起落架系統(tǒng)收放時間仿真及優(yōu)化分析

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起落架系統(tǒng)收放時間仿真及優(yōu)化分析

0引言

起落架系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)的前三點式布局。它包括一個向前向上收起的前起落架和兩個分別向內向上收起的左右主起落架，由單一的飛機液壓源提供液壓作動能源。

設定15s內的收上時間和18s內的放下時間要求(收放時間不包括艙門的打開和艙門的關閉)，結合起落架系統(tǒng)詳細設計的各種相關數據，開展起落架收放仿真分析，計算在現有起落架系統(tǒng)的設計參數下起落架系統(tǒng)的收放時間符合性，為驗證和優(yōu)化起落架收放設計方案提供依據。

1系統(tǒng)工作原理

起落架收放系統(tǒng)正常工作時，當飛行員通過起落架控制手柄發(fā)出收放指令后，起落架收上過程如下：(1)起落架和艙門選擇閥加電，艙門作動器開始作動并打開艙門。(2)在艙門打開后，通過作動開鎖作動器和收放作動器，起落架下位鎖開鎖，起落架收上。(3)起落架收上到位時，起落架上位鎖上鎖。(4)艙門作動器關閉艙門。(5)起落架和艙門選擇閥斷電到中立位置，所有壓力管接通回油，釋放壓力。

起落架放下過程與起落架收上過程類似，不再贅述。在本文的仿真分析中，由于計算的起落架收放時間不包括艙門開啟和關閉時間，且艙門機構和其他起落架機構是相對獨立的運動，故建模時省略艙門機構。

2建模仿真工具

2.1Image.AMESim

Image.AMESim是基于圖形化建模環(huán)境的多領域一維仿真軟件，帶有多種領域的專業(yè)元件庫，其中液壓庫中包含了大量常用的液壓元件。該軟件是目前應用最廣泛的液壓系統(tǒng)仿真工具，具備與許多三維多體動力學軟件的聯合仿真接口。本文以AMESim對某型飛機起落架收放的液壓系統(tǒng)進行建模仿真與分析。[1]

2.2Virtual.motion

Virtual.Motion是LMS公司Virtual.lab平臺中用于三維多體動力學仿真分析的工具，適合模擬機械系統(tǒng)的真實運動和載荷。它能夠快速調用機構CAD模型，設置約束條件和作用力等參數后，即可方便的用于起落架收放機構的三維多體動力學仿真計算研究，并通過接口與液壓相關部分的仿真軟件進行聯合仿真計算。[2]

3系統(tǒng)建模與分析

3.1分析內容

按照規(guī)定的仿真條件和輸入參數，對收放系統(tǒng)的收放過程進行仿真分析，計算起落架的收上和放下時間，形成試驗結果曲線；以規(guī)定的標準收上、放下時間作為輸入，計算收放系統(tǒng)對液壓能源系統(tǒng)的最大壓力-流量需求。

3.2分析過程

分別建立液壓系統(tǒng)和機構模型，可通過聯合仿真進行計算，集AMESim和Motion兩者之所長作無縫連接的聯合仿真，可以使系統(tǒng)模型計算結果更加可靠和精確。聯合仿真接口提供力、位移、速度等參數的相互傳遞，AMESim模型輸出位移和速度的計算值，并得到作用力的反饋值。Motion與之相反。

AMESim和Motion的聯合仿真可以采用Co-Sim和Coupled兩種接口方式。

(1) Co-Sim方式以AMEsim為主，在AMEsim中進行仿真過程控制(設置仿真時間、采樣步長、算法等)，仿真過程中，AMEsim與Motion各自計算，在規(guī)定的每個采樣時間段內相互傳遞數據。

(2) Coupled方式以Motion為主，在Motion中進行仿真過程控制，仿真過程中只調用Motion的求解算法進行計算(AMESim不參與計算)。

本文采用Coupled方式聯合仿真。一般來說，采用Coupled方式，仿真結果相對Co-Sim方式更加精確。

3.3液壓系統(tǒng)模型

采用AMESim軟件建立起落架收放系統(tǒng)的液壓回路模型，根據起落架收放系統(tǒng)的特點，前起落架收放液壓回路和主起落架收放液壓回路是相對獨立的，可建立兩個獨立的模型系統(tǒng)。下文以主起落架收放系統(tǒng)的液壓回路模型為例，介紹建模思路和簡化后的液壓回路模型。

在建模中不考慮對于計算結果無明顯影響的元部件和參數，如油濾、管路容積效應、液阻等；設置油液溫度恒定為20℃，即不考慮溫度變化對系統(tǒng)帶來的影響；選擇恒壓泵作為壓力源，總進口油液流量不限制。建立的簡化模型如圖1所示。

圖1　主起收放液壓回路模型圖

建好模型后，按照該飛機液壓系統(tǒng)相關設計文件輸入各種參數，如油液特性、進油/回油口壓力，作動筒無桿/有桿腔直徑、活塞桿直徑、作動筒自由行程、選擇閥各出口的最大開啟面積、節(jié)流緩沖孔直徑等。

3.4起落架機構建模

起落架機構本身很復雜，本文主要研究內容只包括參與收放運動過程的主要零件，因此，與收放過程運動無關的零件都沒有考慮建多體模型，如管路、彈簧、線纜等。

將所有需建模的機構零件的三維Catia數模直接導入Motion，建立多體動力學模型；添加各零件關節(jié)之間的約束，運動副約束設置示意圖如圖2所示，其他零件間的連接均設為固定副約束。

運動副設置以后，按照設計參數設置重力為1.0G、平均氣動載荷力(支柱系統(tǒng)阻力對起落架轉軸的力矩，以阻礙起落架收起為正，單位為N·m)和預緊彈簧力，選定仿真算法和仿真時間；最后與AMESim聯合仿真，以AMESim的力輸出作為開鎖作動筒和收放作動筒驅動力，進行起落架收放過程模擬。

圖2　主起機構運動副約束示意圖

4仿真結果分析

仿真計算結束后，查看計算曲線，檢驗起落架收放機構收放時間是否符合設計要求。在主起落架收上過程中的作動筒行程-時間曲線如圖3所示，所有的仿真參數為給定的設計參數，主支柱轉動到達收上上鎖位置，時間約為8s，符合總體設計12s內的收上時間要求。

圖3　作動筒行程-時間曲線

為驗證起落架模型及計算結果的準確性，將仿真計算結果和同等條件下的物理試驗結果對比，如表1所示。仿真計算結果和物理試驗結果相對誤差較小，說明仿真模型的建立和仿真方法都具有較高的可信度。

通過對關鍵參數在一定可選范圍變化的方式進行批量仿真計算，找到符合設計值的最優(yōu)化參數。例如調節(jié)收放作動筒入口前的節(jié)流孔大小，范圍2.6 L/min～3 L /min，分三次計算，每次減小0.2 L/min，即分別設置節(jié)流孔最大流量為3.0 L/min、2.8 L/min、2.6 L/min，得到圖4的扭矩-轉角曲線，可見在其他設定參數均不改變的情況下，通過減少節(jié)流孔的最大通油量，從而減小作動筒的液壓油推力，收放動作更為平穩(wěn)，但將會顯著延長收放時間，權衡后可找到兼顧性能、安全性和經濟性的理論最優(yōu)設計參數。

表1　起落架仿真與試驗結果對比

圖4　主作動器扭矩-轉角曲線

5結論

通過該項目的研究，可實現起落架收放系統(tǒng)的主要運動機構的收放過程仿真，檢測機構零部件的運動狀態(tài)和有無干涉情況，引入液壓系統(tǒng)的模型計算起落架收放動作對于液壓系統(tǒng)的壓力、流量需求，實現對系統(tǒng)相關元部件選型和關鍵參數的分析和優(yōu)化。本文模塊化模型的設計方法便于靈活更新模型結構和修改參數，適用于多種型號的飛機起落架系統(tǒng)的方案驗證和參數優(yōu)化。

參考文獻：

[1]付永領，祁曉野. AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[2]萬曉峰，劉嵐. LMS Virtual.Lab Motion入門與提高[M]. 西安：西北工業(yè)大學出版社，2010.

Dynamic Simulation and Optimum Analysis of Landing Gear Extension and Retraction System for Civil Aircraft

吳雙王漢斌 /

Wu ShuangWang Hanbin

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210,China)

摘要：

本研究的主要目標是建立起落架虛擬仿真分析系統(tǒng)，包括起落架機構、液壓回路等主要模型。該系統(tǒng)充分考慮模擬起落架收放過程中的運行環(huán)境，完成以起落架收放系統(tǒng)正常收放功能、收放時間計算為檢測指標的多系統(tǒng)耦合仿真分析，用以驗證起落架收放系統(tǒng)的設計方案和關鍵參數，支持后續(xù)優(yōu)化設計。

關鍵詞：起落架；收放時間；聯合仿真；優(yōu)化設計

[Abstract]The aim of this research is building landing gear dynamic simulation system，which includes landing gear and hydraulic system. The system could simulate normal extend and retract action of landing gear and compute the whole time with co-simulation. The design project and key-point parameter could be testified and optimized by computed results.

[Key words]landing gear；extend and retract time；co-simulation；optimum designs

中圖分類號：V226

文獻標識碼：A