凹坑路面條件下飛機地面牽引載荷的仿真分析

朱敏，劉暉，陳舒文

(南京航空航天大學 民航學院,江蘇 南京，210016)

凹坑路面條件下飛機地面牽引載荷的仿真分析

朱敏，劉暉，陳舒文

(南京航空航天大學 民航學院,江蘇 南京，210016)

為了保證飛機地面牽引的安全性，運用虛擬樣機技術模擬牽引系統經過地面凹坑時飛機牽引載荷的變化，有效的預測飛機經過加油管地溝時拖把與飛機連接處牽引載荷和前起落架下阻力臂載荷的變化。基于Catia和Adams軟件，建立了拖車-飛機系統模型，結合Boeing737-800的實際數據進行仿真分析實驗。仿真實驗表明拖把與飛機連接處牽引載荷和前起落架下阻力臂的受力載荷一般隨著地面凹坑寬度、高度和牽引速度的增大而增大，且經過加油管地溝第二個邊緣比第一個邊緣時下阻力臂與緩沖支柱連接處的載荷變化較大。

安全性；地面凹坑；拖車-飛機系統；飛機牽引載荷

0 引言

飛機地面牽引技術[1]主要是涉及牽引裝置和動力設備、飛機及機場條件等因素的一門綜合技術。由于飛機牽引載荷受牽引作業環境的影響，遇到加油管地溝狀況可能會出現飛機牽引載荷超出使用限制的情況，因此，牽引作業過程中不可避免會出現事故，為了盡量減少事故的發生，要對牽引車-飛機系統的安全性進行正確的預測和評估。為此，虛擬樣機技術[2-3]成為界內備受關注的對象。利用虛擬樣機代替物理樣機可以對產品進行創新設計、測試和評估，縮短開發周期，降低成本。

關于飛機牽引載荷分析方面，1980年美國FAA在波士頓Logan機場、洛杉磯國際機場等多個機場對L-1011飛機的地面牽引載荷進行了研究，實際測量并記錄了各機場飛機牽引過程的牽引載荷譜，并建立了集中參數的“飛機-牽引把-牽引車”動力學模型，對正常牽引過程的疲勞進行評估[4]。但該研究主要是為了考察飛機起落架相關構件在延長牽引距離后的疲勞壽命是否減少，對非正常牽引狀態下牽引載荷未予研究，且模型中引入大量假設，未考慮相關構件的柔性，存在較大誤差。1986年，Gustavsson等對飛機在起飛、著陸、地面滑跑和牽引時起落架所受載荷進行了測量，所測牽引載荷也是在正常牽引條件下測定的[5]。1987年，Radev等人對飛機牽引轉彎工況的牽引載荷進行了研究，并對冰、雪以及除冰后路面條件下的牽引進行研究，為牽引車的選擇及制動性能要求提供標準和規范[6]。

利用Catia和Adams軟件建立牽引車-飛機系統并進行飛機牽引載荷的仿真研究，分析牽引系統遇到加油管地溝狀況時牽引把與飛機連接處牽引載荷和前起落架下阻力臂受力載荷的變化，解決實際牽引過程中碰到的問題并給予一定的指導作用。

1 飛機地面牽引系統建模

1.1Boeing737-800模型

飛機模型由前起落架、主起落架、機身等結構組成，各個部件之間需要運用約束關系建立彼此之間的連接關系。飛機輪胎采用Fiala輪胎模型，前起落架輪胎半徑343mm，主起落架輪胎半徑565mm。為了簡化模型把飛機質量和轉動慣量加到質心位置，飛機輸入數據如表1所示，飛機結構簡圖如圖1所示。

表1 Boeing737-800輸入數據

圖1 飛機結構簡圖

1.2 牽引車模型組成

牽引車模型主要由車身、車輪、前橋、后橋、轉向機構等部件組成，各個部件之間需要運用約束關系建立彼此之間的連接關系。牽引車輪胎采用Fiala輪胎模型，輪胎半徑445mm。為了簡化模型把牽引車質量和轉動慣量加到質心位置，牽引車輸入數據如表2所示，牽引車結構簡圖如圖2所示。

圖2 牽引車結構簡圖

參數模塊參數名稱參數含義數值牽引車輸入質量牽引車質量/kg35000質心到后輪水平距離牽引車質心到后輪中心水平距離/mm1600質心到地面垂直距離牽引車質心到地面垂直距離/mm830轉動慣量牽引車x軸轉動慣量/kg·mm28.06E+010牽引車y軸轉動慣量/kg·mm28.28E+010牽引車z軸轉動慣量/kg·mm28.18E+010前輪和后輪的距離牽引車前輪和后輪的水平距離/mm3000前輪之間的距離牽引車兩前輪之間的水平距離/mm2400插銷釘孔徑牽引車插銷釘孔徑/mm75.225

1.3 牽引把模型組成

牽引把模型主要由拖鉤(與牽引車連接)、牽引把本體、牽引把頭(與飛機牽引銷嚙合)、輪架機構等部件組成，各個部件之間需要運用約束關系建立彼此之間的連接關系。牽引把輸入數據如表3所示，牽引把模型如圖3所示。

表3 牽引把輸入數據

圖3 牽引把模型

1.4 道路模型

由于出現加油管地溝狀況，需要建立3D路面才能滿足要求，以3D凹坑路面文件為例來說明所編制的文件，文件里面的參數主要設置三種：1) 單位設置和路面建模的方法；2) 節點，表達三維路面的三角形構成的節點；3) 元素，表達節點的元素數量。為了更好的表示凹坑路面如圖4所示。

圖4 凹坑路面

1.5 牽引系統模型

應用Catia和Adams軟件建立牽引系統模型，按照實際物理模型的連接關系，建立各個部件的動力學連接[7-9]，完成模型建立。每個子系統模型建立好以后，首先必須分別進行調試和運行，直到模型運行成功沒有出現錯誤提示，可以按照預定路徑正常行駛；仿真成功后子系統全都運行成功，則把飛機模型、牽引車模型、道路模型、牽引把模型等子系統模型通過約束連接關系形成牽引系統模型。各個子系統模型之間的約束連接關系一定要和實際的物理模型的連接關系一致，才能完成整個牽引系統模型的仿真分析。牽引系統整體模型如圖5所示。

圖5 牽引系統整體模型

2 前起落架輪胎經過地面凹坑時飛機牽引載荷的仿真分析

2.1 地面凹坑高度和牽引速度不變時飛機牽引載荷分析

當加油管地溝高度不變，寬度不同且飛機前起落架與凹坑較近邊緣距離一樣時，牽引車以1300mm/s的速度勻速頂推飛機，分析牽引把與飛機連接處和前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷的變化。地面凹坑數據如表4所示，分成5組數據進行對比，仿真時間40s，仿真分析步數4000。牽引把與飛機連接處受力曲線如圖6所示，前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處受力曲線如圖7所示。圖中Force.1，Force.2，Force.3，Force.4，Force.5分別代表數據1、2、3、4、5仿真的受力。

表4 地面凹坑數據

圖6 拖把與飛機連接處受力曲線

圖7 前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處受力曲線

凹坑高度不變，寬度為50mm和100mm時輪胎沒有接觸加油管地溝最底端。通過對比分析，由圖6可知，輪胎沒有接觸加油管地溝最底端時牽引把與飛機連接處牽引載荷變化幅度不大；輪胎接觸加油管地溝最底端時牽引把與飛機連接處飛機牽引載荷沒有隨著凹坑寬度的增大而變化顯著，而是飛機牽引載荷隨著凹坑寬度的增大變化越慢；輪胎由未接觸到接觸加油管地溝最底端過程中，飛機牽引載荷隨著凹坑寬度的增大而增大。由圖7可知，沒有接觸加油管地溝最底端時前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷變化幅度不大；輪胎接觸加油管地溝最底端時前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷變化幅度較大，最大值達到8300N左右；輪胎由未接觸到接觸加油管地溝最底端過程中，前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷隨著凹坑寬度的增大而增大，且經過加油管地溝第二個邊緣比第一個邊緣時下阻力臂與緩沖支柱連接處的載荷變化較大。

2.2 地面凹坑寬度和牽引速度不變時飛機牽引載荷分析

當加油管地溝寬度不變，高度不同且飛機前起落架與凹坑較近邊緣距離一樣時，拖車以1300mm/s的速度勻速頂推飛機，分析拖把與飛機連接處和前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷的變化。地面凹坑數據如表5所示，分成5組數據進行對比，仿真時間50s，仿真分析步數5000。牽引把與飛機連接處受力曲線如圖8所示，前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處受力曲線如圖9所示。圖中Force.1，Force.2，Force.3，Force.4，Force.5分別代表數據1、2、3、4、5仿真的受力。

表5 地面凹坑數據

圖8 牽引把與飛機連接處受力曲線

圖9 前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處受力曲線

通過對比分析，凹坑寬度不變，牽引把與飛機連接處、前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處的牽引載荷隨著凹坑高度的增大而增大；輪胎同時經過加油管地溝第一個邊緣，凹坑高度越大輪胎經過加油管地溝第二個邊緣的時間越快，且載荷變化也越快；當經過加油管地溝第二個邊緣比第一個邊緣時下阻力臂與緩沖支柱連接處的載荷變化較大；當遇到高度30mm凹坑時牽引把與飛機連接處和前起落架下阻力臂受力最大。

2.3 地面凹坑高度和寬度不變而牽引速度變化時飛機牽引載荷分析

當加油管地溝寬度1520mm和高度30mm不變且飛機前起落架與凹坑較近邊緣距離一樣時，牽引車以不同的速度勻速頂推飛機，分析牽引把與飛機連接處和前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷的變化。地面凹坑數據如表6所示，分成5組數據進行對比，仿真時間40s，仿真分析步數4000。牽引把與飛機連接處受力曲線如圖10所示，前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處受力曲線如圖11所示。圖中Force.1，Force.2，Force.3，Force.4，Force.5分別代表數據1、2、3、4、5仿真的受力。

表6 地面凹坑數據

圖10 牽引把與飛機連接處受力曲線

圖11 前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處受力曲線

通過對比分析，當凹坑高度和寬度不變時，牽引把與飛機連接處牽引載荷和前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷隨著牽引速度的增大而變化越快即速度越大遇到凹坑時載荷首先突變；當經過加油管地溝第二個邊緣比第一個邊緣時下阻力臂與緩沖支柱連接處的載荷變化較大。

3 總結

本文基于Catia和Adams軟件，建立了牽引車-飛機系統模型并進行飛機牽引載荷的仿真研究。結果表明，牽引把與飛機連接處牽引載荷和前起落架下阻力臂的受力載荷一般隨著地面凹坑寬度、高度和牽引速度的增大而增大；且經過加油管地溝第二個邊緣比第一個邊緣時下阻力臂與緩沖支柱連接處的載荷變化較大。由于沒有考慮到牽引過程中牽引把與牽引車、牽引把與飛機的撞擊產生的沖擊力，飛機牽引載荷在允許的載荷范圍內。在以后的研究中要考慮其他因素產生的力給飛機牽引載荷帶來的影響。

[1] 舒曉，謝曉峰.國外飛機牽引技術標準淺析[J].航空標準化，1985，1：37-40.

[2] 肖力軍.基于ADAMS/CAR的汽車懸架系統虛擬樣機設計與性能分析[D]，長沙：湖南大學碩士位論文，2006(12) .

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[4] Caren A.Wenner，Colin G.Drury.Analyzing human error in aircraft ground damage incidents.International Journal of Industrial Eronomics，2000，26：177-199.

[5] Gustavsson，Anders I.Measurements of landing gear loads of a commuter airliner.Congress of the international Council of the Aeronautical Sciences v2，1986，1383-1389.

[6] Radev，Vladimir，Application of citeria of aircraft tow tractors.SAE Technical Pater Series，1987.

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Simulation Analysis of Aircraft Ground Traction Load Under Pit Road Conditions

ZHU Min,LIU Hui,CHEN Shu-wen

(School of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China)

In order to ensure the safety of the aircraft ground traction,this paper uses the virtual prototype technology to simulate the changes of aircraft traction load of the traction system through ground pits and effectively predic the changes of towbar and aircraft connection traction load and nose landing gear down resistance arm load when aircraft passes the gas pipe trench.Base on Catia and Adams software, it also establishes the tractor-aircraft system model and carries out the simulation experiment combined with the practical data of Boeing 737-800. This experiment shows that towbar and aircraft connection traction load and nose landing gear down resistance arm load can increase with the pit width,height and traction speed,and down resistance arm and damper strut connection load fluctuation is larger passing the gas pipe trench second edge than first edge.

safety; pit road; tractor-aircraft system; aircraft traction load

國家自然科學基金委員會與中國民用航空局聯合資助項目(批準號：U1233104)

朱敏(1985-),女,山東泰安人，碩士研究生,研究方向為航空器運行品質仿真與分析。

TP391.9

A

1671-5276(2014)02-0094-05

2013-01-28