起落架磁流變減振系統的特性分析研究

黃 琦，李華琳，陳 勇，李 堅

(電子科技大學自動化工程學院 成都 611731)

起落架磁流變減振系統的特性分析研究

黃 琦，李華琳，陳 勇，李 堅

(電子科技大學自動化工程學院 成都 611731)

大型飛機的安全研究，起落架是保障飛機起飛與降落安全的關鍵部件，該文根據起落架的減振系統對其進行動力學特性分析。由于磁流變阻尼力的出現，導致了起落架磁流變減振系統成為了非線性系統，為了研究系統特性，通過對其非線性部分線性化，構造出起落架磁流變減振系統的動力學數學模型，分析不同阻尼比下機身位移、機身加速度、起落架位移和起落架動載荷的頻率響應，并對跑道的隨機路面激勵時域特性分析，這對起落架磁流變減振系統結構設計和減振系統優化控制具有重要意義。

頻域響應; 起落架; 磁流變減振系統; 時域分析

飛機起飛和降落時會受到地面巨大的沖擊力，為了減少路面沖擊對飛機造成的不良振動，起落架上安裝了減振的裝置，小型飛機用彈簧減振，大型飛機則用液壓減振器減振。但是現在飛機安全事故中，因起落架故障造成的事故占相當比例，因此，急需一種新型智能減振器可調節、自適應地緩解路面的沖擊力。

近年來，磁流變減振器已經成為國內外的研究熱點[1-5]，磁流變減振器可以根據路面作用力的大小和飛機的運動狀態，在毫秒級的時間內自適應改變減振器參數使其性能達到最優。目前，磁流變減振器已經應用到了高端車上，如凱迪拉克的賽威和奧迪的“TT”跑車等，但飛機上的應用我國還處于空白。國內有中國民航大學、西北工業大學、重慶大學等，對磁流變減振器進行了一些磁流體特性分析。磁流變減振器在起落架中的推廣和應用需要解決的關鍵技術就是減振器的結構設計、控制策略兩部分，這兩個關鍵技術是建立在起落架磁流變減振系統特性分析基礎上的。

因此，本文在起落架的動力學特性基礎上建立起落架磁流變減振系統的非線性數學模型，并對其進行線性化，分析不同阻尼比下機身位移、機身加速度、起落架位移和起落架輪子動載荷的頻率響應，并對跑道的隨機路面激勵時域特性進行分析，為起落架磁流變減振系統的結構設計和優化控制提供依據。

1 起落架磁流變減振系統動力學分析

在起落架的動力學特性基礎上建立的起落架磁流變減振系統的非線性數學模型[6-8]如圖1所示，其中Mu是機身質量，Md是起落架質量，Ks為彈簧剛度，Kt為起落架輪子剛度，Xu為機身垂直位移，Xd為起落架垂直位移，Xr為跑道路面輸入垂直位移，C0是零磁場磁流體的粘滯系數。

圖1 起落架磁流變減振系統

起落架磁流變減振系統通過改變減振器的阻尼系數產生相應的可調阻尼力Ft，它是非線性的，其非線性的影響主要是由于磁流變液在外加磁場下的非線性、回滯性和飽和性引起的。為了能夠使減振器的可調范圍大，往往選擇性能優越的磁流變液，盡可能使磁流變減振器工作范圍在磁流變液的線性區間。

通過實驗分析，可調阻尼力Ft與磁流變液的勵磁電流i之間的函數關系為：

式中 Ct為磁流變液粘滯系數，由磁流變液的勵磁電流來調節，其變化能夠有效地反映磁流變液阻尼力的變化。

將磁流變減振器的可調阻尼力Ft分段線性化：

當Ct=0時，模型為一般起落架的力學模型，將其代入式(1)，得：

通過對起落架磁流變減振器的可調阻尼力線性化，得到相對于路面激勵的機身位移、機身加速度，起落架位移和起落架動載荷的傳遞函數，為分析不同阻尼比下起落架減振器的特性提供了方便，同時也有利于磁流變起落架控制策略的優化。

2 起落架磁流變減振系統的頻率響應分析

考慮式(5)系統的傳遞函數，略去阻尼和外加激勵，得到系統的無阻尼微分方程為：

依據起落架磁流變減振系統的傳遞函數，通過設置系統不同的阻尼比，利用Matlab仿真得到機身位移、機身加速度、起落架動位移和起落架輪子動載荷在不同阻尼比下的幅頻特性曲線，如圖2所示。

圖2 起落架的幅頻特性

由圖2可以看出，在阻尼比ξ=0.1時波形的兩個尖峰，即為起落架減振系統的兩個固有共振頻率，因此，將橫坐標按照其固有的共振頻率分為低頻段(0到第一共振頻率)、中頻段(第一共振頻率與第二共振頻率之間)和高頻段(大于第二共振頻率)。從圖2a可以看出，在系統低頻段，隨著起落架減振系統阻尼比的增大，機身位移迅速減小；而在中高頻段，隨著阻尼比的變化，機身位移變化不大，且隨著頻率的增大，機身位移逐漸減小，在第二共振頻率處不出現波峰，機身位移比較平穩，趨近于零。從圖2b可以看出，在低頻段，隨著阻尼比的增大，機身加速度減小；在中頻段和高頻段，隨著阻尼比的增大，機身加速度增大，機身加速度變化量不大，加速度基值較大；在第二共振頻率處，且阻尼比ξ=0.1時，有個尖峰，隨著路面輸入頻率的增大而減小并趨于穩定。從圖2c可以看出，在整個頻段內，起落架動位移隨著阻尼比的增大而減小，尤其是在低頻段起落架動位移減小很明顯。從圖2d可以看出，在低頻段，隨著阻尼比的增大，起落架輪子動位移減小；在中頻段，隨著阻尼比的增大，起落架輪子動位移增大；在高頻段，隨著阻尼比的增大，起落架輪子動位移減小程度變緩。

由此可知，在低頻段，機身位移、機身加速度、起落架動位移和起落架輪子動位移都隨著阻尼比的增大而減小，因此，在低頻段應設置較大的阻尼比。在中頻段，由于機身的加速度和起落架的動位移隨著阻尼比的增大而增大，考慮到中頻段是人體的敏感頻段，應設置小的阻尼比以提高飛機的舒適性和安全性。在高頻段，機身加速度隨著阻尼比的增大而增大，起落架的動位移隨著阻尼比的增大而減小，因此，高頻段阻尼比的設定由具體情況而定，考慮乘坐的舒適性要求，應設置小的阻尼，考慮操縱的穩定性要求，應設置較大的阻尼比。

3 跑道隨機路面激勵時域特性分析

3.1 跑道路面輸入仿真

跑道路面輸入大致可以劃分為隨機路面和沖擊路面兩類[9-10]。隨機路面是指沿道路方向的連續激勵。對于連續型隨機路面，一般采用空間頻率功率譜密度函數以及相應的時域表示形式加以描述。沖擊路面是指在較短時間內的離散事件，并且有較高的強度，如平坦道路上的凸包和凹坑。一般采用脈沖信號、階躍信號和半波正弦信號進行描述，把測量得到的隨機數據Xr，經數據處理得到路面功率譜密度[11-13]，本文采用濾波白噪聲作為隨機路面的輸入模型，其數學模型為：

0xr0平度系數；w為頻率指數，確定每段功率譜斜線的斜率，取值由路面譜的頻率結構確定，分級路面譜的頻率指數w=2。

為了分析研究起落架時域的動態特性，需要進一步把頻域內的統計特性轉變為時域內的時間序列。于是路面輪廓可以由功率譜密度為的白噪聲通過一個積分器產生，建立其Simulink仿真模型，如圖3所示。

圖3 隨機路面的輸入仿真

xr 0 72 m/s，其生成的隨機路面輪廓如圖4所示：

圖4 隨機路面輸入的時域模型仿真

3.2 起落架系統仿真

利用起落架動力學微分方程和隨機路面輸入模型建立仿真模型如圖5所示。

圖5 起落架系統仿真模型

考慮到人體對飛機著陸過程的平順性和舒適 性，最主要是通過感覺機身振動的頻率和強度評價的。參考C級路面，飛機著陸后某一時刻速度為72 m/s，通過改變起落架的阻尼參數，得到系統不同阻尼比下機身振動的加速度如圖6所示。

從圖6可以看出，在C級路面，飛機速度為72 m/s時，調節起落架的阻尼比，得到起落架阻尼比在ξ=0.1時，機身的加速度幅值最小，證明此時機身的平順性和舒適性最好。通過調節不同的路面輸入激勵和系統不同的阻尼比能夠得到不同級別路面的最佳阻尼比，從而為起落架磁流變減振系統的結構設計和優化控制提供依據。

圖6 不同阻尼比下的機身加速度

4 總 結

本文從起落架的動力學特性分析出發，分析不同阻尼比下機身位移、機身加速度、起落架動位移和起落架輪子動位移的幅頻特性，建立了隨機路面輸入的時域模型和起落架減振器模型，并在一定速度下，得到不同阻尼比下機身加速度的時域特性。

針對起落架減振器的固有共振頻率，詳細分析了不同頻段改變系統的阻尼比對起落架減振器特性的影響，針對不同的路面激勵，通過可調阻尼力得到最優的阻尼比，兼顧飛機操縱穩定性和舒適性，提高飛機的安全性。

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編 輯 漆 蓉

Analysis of the Characteristics of Landing Gear with MR Fluid Damper System

HUANG Qi, LI Hua-lin, CHEN Yong, and LI Jian

(School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731)

Landing gear of aircraft is the key component to ensure safety during the process of takeoff and landing. This paper analyzes the dynamic characteristics of the landing gear system. Because of the inclusion of MR fluid, the landing gear damper system becomes a nonlinear system. In order to study the characteristics of the system, this paper builds the mathematical model of the landing gear damper by linearizing the nonlinear system.Based on the model, the frequency response of aircraft body displacement, aircraft body acceleration, landing gear displacement, and tire dynamic loading of the landing gear are analyzed. And the time-domain response of random road excitations is also analyzed. These analyses would be helpful in structure designing of the landing gear with MR damper and the advanced control of the damper system.

frequency response; landing gear; MR fluid damper system; time domain analysis

TP13; TH703.6

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.06.014

2009- 06- 04;

2009- 10- 14

教育部博士點專項基金(200806141056)；四川省應用基礎研究項目(2009JY0008); 四川省青年基金(09ZQ026-009)

黃 琦(1976- )，男，博士，教授，博士生導師，主要從事分布式檢測技術、電力系統方面的研究.