全機落震動力學環境研究

張里偉，胡益富，侯 方，夏佳麗

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

為了研究飛機著陸的關鍵技術，對真實的飛機系統進行多次的試驗是一種方法，然而這種方法需要大量試驗，不僅耗費巨大，而且存在巨大的風險，因此有必要對全機落震過程進行計算機仿真分析,用所建立的模型通過仿真替代某些試驗。所謂仿真就是為了分析與研究已存在或者尚未建成的系統，建立該系統的模型，并通過程序語言或者軟件進行計算的過程。用所建立的模型進行相關的動力學環境研究來替代某些試驗，一方面可以節省時間和費用，另一方面還可以給出一些試驗測試難度較大的數據，且可以在必要時及時改進設計，得到符合標準的設計。由此可見，準確可靠的仿真分析不但可以大大減少設計周期，還可以降低研究費用，并且為新型號或現有機型的改進提供可供參考的依據。某型飛機全機落震受力狀態非常復雜，準確而完整的建模是進行動力學環境研究的基礎，本文建立了剛柔耦合全機模型，通過MSC.AD MAS進行動力學仿真，得到了飛機落震過程中前起落架、主起落架相關的特征曲線，以及飛機重心處三個方向的過載。

1 動力學建模

本文利用MSC.ADMAS分別建立柔性體機身、輪胎、前起落架、主起落架、地面等部件，最后將其組裝成全機剛柔耦合動力學模型，建模流程如圖1所示。

圖1 全機剛柔耦合建模流程圖

動力學建模中輪胎文件，地面文件需要預先編寫數據卡片，軟件默認的輪胎剛度為線性剛度，若需要將輪胎建為非線性輪胎，則需要輸入相應的非線性剛度參數，本文預先編寫了輪胎數據卡片。起落架模型較為復雜，其中起落架的搖臂及連接結構采用較為簡單的圓柱體來建模，而緩沖器部分則采用類似活塞的結構來模擬，其中起落架的載荷通過非線性彈簧來模擬。活塞結構采用旋轉體來建模，其中，起落架-輪胎模型中一些關鍵位置需要定義不同的運動副，例如起落架支柱與套筒之間需要添加平移副，而輪胎與輪軸之間需要添加旋轉副等，需要特別注意的是活塞結構的接觸，實際的接觸參數需要通過試驗獲得，這里要根據分析需求來調整各個參數，以保證仿真數據的準確性。起落架模型如圖2、圖3所示。將上述各部件連接到柔性體機身上，得到全機剛柔耦合動力學模型，如圖4所示。

圖2 前起落架模型

圖3 主起落架模型

圖4 全機剛柔耦合動力學模型

2 全機落震動力學仿真分析

2.1 起落架落震性能檢查

為了檢驗所建立的起落架模型的正確性，進行了單個起落架的落震分析。表1給出了分析所施加的工況。

表1 起落架分析工況

1）前起落架動態響應分析

圖5、圖6為前起落架落震過程中的特征參數變化曲線。由圖5、圖6可知，前起落架輪心處位移最大值為0.474m，緩沖器壓縮量最大值為0.414m，地面載荷最大值為146kN。其中yc為起落架重心處位移，sh為起落架緩沖器壓縮量，py為地面載荷。

圖5 前起落架py、sh和yc時域曲線

圖6 前起落架功量圖

2）主起落架動態響應分析

圖7、圖8為主起落架落震過程中的特征參數變化曲線。由圖7、圖8可知，主起落架輪心處位移最大值為0.564m，緩沖器壓縮量最大值為0.176m，地面載荷最大值為266kN。

圖7 主起落架py、sh和yc時域曲線

圖8 主起落架功量圖

2.2 全機落震動力學仿真分析

將測試好的起落架安裝在柔性機身上建立全機落震剛柔耦合模型。模型初始工況見表2。本文以工況1為例進行模擬。圖9所示為全機落震在整個分析過程中典型時刻的運動狀態。

圖9 典型時刻全機落震狀態

表2 全機落震分析工況

圖10和圖11為全機落震過程中前起落架的特征參數變化曲線；圖12和圖13為主起落架的特征參數變化曲線；圖14~圖16為落震過程中發動機重心處三個方向的過載。

圖10 全機落震前起落架py、sh和yc時域曲線

圖11 全機落震前起落架功量圖

圖13 全機落震主起落架功量圖

圖14 全機落震發動機重心處X方向過載

圖16 全機落震發動機重心處Z方向過載

圖15 全機落震發動機重心處Y方向過載

表3與表4對落震狀態下的前起落架與主起落架的主要參數進行了歸納與比較，表5給出了發動機重心處過載最大值的比較。從表中可以看出，三種工況下，前起落架的接地速度都較小，而且其緩沖器壓縮行程都小于停機壓縮量，所以其地面載荷也相對較小。工況3條件下的主起落架地面載荷較大，超過了給定的輪胎地面載荷范圍。由于落震分析時，飛機各個部分主要在Y方向運動，所以發動機重心處的過載也主要集中在Y方向，在工況3條件下達到了最大的12.63g。

表3 前起落架各個參數最大值比較

表4 主起落架各個參數最大值比較

表5 發動機重心處過載最大值比較

3 結論

本文介紹了全機落震的建模過程，測試了起落架與非線性輪胎的準確性，從而保證了全機落震仿真數據的準確性。通過全機落震仿真分析得到了起落架在全機落震過程中的特征參數變化曲線以及飛機落震過程中重心處的過載變化曲線，分析結果顯示，機體在整個運動過程中的運動狀態符合實際觀測經驗。