考慮艇身彈性的起落裝置著陸仿真分析

顧文華，穆媛

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考慮艇身彈性的起落裝置著陸仿真分析

顧文華，穆媛

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

目的研究軟式飛艇著陸時，艇身彈性對起落裝置的影響。方法建立軟式飛艇艇身和起落裝置的等效模型，并在LMS仿真平臺中建立虛擬樣機，仿真出考慮艇身彈性時起落裝置著陸的動態響應。結果仿真結果顯示出彈性艇身能夠起到吸收和耗散能量的作用，減輕著陸時起落裝置的過載和回彈次數。結論艇身彈性可以降低起落裝置載荷，延長起落裝置壽命，增加飛艇的安全性。

彈性艇身；飛艇；起落裝置；虛擬樣機；動態響應

飛艇起落裝置是飛艇重要的承力部件，不具有操縱特性，但在飛艇著陸、地面牽引和錨泊過程中發揮著重要的作用。目前，對飛艇起落裝置進行動力學分析時，都是假設艇身為剛體，這也是目前國內外研究工作中普遍采用的簡化方法[1]，這會對分析結果造成誤差[2]。隨著現代飛艇的發展，特別是中大型飛艇，僅僅依靠傳統方法不能設計出最優的起落裝置。

在機身柔性對起落裝置設計的影響研究方面，國內外有很多成果。國內，史友進等通過對緩沖器引入智能半主動控制，以解決機體儲能著陸功量耗散效率低的難題，認為起落架的結構設計有必要考慮機體彈性[3—4]。劉沖沖、牟讓科等通過LMS仿真平臺仿真分析發現，柔性機身能夠降低著陸載荷峰值，使功量圖更平緩[5—6]。廖麗涓、賈玉紅等通過在ADAMS/ Aircraft仿真發現彈性機體能起到吸收和耗散能量的作用，提高起落架緩沖器效率的作用，延長起落架壽命[7]。國外，Baluch H A，Lyle K H等就機體柔性對起落架設計的影響做了大量的研究[8—11]。

將軟式飛艇艇身柔性引入起落裝置動力學仿真研究，國內尚沒有報道。文中以某型軟式飛艇單點式起落裝置為分析對象，考慮艇身的柔性，采用仿真軟件LMS Virtual Lab motion建立起落裝置進行動力學模型，并進行著陸仿真，根據仿真結果分析艇身柔性對起落裝置緩沖性能的影響。

1 動力學分析模型

1.1 起落裝置模型

傳統的起落裝置性能分析是從牛頓經典力學出發，推導動力平衡方程[12]。飛艇起落裝置的動力學分析力學模型可以假設為三質量模型，即艇體質量與附連質量、彈性支撐質量和非彈性支撐質量。由于吊艙與艇身為剛性連接，所以上述的附連質量[2]是著陸仿真分析必須考慮的參數。因此，彈性支撐質量是緩沖部件上部的質量，包括支柱、過渡框架、支架、緩沖部件等；非彈性支撐質量是緩沖部件下部的質量，包括搖臂、機輪等；艇體質量包括機身（包含內部氣體）、尾翼、動力裝置等，具體見圖1。文中假設飛艇垂直著陸速度勻速向下，飛艇水平速度為零。

圖1 起落裝置動力學分析模型

1.2 艇身動力學模型

艇身為充氣的彈性體，假設其動力學模型為線性模型，其等效剛度和等效阻尼為定值，其建模比較簡單直觀。由于浮空器艇身體積較大，且各個部位的剛度不同，測量比較困難，因此通過軟件模擬計算艇身與起落裝置連接處的等效剛度。艇身與起落裝置連接處的壓縮模型如圖2所示，壓縮曲線如圖3所示。

對等效剛度曲線進行曲線擬合，艇體的等效剛度約為48 210 N/m。目前，已經確定艇囊存在阻尼[2]，但還沒有關于浮空器囊體等效阻尼的文獻。假設囊體的等效阻尼為臨界阻尼，即阻尼比=1，通過公式算得囊體等效阻尼=11 290。

圖2 艇身分析模型

1.3 輪胎模型

輪胎模型根據所選用輪胎的規格建立，輪胎型號為5.00—5 6 PR TL。由于裝備單點式起落裝置的飛艇只能垂直起降，因此輪胎只考慮垂直力。垂直力根據輪胎廠家的輪胎特性曲線的第5條得到。假設輪胎模型為線性模型，通過曲線擬合可估算得到輪胎等效剛度為23 0167 N /m。輪胎阻尼很小，故可忽略不計。

1.4 緩沖部件模型

該飛艇采用的緩沖部件是6組拉伸彈簧，其并聯剛度為76 200 N/m，其中阻尼忽略不計。

2 虛擬樣機仿真

在不改變起落裝置機構原理且不影響仿真的精度的前提下，需對實際起落裝置結構進行簡化，以減少計算時間，減輕工作量。綜合考慮，在CATIA中建立起落裝置三維簡化模型，設定完成幾何參數和物理參數，然后直接導入LMS Virtual. Lab motion中建立虛擬樣機[13—16]，飛艇起落裝置虛擬樣機模型如圖4所示。

文中不考慮空氣動力，著陸俯仰角為0°。假設起落裝置落震等效質量為880 kg，根據適航AC-21-09起落裝置載荷相關規定，下沉速度為0.9 m/s。在仿真模型中初始條件的各項參數見表1。

表1 初始條件參數

3 仿真結果

仿真結果見圖5—圖8。

圖7 輪胎垂直力對比

從仿真結果可以看出：考慮艇體彈性的影響，輪胎和緩沖裝置所受載荷比假設艇體是剛性時的結果小；考慮艇體彈性時，緩沖裝置和輪胎的行程比艇體剛性的行程小，且回彈次數明顯減小；考慮艇體彈性時，由于艇體吸收部分功量，減小了緩沖器的峰值載荷，使緩沖裝置需要吸收的功量減小。

4 結論

1）彈性艇體能夠減小輪胎、緩沖部件所受的載荷，延長起落裝置壽命。

2）彈性艇體可以吸收和耗散能量，使得傳統的設計方法顯得保守，并增加了起落裝置質量。因此，在設計軟式飛艇起落裝置時，應該綜合考慮艇體彈性。

3）由于彈性艇體的作用，能夠將飛艇的著陸勢能轉化為機體的彈性勢能，能有效減小飛艇的彈跳次數，增加飛艇安全性。

4）利用虛擬樣機技術能夠高效準確地仿真出多體系統的動力學響應。

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Landing Simulation of Landing Gear with Flexible Fuselage

GU Wen-hua, MU Yuan

(China special Vehicle Research Institute, Jingmen 448035, China)

Objective To study influences of flexible fuselage on landing gear when a blimp airship lands. Methods An equivalent model of blimp airship with landing gear and flexible fuselage was established. An airship model with flexible fuselage using virtual prototype was applied in LMS simulation platform. Dynamic responses in landing of landing gear were simulated when the flexible fuselage was considered. Results Flexible fuselage was able to contribute to absorbing energy of shock absorber, alleviating overload and reducing rebound times during landing appropriately. Conclusion Flexible fuselage can decrease the burdens on landing gear, extend the life of landing gear, and improve the safety of the airship.

flexible fuselage; airship; landing gear; virtual prototype; dynamic response

10.7643/ issn.1672-9242.2017.05.014

TJ83；V274

A

1672-9242(2017)05-0060-04

2016-12-06；

2017-01-06

顧文華（1983—），男，江蘇人，碩士研究生，工程師, 主要研究方向為浮空器結構設計等。