艦載機起落架多體動力學剛柔耦合仿真分析

何磊++滕英元

【摘 要】本文提出一種動力學與有限元相結合的剛柔耦合仿真建模方法，研究艦載機著艦落震過程中的受力規律，利用CATIA、ANSYS、ADAMS在不同工況下對艦載機機體和起落架進行仿真分析，仿真模型更真實地反映了艦載機著艦落震過程的動力學問題及影響因素，進一步優化了緩沖器摩擦力與活塞桿和外筒間的相對剛度，以及在偏心、偏航等惡劣工況下，艦載機著艦落震過程的仿真模擬，仿真結果分析驗證了模型的有效性和優越性，提高了計算精度，可為艦載機起落架結構設計提供可靠參考。

【關鍵詞】起落架 剛柔耦合仿真 艦載機 落震

【Abstract】 This paper proposes a modeling method of rigid flexible coupling dynamics and finite element method combined with the research of aircraft landing drop in the process of the law， in the different working conditions of the aircraft airframe and landing gear is analyzed and simulated by using CATIA， ANSYS， ADAMS， simulation model to reflect the aircraft dynamics factors the problem of ship drop process and influence， further optimization of the buffer friction between the piston rod and the outer tube of the relative stiffness， as well as the eccentricity， yaw and other harsh conditions， the aircraft with the simulation of ship drop process， simulation results validity and superiority of the model is verified， the calculation precision is improved and can provide a reliable reference for the design of aircraft landing gear structure.

【Keywords】 landing gear； dynamic simulation； joint simulation； carrier based aircraft； drop test； finite element

1 引言

起落架是飛機起飛和著陸功能的主要裝置，更是艦載機安全飛行和作戰的關鍵部件，起落架結構設計在艦載機整機設計過程中有著重要的地位，是起落架設計和分析中的基礎和關鍵技術[1-2]，而固定翼艦載機的整機落震又是飛機設計和研究的關鍵技術之一。通常，艦載機通過在試驗室實施的全尺寸整機落震仿真試驗，校核飛機在各邊界著艦條件下的強度。如Daughetee[3]完成了艦載機落震試驗及起落架動力學測試性能試驗；史海文、張大千[4]等研究了在落震試驗中起落架起轉和回彈過程載荷對過載的影響；吳大方、趙星[5]等設計測量了飛機起落架落震試驗中機輪水平沖擊載荷的方法，為生產制造提供重要的依據和條件。

艦載機落震是航母艦載機研究的重中之重。國內外有關艦載機起落架落震仿真模擬過程中，大多將機體處理為剛體，通過大型分析仿真軟件分析艦載機落震過程或直接建立起落架的動力學模型，求解艦載機的動力學響應結果。如魏小輝以艦載機為研究對象，基于ADAMS建立起落架仿真模型，并重點進行了起落架緩沖器卡滯動態臨界摩擦探究[6-7]；劉志強、劉文芝[8]等人基于ADAMS進行了多層剛柔體耦合約束建模技術研究。限于試驗條件和國防要求的限制，對于整機模型以及整機剛柔耦合模型的完整試驗和仿真很少。

本文根據參數化建模原理，參考某型號艦載機，在CATIA中建立起艦載機的整機三維模型，保留了飛機的主要結構，并簡化不必要的細節；其后使用ANSYS有限元軟件進行網格劃分，優化建模數據參數。再通過ADAMS建立起落架動力學有限元模型，將機翼、后機身、尾翼、起落架搖臂、輪胎等處理成柔性體，機體其他部分處理為剛體。通過ADAMS模擬艦載機著艦過程，考慮著艦航母本身不同的運動狀態、艦載機不同著艦速度等不同工況下，對艦載機機身的過載、航母攔阻索承受的最大拉力、艦載機的滑跑距離、起落架主要部件的載荷及卡滯現象等進行分析。

2 艦載機起落架多體動力學剛柔耦合建模

為考慮實際多體機械系統中具有較多較大的柔性構件的彈性變形對系統運動的影響，ADMS中提供了柔性體模塊 ADAMS/Flex。該模塊要求柔性體采用修正的動態子結構Craig-Bampton方法，用模態展開法描述柔性體的彈性變形[9]。

2.1 艦載機整機落震受力分析

根據實際的著艦過程，分別建立歐拉運動學方程和動力學方程。

2.1.1 整機運動學方程

運用歐拉運動學描述，很容易建立整機運動學方程，用方程（1）表示。

（1）

其中，艦載機的傾斜角為γ，偏航角為φ俯仰角為θ， 式子中是艦載機角速度沿著X，Y，Z軸的分量。

2.1.2 整機平動方程

將整機的動系和定系間的相對運動表示為方程（2）的整機平動方程。

（2）

其中，為動系到定系的轉置矩陣

式中g為重力加速度；為起落架彈性部件總質量；和為X和Y方向上的氣動力；為右（左）發動機推力；為發機推力矢量與側平面的夾角。

2.1.3 整機落震動力學及轉動方程

依據動力學方程，建立整機落震動力學方程，表示為方程（3）。

…（3）

式中：、、表示整機落震時的三維的角速度；、、表示整機落震時在動力學方程中三維的慣性矩，是整機落震時在動力學方程中的慣性矩的慣性積；為合外力矩向量在整機落震時在動力學方程中的表示。

2.2 艦載機起落架參數優化設計和模型的建立

主起落架模型用CATIAV5R20建立，并將其模型保存為ADAMS 所需的CMD格式[12]，在ADAMS環境下直接導入，進行模擬仿真。根據前起落架三維數模及各部件間的運動關系，運用ADMS動力學仿真軟件建立前起落架動力學模型。由于該模型主要用于計算起落架收放載荷，模型中筒體、活塞桿、作動筒、抗扭臂、輪叉、機輪可固結為一個整體，其他部分可忽略不計，模型中只需要定義收放作動筒、斜撐桿、筒體和轉軸之間的運動約束。根據前起落架受力過程中各部件間的運動關系建立的模型約束如下：收放筒的外筒與萬向接頭用轉動副連接，萬向接頭與機體間用轉動副連接，收放作動筒活塞桿端頭與轉軸螺栓用轉動副連接，轉軸螺栓與接頭用轉動副連接，接頭與上撐桿用固定副連接，收放作動筒外筒與活塞桿用滑動副連接，上撐桿與機體用轉動副連接，上、下撐桿間用轉動副連接，下撐桿與筒體用轉動副連接，筒體與機體間用轉動副連接。

3 計算結果和分析

與陸地起降對比，艦載機起降、飛行環境惡劣，各種工況極為復雜，著艦時起落架的載荷較大，并且會受到攔阻力的影響。這就對飛機的結構強度，以及飛機上各主承力部件的抗疲勞性提出更高要求。航母的縱向和橫向擺動對艦載機著艦影響最大，所以這里僅對縱向和橫向兩種情況分別加以分析。表1給出了艦載機著艦各種工況的仿真數據比較。

并依據傳統二質量落震動力學建模方法，使用已經建立好的主起落架的動力學分析模型，并進行數值計算分析，落震動力學響應曲線如圖1所示。

圖1中狀態點A表示的是緩沖器啟動時刻、B表示的是活塞桿和外筒加速度為0的時刻、C 表示的是正反行程交替變換時刻。從圖中還可以分析出，當緩沖器在壓縮過程中活塞桿的加速度開始改變，依據飛機設計手冊提供的動態臨界摩擦分析方法緩沖器將會在B時刻出現卡滯現象。不僅如此，當艦載機在航母著艦穩定后在緩沖器的靜態平衡位置區域也可能會發生卡滯現象。

4 結構參數優化設計

根據結構設計要求利用ANSYS前處理過程的結果，再使用ADAMS的求解模塊和后處理功能進行優化設計，以緩沖器初始壓力、油液腔橫截面積和油針頂端截面和低端截面半徑為設計參數， 以起落架實際載荷為核心函數，經過多次逐次逼近迭代運算，最終找到本次試驗中最為合理結構設計，結果如表2所示。

5 結語

本文建立包含機身在內的主起落架系統的剛柔耦合動力學仿真模型，在三種不同工況下，對艦載機整機和主起落架系統進行了仿真與分析，完成了整機狀態下起落架的落震仿真計算與分析。

（1）相比于傳統的起落架設計，剛柔耦合仿真模型具有可視化程度高，通用性和針對性強的優點，實現了起落架設計和分析一體化的先進技術，避免了純多剛體簡化的不足，更真實反映艦載機的著艦過程，提高了計算精度和準確度。

（2）仿真結果表明：當考慮支柱結構剛度時，在偏航著陸工況和機尾下沉回彈工況下，緩沖器摩擦力增加約4倍，存在發生卡滯的可能；飛機的載荷行程曲線受航向速度的影響很大，而著艦航母平臺的運動對于起落架載荷、重心的過載和機翼處響應都會有很大影響。

（3）在不同的工況下，本文優化了緩沖器摩擦力與活塞桿和外筒的相對剛度，當適當改變活塞桿和外筒的剛度，使其相互匹配，可以降低緩沖器的摩擦力，并提高艦載機在不同工況下的落震安全性能。

參考文獻：

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[3]Daughetee C C.Drop testing naval aircraft and the VSD landing gear dynamic test facility [C].AIAA / ASME / SAE 15th Structures， Structural Dynamics and Materials Conference.Las Vegas， Nevada， AIAA 1974： 1-9.

[4]史海文，張大千.落震試驗中起轉和回彈載荷的模擬情況對試驗結果的影響[J].航空學報，2001，22（1）：39-41.

SHI Haiwen， ZHANG Daqian.Influence of imitation co ndition of spin-up and spring back drag loads on drop test result [J]. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica， 2001，22（1）：39-41 （in Chinese）

[5]吳大方，趙星，賀小帆，等.飛機起落架落震試驗中機輪水平沖擊載荷測量方法的研究[J].機械強度.2010，32（5）：729-734.

[6]魏小輝.支柱剛度對起落架緩沖器摩擦力的影響[J].航空學報.2014.1000-6893（2014）.

[7]魏小輝，宋曉晨，李利榮，聶宏，等.起落架緩沖器卡滯動態臨界摩擦探究[J].北京航空航天大學學報，2013.

[8]劉志強，劉文芝.基于ADAMS的多層剛柔體耦合約束建模技術研究[J].機械工程師，2008.10：85-87.

[9]馬堯，寧方立.飛機起落架氣動噪聲的數值計算改進方法[J].機械設計與制造，2015.1001-3997（2015）12-0023-04 Improvement of the Numerical Computational Method for Predicting Landing Gear Noise MA Yao ，NING Fang-li.