機體連接處局部剛度對輕型飛機起落架擺振穩(wěn)定性的影響研究

劉勝利　劉小川　崔榮耀　劉沖沖

摘要：針對前起落架與飛機機體連接處局部剛度對起落架系統(tǒng)擺振穩(wěn)定性影響的問題，以前起落架為研究對象，建立了考慮起落架與機體連接處局部剛度影響的起落架擺振分析模型，并采用復(fù)特征值優(yōu)化法對擺振穩(wěn)定性進(jìn)行了計算與分析。最后，針對某輕型飛機前起落架，分析了機體連接處局部剛度對起落架系統(tǒng)擺振穩(wěn)定性的影響，并通過物理試驗驗證了理論計算的正確性。研究表明：起落架與機體連接處局部剛度對起落架擺振穩(wěn)定性影響比較明顯；連接處局部剛度越小，系統(tǒng)所需臨界阻尼越大，系統(tǒng)越不穩(wěn)定；反之亦然；連接處局部剛度越小，系統(tǒng)擺振頻率越小，反之亦然。在防擺設(shè)計時，應(yīng)考慮起落架與機體連接處局部剛度與起落架側(cè)向剛度之間的匹配關(guān)系。

關(guān)鍵詞：擺振；起落架；穩(wěn)定性；局部剛度

引言

起落架在飛機起飛或著陸滑跑過程中起著非常重要的作用，是飛機的關(guān)鍵部件之一。飛機在地面滑跑過程中，有時可能會產(chǎn)生一種以起落架支柱側(cè)向運動與機輪繞支柱扭轉(zhuǎn)運動相互耦合的一種劇烈的自激振動，而這種振動稱為擺振，擺振是一種有害的振動，嚴(yán)重危害飛機安全。中國多個飛機型號在使用中都遇到不同程度的擺振問題；美國的C-119，F(xiàn)7U-3，L-1011等飛機在研制與使用過程中也曾因擺振導(dǎo)致了前起落架失靈或者部件損壞事故。因此，針對擺振問題，國內(nèi)外許多專家已經(jīng)進(jìn)行了大量的富有成效的研究。例如：文獻(xiàn)研究了考慮起落架支柱彈性對起落架擺振穩(wěn)定性的影響；文獻(xiàn)從實驗和理論兩個方面研究了機體柔性對起落架擺振穩(wěn)定性的影響；文獻(xiàn)研究了由于地面的不平順導(dǎo)致的從起落架傳遞到柔性機身的隨機振動問題，機身反過來又會影響起落架的擺振穩(wěn)定性；文獻(xiàn)用描述函數(shù)法分析研究了起落架系統(tǒng)具有間隙、庫侖摩擦、速度平方阻尼等非線性因素時的擺振穩(wěn)定性問題。可以看出，在以往的擺振理論研究中，研究者考慮的因素主要分為三大類：（1）起落架：包括起落架支柱彈性、結(jié)構(gòu)問隙等；（2）飛機機體：包括剛性機體運動、機體振動模態(tài)等；（3）外部激勵：跑道不平順等。

隨著中國航空產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，通用飛機及無人機等輕型飛機以其體積小、使用方便、適應(yīng)性強等優(yōu)點，已經(jīng)成為目前航空領(lǐng)域的一個熱門研究對象。然而，這類飛機相對一般飛機來說，起飛重量小、結(jié)構(gòu)系數(shù)低、空間有限，尤其是起落架一般直接連接在機體框段立板上，而立板剛度相對起落架來說，要弱得多。從而使得輕型飛機起落架擺振問題更加復(fù)雜，更加突出。

因此，本文在前人研究基礎(chǔ)上，建立了考慮起落架與機體連接處局部剛度影響的擺振穩(wěn)定性分析模型，并利用復(fù)特征值優(yōu)化法對某輕型飛機前起落架進(jìn)行了擺振穩(wěn)定性分析，對比了不同局部剛度對前起落架擺振穩(wěn)定性的影響。最后通過擺振試驗驗證了理論計算正確性。得出了一些對飛機防擺設(shè)計有益的結(jié)論。

1.輪胎力學(xué)模型

1.1輪胎力學(xué)特性

輪胎作為地面與飛機起落架之間載荷傳遞的媒介，它的力學(xué)特性對飛機起落架擺振穩(wěn)定性有著重要的影響，是影響飛機起落架擺振穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。本文采用經(jīng)典的smiley輪胎力學(xué)模型，如圖1所示。