起落架收放系統(tǒng)動力學(xué)仿真

魏亮亮，范建博，何煜文

(中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司西飛設(shè)計院，陜西 西安 710089)

引言

為了減少飛行中的空氣阻力，大型飛機一般設(shè)置有起落架收放系統(tǒng)，其功能是保證飛機起飛后起落架可靠收起，著陸前起落架可靠放下[1-2]。在起落架收放過程中，液壓控制系統(tǒng)驅(qū)動起落架機構(gòu)，使起落架按照一定的軌跡作空間運動。

目前，國內(nèi)外學(xué)者進行的起落架收放系統(tǒng)建模，多側(cè)重于起落架機構(gòu)或液壓控制系統(tǒng)，不能綜合考慮起落架負載的不斷變化和液壓控制系統(tǒng)的實時響應(yīng)，導(dǎo)致分析結(jié)果不準確。文獻[3-5]基于ADAMS仿真平臺建立了起落架收放的動力學(xué)模型，分析了起落架收放過程的力學(xué)特征，但由于液壓等控制系統(tǒng)壓力過于簡化，導(dǎo)致輸出結(jié)果與實際相差較大；文獻[6-10]基于AMESim、Flowmaster等流體仿真軟件建立了起落架收放液壓控制系統(tǒng)模型，分析了液壓控制系統(tǒng)參數(shù)對起落架收放的影響，但是忽略了起落架收放過程中不斷變化的負載，其結(jié)果也不準確。文獻[2，11-15]將起落架負載與液壓控制系統(tǒng)綜合起來，建立了聯(lián)合仿真模型，但是其研究對象為單個起落架和部分液壓控制系統(tǒng)，缺少起落架之間的相互作用研究及完整的液壓系統(tǒng)的影響特性分析。為了對起落架收放系統(tǒng)進行準確的建模與仿真，以某型機為例，基于新一代3D CAE平臺Simcenter 3D中的動力學(xué)仿真模塊Motion和流體仿真軟件AMESim建立了整機狀態(tài)下，起落架機構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真虛擬樣機模型，對液壓控制系統(tǒng)的壓力流量特性、起落架收放機構(gòu)負載和各起落架間相互作用等方面展開深入研究。

1 起落架收放系統(tǒng)原理

1.1 起落架機構(gòu)運動原理

某型機起落架布局為前三點式，前起落架收起時，作動筒的活塞桿伸長，將緩沖支柱跟機輪一起逆時針轉(zhuǎn)動，此時可折斜支柱向內(nèi)折疊，如圖1所示；主起落架收起時，作動筒縮短，從而轉(zhuǎn)動吊掛框架；當轉(zhuǎn)動框架時，斜支柱使緩沖支柱轉(zhuǎn)動并將其壓到收起位置上，同時吊掛框架經(jīng)拉桿和穩(wěn)定緩沖器轉(zhuǎn)動(翻轉(zhuǎn))機輪組，如圖2所示。前、主起落架放下與收起過程相反。

圖1 前起落架收放運動示意圖

圖2 主起落架收放運動示意圖

1.2 液壓控制系統(tǒng)工作原理

起落架收放液壓控制系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)由2個機載泵供壓，設(shè)有手動換向閥，控制起落架收放油路。在收、放起落架時，手動控制換向閥到收起、放下位置，壓力油進入收放作動筒相應(yīng)的腔內(nèi)，驅(qū)動作動筒位移，使起落架完成收、放動作，到位后上位鎖、下位鎖將起落架鎖在收起、放下位置(本次研究目標主要是起落架收放過程，將上位鎖、下位鎖忽略)，手動控制換向閥到中位，完成起落架收、放。

圖3 液壓控制系統(tǒng)原理

在放起落架的回油路上設(shè)有節(jié)流閥，用于減緩起落架放下速度，防止起落架放下速度過大對機構(gòu)造成沖擊損傷。

1.3 起落架收放系統(tǒng)動力學(xué)方程

起落架機構(gòu)是包含眾多運動構(gòu)件的三維收放機構(gòu)，利用Lagrange法建立多體動力學(xué)方程[16]進行起落架機構(gòu)建模，選取起落架收放角度作為廣義坐標，應(yīng)用拉格朗日第二類方程建立機構(gòu)動力學(xué)方程：

其中，

(1)

式中，T—— 系統(tǒng)動能

U—— 系統(tǒng)勢能

θ—— 起落架收放角度

M—— 廣義力矩

TP—— 系統(tǒng)平動動能

TZ—— 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動動能

mk—— 構(gòu)件質(zhì)量

vxk,vyk,vzk—— 構(gòu)件的速度矢量

ωxk,ωyk,ωzk—— 第k個構(gòu)件繞自身主慣性軸的角度矢量

Jxx_k,Jyy_k,Jzz_k—— 構(gòu)件的主轉(zhuǎn)動慣量

x0k—— 第k個構(gòu)件在地面坐標系下的重心x坐標

Fy—— 液壓作動力

Ff—— 機構(gòu)摩擦力

d(θ) —— 收放作動筒的作用力臂

Mw—— 氣動阻力

1.4 液壓控制系統(tǒng)方程

如圖4所示，起落架收放作動筒負載的力平衡方程：

圖4 收放作動筒原理

F=p1A1-p2A2

(2)

收放作動筒的流量連續(xù)性方程：

(3)

(4)

式中，F(xiàn)—— 收放作動筒的負載

p1—— 無桿腔的壓力

p2—— 有桿腔的壓力

A1—— 無桿腔的面積

A2—— 有桿腔的面積

Q1—— 無桿腔的流量

Q2—— 有桿腔的流量

V1—— 無桿腔的體積

V2—— 有桿腔的體積

βe—— 液壓油的體積彈性模量

通過節(jié)流孔的流量為：

(5)

式中，Q3—— 節(jié)流孔處流量

S—— 孔口幾何面積

p3—— 上游壓力

p4—— 下游壓力

ρ—— 液壓油密度

C—— 流量系數(shù)

2 起落架收放系統(tǒng)建模

2.1 起落架收放機構(gòu)動力學(xué)模型

基于動力學(xué)仿真軟件Simcenter 3D Motion，以現(xiàn)有起落架數(shù)字樣機為基礎(chǔ)，簡化起落架機構(gòu)及鎖機構(gòu)，創(chuàng)建運動體，在各運動體間添加相應(yīng)的運動副，施加摩擦力、慣性力、接觸力和氣動載荷等，建立起落架收放機構(gòu)的動力學(xué)模型，如圖5所示。

圖5 起落架收放機構(gòu)動力學(xué)模型

在起落架收放機構(gòu)動力學(xué)模型中，將起落架收放作動筒活塞的位移和速度信號作為輸出變量，將收放作動筒的作動力作為輸入變量。在進行仿真運算時，Motion軟件將作動筒活塞的位移和速度輸出到液壓控制系統(tǒng)模型，液壓控制系統(tǒng)根據(jù)位移和速度參數(shù)計算作動筒內(nèi)的流量；同時收放機構(gòu)動力學(xué)模型接收液壓控制系統(tǒng)中作動筒的作動力作為輸入，驅(qū)動作動筒運動，以實現(xiàn)起落架收放機構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。

2.2 液壓控制系統(tǒng)模型

基于流體仿真軟件AMESim，簡化某型機液壓系統(tǒng)，創(chuàng)建換向閥、溢流閥、節(jié)流閥等各液壓輔件和液壓管路并添加參數(shù)，創(chuàng)建聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)交互模塊，建立起落架收放液壓控制系統(tǒng)仿真模型，如圖6所示。

圖6 液壓控制系統(tǒng)模型

3 起落架收放系統(tǒng)仿真

按表1設(shè)置仿真參數(shù)，0～1 s手動換向閥處于中位，液壓泵為蓄壓器充壓；1～51 s，控制手動換向閥撥至收起位，收放作動筒收起腔供壓，起落架收起；51～100 s控制手動換向閥撥至放下位，收放作動筒放下腔供壓，起落架放下。

表1 仿真主要參數(shù)

3.1 仿真模型驗證

某型機進行了飛行載荷譜測量試驗，對起落架的作動筒負載進行了測量，將負載仿真結(jié)果與某型飛機實測數(shù)據(jù)進行對比，如圖7、圖8所示，兩者數(shù)值大小和變化趨勢基本一致。

圖7 右主起落架作動筒負載仿真值

圖8 飛行過程右主起落架作動筒負載試驗值

3.2 作動筒負載

作動筒負載曲線如圖9所示，收放主起落架所需最大驅(qū)動力遠大于前起落架；2個主起落架負載存在微小差異，這是2個起落架不完全對稱及機構(gòu)摩擦力不同造成的。起落架放下時，作動筒負載存在反向的過程，這是起落架放下回油管路設(shè)置了節(jié)流閥，回油壓力過高造成的。另外，負載方向變化時存在振蕩現(xiàn)象。

圖9 作動筒負載曲線

3.3 壓力流量特性

起落架收放系統(tǒng)壓力流量曲線如圖10所示，在起落架收起時，系統(tǒng)壓力先降低，在前起落架收起后，開始收主起落架，系統(tǒng)負載變大，系統(tǒng)壓力升高，在主起落架收起到位時，系統(tǒng)壓力繼續(xù)升高到最大壓力(泵出口壓力)。在放下起落架時，系統(tǒng)壓力先降低，但此時系統(tǒng)壓力波動較大，隨后主起落架放下過程系統(tǒng)壓力升高，隨后前起落架放下，系統(tǒng)壓力繼續(xù)升高，前起落架放下到位后，系統(tǒng)壓力升高至最大壓力(泵出口壓力)。

圖10 壓力流量曲線

從圖10可以看出，泵出口壓力與系統(tǒng)壓力在起落架收放過程中相差約3 MPa，在起落架收放到位后一致，這是由于泵出口距離系統(tǒng)壓力測量傳感器較遠，系統(tǒng)壓降造成。在前起落架收起時，系統(tǒng)達到了最大流量56 L/min，放下時由于起落架放下回油管路節(jié)流閥的存在，并未達到最大流量。

3.4 起落架互相影響分析

作動筒位移曲線如圖11所示，在整個起落架收起過程中，由于前起落架重量較小，先收起，隨后左、右主起落架收起。在左、右主起落架收起過程中，存在左主起落架“等待”右主起落架的現(xiàn)象，這是起落架收起過程中負載變化與流量分配造成的，與某型機實際收起現(xiàn)象相符；在整個起落架放下過程中，左、右主起落架先放下，隨后前起落架放下，這是系統(tǒng)背壓較大造成的；在左、右主起落架放下過程中，存在右主起落架較長時間“等待”左主起落架的現(xiàn)象，這是起落架放下過程中負載變化與流量分配造成的，與某型機實際收起現(xiàn)象相符。

圖11 作動筒位移曲線

4 結(jié)論

(1) 經(jīng)過試驗驗證，本仿真方法及結(jié)果可作為收放系統(tǒng)設(shè)計及深入研究的依據(jù)；

(2) 起落架放下初始階段，作動筒負載與液壓驅(qū)動力方向不一致，負載方向變化至與液壓驅(qū)動力方向一致時會出現(xiàn)小幅振蕩；

(3) 系統(tǒng)壓力與作動筒機構(gòu)變化趨勢相同，系統(tǒng)流量與機構(gòu)負載變化趨勢相反；

(4) 為避免起落架收放過程中相互影響，重量較小的前起落架一般應(yīng)先于主起落架收起，晚于主起落架放下。