飛機主起落架力學建模與分析

蔡高存

（中國民航大學航空工程學院，天津 300300）

0 引言

飛機起落架是飛機的重要承力部件，在飛機的起降、滑跑過程中起落架對飛機的安全性擔負著重要的使命[1]。起落架設計在我國目前還是一個薄弱環節，國外先進的起落架一般與飛機壽命基本相同，而我國大部分現役飛機的起落架壽命要比飛機壽命低得多[2]。在飛機的著陸與滑跑過程中，起落架和飛機機身都將承受很大的沖擊載荷，起落架會來回振動，這種沖擊載荷被認為是影響飛機起落架結構疲勞損傷的最重要的因素之一[3]，而沖擊載荷的沖擊能量需要靠緩沖器吸收，使振動衰減。本文介紹了支柱套筒式，并研究其振動與模態響應，為設計出壽命長、可靠性高的飛機起落架提出建議。

1 飛機起落架

1.1 飛機支柱式主起落架結構

飛機起落架一般為前三點式，采用油氣式減震支柱進行減震，通過操縱液壓系統進行起落架正常收放。起落架在飛機著陸時承受巨大沖擊載荷，其振動與沖擊載荷主要靠油氣式減震支柱（如圖1所示）來吸收，并消耗著陸和滑行時的撞擊能量。圖1介紹了油-氣式緩沖支柱，工作原理主要是在主活塞與次活塞之間形成的空腔形成緩沖支柱，其內部充滿液壓油與干燥空氣或高壓氮氣，當減震支柱壓縮時，氣體與油液受到壓縮，吸收能量，起到緩沖減震作用[4]。

1.2 支柱式起落架

圖2介紹了支柱式起落架基本結構，主要由內、外筒，防扭臂和機輪組成。其中，在內、外筒之間形成緩沖支柱，承受起落架落震沖擊；防扭臂工作時，可以防止起落架內、外筒發生相對轉動[5]。

圖1 油-氣式緩沖支柱

圖2 支柱式起落架簡圖

2 支柱套筒式主起落架CATIA建模

2．1 支柱套筒式起落架三維建模

利用仿真技術可以方便地實現起落架系統的運動分析，能夠較好地替代實物實驗裝置，投資少，可大大提高起落架設計的質量，縮短設計周期[6]。本文論述的支柱式起落架基本結構是：在主活塞5與次活塞6之間形成的空腔構成緩沖器，其主要是緩沖裝置以及油壓液組成（如圖3）。飛機著陸時，緩沖器承受沖擊載荷，油液在外力作用下流經一個或多個小孔產生阻尼消散起落架的沖擊能量。搖臂1和搖臂2組成起落架防扭臂，防止飛機著陸或滑跑主活塞與次活塞出現相對轉動。整個裝置通過零件8與機身固接。

圖3 支柱套筒式主起落架三維模型

2.2 基于CATIA DMU模塊運動仿真

計算機仿真可以節省設計者大量時間，同時節約資金[7]。由圖1與圖2分析，建立CATIA[8]模型（如圖3所示）后，基于DMU模塊進行運動仿真,其初始狀態如圖4所示。對建立的模型添加驅動，運動狀態如圖5所示。基于DMU模塊的仿真發現，本次設計的支柱式起落架各機構配合良好，仿真時無運動干涉，因此設計合理。

圖4 起落架支柱受載初始狀態三維模型

圖5 基于CATIA DMU模塊運動干涉分析

3 基于ANSYS起落架模型落震狀態仿真分析

3.1 起落架模型導入ANSYS及參數設置

將所建模型導入ANSYS軟件[9]，以B-737 800為例，其著陸重量大約為66 t。設置參數：1）建立一個新的項目。2）選中Engineering Data模塊,修改選擇材料為Iron。3)網格劃分，選中Mesh模塊Details of mesh選項網格參數。其中sizing中的Relevance Center選項設置為Medium,其余采用默認設置。網格劃分圖像如圖6所示。4）施加載荷，選定Fixed support選項，選擇需要施加固定約束的面。5）選擇Pressure選項，同時在Magnitude選項設置壓力為6 MPa。6）選擇固定部件為地面與輪胎。7）模型仿真。

3.2 ANSYS仿真

對所建模型仿真，其中等效力云圖、等效彈性變形云圖與等效總變形云圖結果如圖7～圖9所示。

3.3 仿真結果分析

1）由圖7可知，在落震狀態時，起落架受力的主要部分是主活塞，且其變形量最大，如圖8所示。2）由圖9可知，扭力臂除承受防止主活塞與次活塞相對轉動的載荷外，還承受沖擊載荷引起的變形。

綜上所述，由以上仿真結果，在飛機起落架設計時除根據飛機降落時的沖擊載荷合理設計主活塞、次活塞與防扭臂結構外，還要充分考慮由于載荷作用下各結構出現的變形，防止飛機降落或滑跑過程中出現機構運動干涉[10]。

圖6 起落架模型網格劃分

圖7 等效力云圖

圖8 等效彈性形變云圖

圖9 總變形云圖

4 支柱式起落架落震受力分析

4.1 起落架力學模型

假設：1）不考慮起落架的擺振與扭轉以及防扭臂的質量，彈性輪胎簡化為剛度為K的等效彈簧，緩沖支柱簡化為阻尼為C的阻尼器;2）所有的力作用在同一個平面內;3）除緩沖器結構的水平撓度變形外,忽略緩沖器結構的其它變形[11]。則起落架系統可簡化為二自由度系統的強迫振動。以緩沖器為研究對象，建立起落架力學模型如圖10所示。

4.2 起落架受力分析

起落架受力如圖11所示。

由以上假設條件，則主起落架受力模型為二自由度受迫振動。根據牛頓第二定律，緩沖器在沖擊載荷F（主起落架作用的整個階段，假設沖擊載荷為簡諧沖擊載荷，即在F=fsin（ωx+ψ））作用下的運動微分方程為：

式中:x1、x2分 別 代表沖擊載荷作用下，緩沖支柱和起落架機輪輪胎的位移;c為緩沖支柱等效阻尼;k為輪胎等效剛度。輪胎與緩沖支柱質量分別為m1、m2。

整理成矩陣形式為

圖10 起落架力學模型

圖11 支柱套筒式起落架受力分析圖

式中：M、C、K別為系統的質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；x和F分別為位移向量和力振幅向量。

設系統的穩態響應為

4.3 結果分析

1）在假設條件、力學模型與受力分析的基礎上以簡諧形式的沖擊載荷建立了二自由度受迫振動的微分方程，對方程解耦、求解；2）通過計算，求出系統固有頻率，在起落架設計時應避免系統固有頻率與載荷作用下系統頻率相等,以防止發生共振；3）根據計算結果以及的值作出振動的幅頻特性曲線與相頻特性曲線，依據圖線的變化規律，將振動控制在合理的區域內[12-15]。

5 結論

好的起落架設計必須建立在正確的動力學分析的基礎上，無論是在設計之初，通過動力學分析尋找符合要求的設計方案，還是通過動力學分析校核起落架系統是否滿足設計要求，動力學分析方法都至關重要。

本文基于CATIA建模，由DMU模塊進行運動仿真，檢查起落架各機構運動干涉。由ANSYS分析起落架受力與變形，對關鍵部位的設計提出建議。以簡諧形式的沖擊載荷建立了二自由度受迫振動的微分方程，對方程解耦、求解。求系統固有頻率,以防止發生系統共振。作出振動的幅頻特性曲線與相頻特性曲線，依據圖線的變化規律，將振動控制在合理的區域。以上分析結果，對起落架減震、設計具有重要參考價值。依據以上分析與求解的參數，作出主要參數變化的曲線，合理選擇振動控制區域，將振動控制在合理的范圍內。

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