+摩擦阻力矩。

1.2 起落架結(jié)冰工況

結(jié)冰通常有明冰、混合冰、毛冰等之分，冰型又分為羊角冰、楔形冰、無(wú)定形冰等[16]。針對(duì)飛機(jī)積冰特點(diǎn)，可分為空中撞擊冰和地面凍結(jié)冰兩大類(lèi)。

關(guān)于飛機(jī)積冰，一方面是民機(jī)在降落階段遭遇降雪、降霜、凍雨等氣象，機(jī)構(gòu)易附著冰霜。另一方面，由于缺乏先進(jìn)的地面結(jié)冰探測(cè)手段，寒冷天氣，飛機(jī)帶霜、雪或冰起飛的情況仍時(shí)有發(fā)生，從而對(duì)飛機(jī)飛行安全構(gòu)成了很大的威脅[17]。值得注意的是，降落階段，起落架表面附著的是撞擊冰；地面停泊階段，起落架附著的是凍結(jié)冰，兩者強(qiáng)度有所差異。

起落架機(jī)構(gòu)結(jié)冰工況分析邏輯：（1）影響起落架結(jié)冰的條件主要包括環(huán)境溫度、凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)以及冰層類(lèi)型；（2）凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)影響運(yùn)動(dòng)副分離面上冰層的面積與冰層剪切黏附強(qiáng)度，冰型影響冰層剪切黏附強(qiáng)度，環(huán)境溫度則影響冰層剪切黏附強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)副摩擦因數(shù)。

基于已有試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)可知：環(huán)境溫度對(duì)機(jī)構(gòu)附著的冰層強(qiáng)度有顯著影響；結(jié)冰的凍結(jié)時(shí)長(zhǎng)對(duì)冰層剪切黏附強(qiáng)度的影響不顯著[18]。因此，起落架結(jié)冰工況控制變量簡(jiǎn)化為冰型（降落撞擊冰和地面停泊凍結(jié)冰）、環(huán)境溫度，以及破冰面積三個(gè)。向下一級(jí)，不同冰型不同溫度下的冰層剪切黏附強(qiáng)度以及不同溫度下的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副摩擦因數(shù)均可參考試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定，破冰面積則基于機(jī)構(gòu)幾何特征與一般經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定。

2 起落架機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)建模

2.1 機(jī)構(gòu)破冰動(dòng)力學(xué)建模流程

機(jī)構(gòu)破冰動(dòng)力學(xué)建模流程為：（1）導(dǎo)入起落架CATIA模型，建立模型材料庫(kù)，指派零部件材料屬性。對(duì)搖桿組件、調(diào)節(jié)管等機(jī)構(gòu)件添加7075材料，密度為2.796g/cm3，對(duì)拉桿組件、軸組件等機(jī)構(gòu)件添加不銹鋼17-4PH材料，密度為7.86g/cm3。（2）添加起落架模型位移邊界關(guān)系。根據(jù)模型真實(shí)運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)，依次添加零部件之間對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、圓柱副、胡克副和球副等連接關(guān)系，并對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)副添加庫(kù)侖摩擦屬性；對(duì)無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件之間或零部件與大地之間添加固定副約束。（3）添加起落架模型載荷邊界條件。計(jì)算擬定工況下的結(jié)冰區(qū)域冰層黏滯阻力，以阻力矩的形式添加至就近運(yùn)動(dòng)副上。（4）添加起落架模型驅(qū)動(dòng)。根據(jù)真實(shí)起落架收放運(yùn)動(dòng)學(xué)特征編寫(xiě)STEP驅(qū)動(dòng)函數(shù)，添加至主作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)副處。（5）添加機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)傳感器。傳感器包括起落架支柱的角速度與角位移等。（6）設(shè)置模型求解器，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。即進(jìn)行模型驗(yàn)證，設(shè)置求解器為動(dòng)力學(xué)模式，添加分析步數(shù)和時(shí)長(zhǎng)，并提交求解。（7）起落架仿真數(shù)據(jù)處理。即進(jìn)入ADAMS軟件后處理模塊，輸出起落架模型驅(qū)動(dòng)力矩、重力矩、阻力矩，基于數(shù)據(jù)分析結(jié)冰工況下的起落架機(jī)構(gòu)破冰運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.2 重力因素考慮

起落架重量（質(zhì)量）約占全機(jī)的3.7%～5%，占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的10%～15%。起落架機(jī)構(gòu)質(zhì)量主要分布在支柱上，隨起落架收放運(yùn)動(dòng)，重力參與做功。在ADAMS平臺(tái)，可對(duì)模型添加全局重力，一般取模型重力加速度g=9.8m/s2。

2.3 結(jié)冰載荷因數(shù)考慮

關(guān)于結(jié)冰載荷計(jì)算，需確定起落架機(jī)構(gòu)各個(gè)積冰面上的破冰面積，然后參考表1地面凍結(jié)冰試驗(yàn)數(shù)據(jù)[18]和空中撞擊冰試驗(yàn)數(shù)據(jù)[19]，標(biāo)定結(jié)冰區(qū)域的冰層黏滯力載荷。

通過(guò)機(jī)構(gòu)力平衡關(guān)系，可將冰層黏滯力等效至結(jié)冰區(qū)域的就近運(yùn)動(dòng)副，以簡(jiǎn)化建模操作。計(jì)算起落架不同工況下破冰黏滯阻力見(jiàn)表2、表3。

值得注意的是，飛機(jī)降落階段，起落架艙門(mén)一周是可能結(jié)冰的區(qū)域，艙內(nèi)機(jī)構(gòu)結(jié)冰概率很?。伙w機(jī)地面停泊階段，起落架艙門(mén)一周以及起落架各個(gè)運(yùn)動(dòng)副均有可能被凍結(jié)冰覆蓋，因此破冰面積可能更大。

美國(guó)聯(lián)邦航空條例（FAR）將飛機(jī)積冰等級(jí)分為4類(lèi)，分別為微量積冰、輕度積冰、重度積冰和嚴(yán)重積冰，表2中結(jié)冰面積是結(jié)合各個(gè)運(yùn)動(dòng)副幾何參數(shù)并假設(shè)各運(yùn)動(dòng)副分離面均布30mm冰層（嚴(yán)重積冰）來(lái)確定；冰層等效阻力矩則是結(jié)合結(jié)冰面積、冰層剪切黏附強(qiáng)度，等效到運(yùn)動(dòng)副旋轉(zhuǎn)中心上。

2.4 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)摩擦因素考慮

起落架機(jī)構(gòu)在收放運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，涉及大量運(yùn)動(dòng)副的摩擦。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[20]，典型自潤(rùn)滑軸承在低溫下的摩擦因數(shù)，如圖2所示。通過(guò)插值即可得起落架機(jī)構(gòu)在不同溫度工況下的軸承摩擦因數(shù)，見(jiàn)表4。

3 起落架機(jī)構(gòu)破冰仿真結(jié)果分析

3.1 常溫?zé)o冰工況

已知起落架運(yùn)動(dòng)學(xué)特征如圖3、圖4所示。為起落架模型編寫(xiě)STEP驅(qū)動(dòng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)真實(shí)運(yùn)動(dòng)特征，并輸出起落架力矩曲線，如圖5所示。由圖5起落架驅(qū)動(dòng)力矩、重力矩及阻力矩關(guān)系發(fā)現(xiàn)： （1）常溫?zé)o冰工況下，起落架收放運(yùn)動(dòng)受重力的影響最大；（2）起落架放下過(guò)程，摩擦矩峰值僅為重力矩峰值的3.65%，起落架收起過(guò)程，摩擦矩峰值則僅為重力矩峰值的4.11%。

3.2 低溫結(jié)冰工況數(shù)據(jù)

將表2與表3中各個(gè)工況下的結(jié)冰載荷以及表4中各個(gè)工況下的運(yùn)動(dòng)副摩擦因數(shù)引入起落架多體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而可求得起落架在不同結(jié)冰工況下收放運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩，如圖6為收起過(guò)程，圖7則為放下過(guò)程。

對(duì)圖6和圖7中不同結(jié)冰工況下的驅(qū)動(dòng)力矩參數(shù)進(jìn)行整理與繪制，得起落架破冰運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩峰值，見(jiàn)表5。

表5中，常溫20℃為無(wú)冰工況，撞擊冰參考起落架下放階段的峰值驅(qū)動(dòng)力矩，凍結(jié)冰則參考起落架收起階段的峰值驅(qū)動(dòng)力矩。由表5起落架在不同工況下的破冰驅(qū)動(dòng)力矩參數(shù)可發(fā)現(xiàn)：（1）若飛機(jī)在降落階段遭遇極端天氣（-16～-8℃），并形成嚴(yán)重積冰等級(jí)的撞擊冰，則起落架驅(qū)動(dòng)載荷會(huì)上升為常溫?zé)o冰工況下的716～1882倍；若飛機(jī)在停泊階段遭遇極端天氣（-15～-25℃），并形成6mm左右等效厚度的凍結(jié)冰，則飛機(jī)起飛后，起落架收起動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)載荷會(huì)上升為常溫?zé)o冰工況下的891～2573倍。（2）當(dāng)在-25℃左右形成凍結(jié)冰時(shí)，起落架所需破冰驅(qū)動(dòng)力矩最大。

值得注意的是：驅(qū)動(dòng)載荷增長(zhǎng)倍率為純剛體模型名義載荷值，若考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)度本身，載荷無(wú)法達(dá)到該值。以主結(jié)冰區(qū)域起落架艙門(mén)為例，如圖8所示。

在-25℃嚴(yán)重積凍結(jié)冰，全剛體動(dòng)力學(xué)模型破冰時(shí)，拉桿第三強(qiáng)度當(dāng)量載荷為1591.46MPa；在-16℃嚴(yán)重積撞擊冰，則拉桿當(dāng)量載荷為1366MPa，均遠(yuǎn)大于機(jī)構(gòu)本身強(qiáng)度。即起落架機(jī)構(gòu)嚴(yán)重積冰（≥30mm）時(shí)，僅靠驅(qū)動(dòng)無(wú)法完成破冰，需人工除冰。

目前存在的缺點(diǎn)有：未考慮機(jī)械振動(dòng)對(duì)起落架破冰的積極作用，也未考慮氣動(dòng)力對(duì)起落架收起或放下動(dòng)作中的消極阻礙作用。

4 結(jié)論

通過(guò)研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）基于ADAMS平臺(tái)，參考大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文建立了起落架多工況破冰動(dòng)力學(xué)仿真模型，該建模流程具有很好的移植性，可推廣到其他機(jī)構(gòu)的破冰動(dòng)力學(xué)仿真。

（2）常溫?zé)o冰工況下，起落架收放運(yùn)動(dòng)受重力的影響最大；起落架放下過(guò)程，摩擦矩峰值僅為重力矩峰值的3.65%，起落架收起過(guò)程，摩擦矩峰值則僅為重力矩峰值的4.11%。

（3）起落架遭遇極端天氣，發(fā)生結(jié)冰（凍結(jié)冰或撞擊冰），破除冰層所需驅(qū)動(dòng)力矩?cái)?shù)值的分散性很大；當(dāng)在環(huán)境溫度-25℃左右形成凍結(jié)冰時(shí)，起落架所需破冰驅(qū)動(dòng)力矩最大。

（4）起落架?chē)?yán)重積冰時(shí)，僅靠驅(qū)動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)破冰，需進(jìn)行人工除冰。

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Dynamic Simulation Analysis Method for Icebreaking of landing Gear Mechanism of Civil Aircraft

Qiang Guoyan， Xue Xiaofeng， Feng Yunwen

Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China

Abstract： When civil aircraft encounter extreme weather conditions such as snow， frost， freezing rain， etc.， the locomotion mechanism may be attached to ice. When the ice accumulation reaches a certain extent， the normal movement of the mechanism may be affected. In order to study the adaptability of the landing gear mechanism in the above extreme climate conditions， a multi-body dynamics model of civil aircraft landing gear was established based on ADAMS platform. Considering the effects of gravity， ice viscosity and friction force on the movement of the landing gear， the driving torque of the landing gear mechanism under different temperatures and different ice types was simulated and analyzed. The results show that gravity has the greatest effect on landing gear retraction under normal temperature and no ice condition. When frozen ice is formed at ambient temperature of -25℃， the landing gear requires the maximum ice-breaking driving torque. When the landing gear freezes （freezing ice or impinging ice）， the driving torque values required to break the ice are highly distributed. In the case of serious ice accumulation in the landing gear， ice breaking cannot be achieved by driving alone， and ice removal must be performed. In this paper， the modeling process of multi-condition icebreaking dynamics model of landing gear has good portability and can be extended to the icebreaking dynamics simulation of other mechanisms.

Key Words： civil aircraft； landing gear； ice； dynamic analysis； environmental impact