基于MATLAB GUI的滑橇起落架著陸性能計算方法

陳吳杰

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

目前，對于滑橇起落架著陸性能的計算和分析，國內外主要采用有限元分析方法。貝爾直升機公司的Cheng-Ho Tho、Chad E.Sparks等人采用LS-DYNA對矩形截面滑橇的著陸性能進行了分析[1]；陶周亮等采用ANSYS和LS-DYNA，通過二次開發搭建了滑橇起落架落震分析系統[2]。除了有限元分析方法，黃生月、張紹儀等采用“位移-增量迭代法”計算滑橇起落架的著陸性能[3]；黃生月、彭宗梁等在前面工作的基礎上進行了帶減振器的滑橇式起落架耐墜毀研究[4]。除了著陸性能的計算方法之外，滑橇起落架著陸性能分析的另一難點就是多工況下大量數據的處理。如何減少用戶計算和數據處理的時間，提高滑橇起落架著陸性能的分析效率，就是本文研究的內容。

基于上述問題，本文在“位移-增量迭代法”的基礎上，編寫了滑橇起落架著陸性能MATLAB分析程序，并設計了滑橇起落架著陸性能計算GUI界面。該界面為用戶提供了一個方便、高效的計算平臺，界面簡約友好，用戶可以比較直觀地查看著陸性能數據以及相關的功量曲線圖(載荷-位移曲線)；并具備計算結果的批量導出功能，為滑橇起落架的著陸性能計算提供了新的方法手段，大大地提高了工作效率。

1 MATLAB GUI用戶界面設計簡介

圖形用戶界面GUI(Graphical User Interface)是使用圖形對象(例如按鈕、文本框、滾動條和菜單等)創建的用戶界面。這些對象對計算機用戶而言通常都有明確的含義，例如移動滾動條將會改變數值，按下“OK”按鈕將完成并應用用戶的設置，同時設置對話框消失。當然，用戶必須保證這些不同對象間能夠協調地工作。MATLAB用一個包含多種不同風格用戶控件對象的圖形窗口代表用戶界面。用戶必須對每一個對象進行編程，使用戶在GUI中的行為能夠達到相應的目的。

實現一個GUI的過程包括兩個基本任務：一是GUI的組件布局，另一個是GUI組件編程。另外，用戶還必須能夠保存并發布自己的GUI，使得用戶開發的圖形界面能夠真正得到應用[5]。

2 滑橇起落架著陸性能計算原理簡介[6]

滑橇起落架的著陸性能分析是一個求解彈塑性大變形的幾何、物理非線性問題。本文采用“位移-增量迭代法”計算滑橇起落架的著陸性能，滑橇的計算模型如圖1所示。

圖1 滑橇計算模型

圖1中，首先將滑橇弓形梁劃分為有限個梁單元，然后不斷增加載荷，讓弓形梁通過變形吸收著陸能量，直至飛機的著陸速度為0。具體的計算流程如下：

① 給定直升機的初始下沉速度Vm0；

②將滑橇劃分為有限個梁單元并記錄各個節點的初始坐標信息；

③ 給定載荷增量ΔP，垂向載荷Py(i)=Py(i-1)+ΔP，側向載荷Pz(i)=f*Py(i)(f為滑橇與地面的摩擦系數)；

④ 根據公式(1)和(2)計算在載荷Py(i)和Pz(i)作用下的滑橇變形，并更新各個節點的坐標信息(β為表征切面彈塑性程度的系數)；

(1)

(2)

⑤ 計算第i次變形滑橇吸收的總功量Ayz，并根據公式(3)更新直升機的下沉速度；

(3)

⑥ 重復步驟③至⑤直至直升機的下沉速度Vm0等于或接近于零時計算結束。

3 滑橇起落架著陸性能計算界面在實際工程中的應用

某型號直升機在實際飛行中需要對滑橇起落架進行48種著陸工況的著陸性能分析。由于計算的工況較多，需要存儲的數據量很大，運用傳統的著陸性能計算方法，操作繁瑣，且計算效率偏低。因此有必要采用批處理計算方法進行快速、準確的計算。

3.1 計算界面中各控件的設計及其功能

根據起落架著陸性能分析的需要，本界面需要實現的主要功能為：根據著陸工況和結構、材料參數，進行相關著陸性能的計算和分析，得到各著陸工況下的著陸載荷和變形，依此計算出各工況下其他的著陸性能參數，如：重心處垂直載荷、垂直位移、起落架吸收功量、效率系數等，并且可以得到各工況下的載荷-位移曲線。為實現以上計算功能，在界面中設置相應的控件。滑橇起落架著陸性能計算界面中主要控件的作用如表1所列。

表1 主要控件介紹

3.2 計算界面的實際操作

3.2.1 計算主界面

結合滑橇起落架實際的著陸性能分析要求，基于MATLAB GUI平臺設計的著陸性能計算主界面如圖2所示。該界面主要由輸入參數顯示區、命令選項區和計算結果區三個部分構成。輸入參數顯示區顯示的是工況信息、材料信息和節點信息；命令選項區分為導入計算參數按鈕、批量計算按鈕和退出按鈕；計算結果區分為上方的性能參數顯示區和下方的繪圖區。

3.2.2 計算界面的操作

以某型號直升機滑橇著陸性能計算為例，進行操作演示。

1)計算參數的導入。MATLAB GUI具有良好的數據接入端口，能夠很好地與各類數據類型文件建立連接。對于本著陸性能計算界面，首先按照計算參數的模板填寫相關參數，然后只需點擊“導入計算參數”按鈕，在彈出的對話框中選擇需要打開的項目路徑及文件，即可完成計算參數的導入。

2)材料參數的導入。同上所述，點擊“材料參數”面板上的“導入”按鈕，在彈出的對話框中選擇需要打開的項目路徑及文件，即可完成材料參數的導入。

3)材料參數的導出。點擊“材料參數”面板上的“另存為”按鈕，在彈出的對話框中選擇需要保存的項目路徑及文件名稱，即可完成材料參數的導出。

4)批量計算。完成步驟(1)和(2)后，即可點擊“批量計算”按鈕，待彈出“計算完成！”對話框后，計算完成。

圖2 著陸性能計算主界面

5)計算結果查詢。在“計算結果”面板中，在上方的下拉框中選擇某一工況，然后點擊“查看結果”按鈕，即可通過下面的文本框查看相關的計算結果。

6)載荷-位移曲線圖的繪制。在“計算結果”面板中，在上方的下拉框中選擇某一工況，然后點擊“plot”按鈕，即可通過下面的繪圖區查看對應的載荷-位移曲線。如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 前梁功量圖

圖4 后梁功量圖

圖5 前、后梁功量圖

7)計算結果的批量導出。點擊“計算結果”面板上的“輸出結果”按鈕，然后在彈出的對話框中選擇需要保存的項目路徑及文件名稱，待彈出“導出完成！”對話框后，即可完成計算結果的批量導出。

8)保存載荷-位移曲線圖。點擊“計算結果”面板上的“保存圖片”按鈕，然后在彈出的對話框中選擇需要保存的項目路徑及文件名，即可保存載荷-位移曲線圖。

通過實際應用可以看出，基于MATLAB GUI的滑橇起落架著陸性能計算界面可以很方便地查看各著陸工況和各節點信息。通過可視化界面以及高效的計算能力，大大地簡化了對多工況的滑橇起落架著陸性能的計算過程，提高了工作效率。

4 GUI計算界面的優勢

1)操作簡單，計算效率高。將滑橇起落架著陸性能計算界面化，簡化了用戶的操作，批處理計算和結果批量導出功能大大提高了計算效率，并且減少了人為操作造成的計算錯誤。

2)良好的數據接口。MATLAB GUI具有良好的數據接入端口，能夠很好地與各類數據類型文件建立連接，方便用戶對原始計算參數的處理。

3)計算結果顯示簡潔、清楚。通過相應的文本框和繪圖區，方便用戶直觀地查看計算結果。

5 結論

多工況下的滑橇起落架著陸性能分析是一個非常復雜繁瑣的工作，如何擺脫繁瑣的計算數據整理和分析是當前工程項目過程中所急需解決的問題。本文基于MATLAB GUI設計的滑橇起落架著陸性能計算界面，充分地將MATLAB強大的工程計算、圖形處理及可視化界面設計能力應用到實際工程中，為工程計算提供了一個方便、高效的集成環境和友好的用戶界面，為滑橇起落架著陸性能的自動化分析提供了良好的操作平臺。