基于AMESim的飛機(jī)主起落架緩沖器建模與緩沖性能分析

張國健 ， 梁 全，郭金中， 王祥瑞

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

飛機(jī)起落架主承飛機(jī)大部分重量，在飛機(jī)的起降、牽引與轉(zhuǎn)彎中有著不可替代的作用。據(jù)分析，飛機(jī)降落產(chǎn)生的載荷75%都是被飛機(jī)緩沖器吸收的[1]。

油-氣緩沖器效率高吸收能力好，被現(xiàn)代大多數(shù)飛機(jī)所采用，其分為單腔緩沖器與雙腔緩沖器，其中，雙腔緩沖器的應(yīng)用多一些。

目前，飛機(jī)內(nèi)部的雙腔緩沖器性能還需要再進(jìn)行優(yōu)化，由于沒有準(zhǔn)確的模型，因此需要針對這一點(diǎn)搭建一個(gè)雙腔緩沖器模型；緩沖器內(nèi)部關(guān)鍵參數(shù)眾多而且在分析時(shí)還會(huì)相互影響，這對性能的優(yōu)化產(chǎn)生了很大的影響，所以相關(guān)學(xué)者通過應(yīng)用模型來分析影響緩沖性能的主要參數(shù)。

近幾年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，許多動(dòng)力學(xué)仿真軟件應(yīng)運(yùn)而生，如ADAMS與AMESim就是具有代表性的兩個(gè)軟件。劉默涵[2]應(yīng)用AMESim軟件實(shí)現(xiàn)了對緩沖器液壓部分的控制；關(guān)理想等[3]利用AMESim軟件建立了精確的起落架數(shù)學(xué)模型，為緩沖分析提供了前期的準(zhǔn)備；張子豪[4]利用落震模型檢驗(yàn)出了摩擦力對模型的影響。本文應(yīng)用AMESim軟件進(jìn)行搭建雙腔緩沖器模型的嘗試[5]。

1 飛機(jī)主起落架雙腔緩沖器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)過多次分析研究，設(shè)計(jì)的飛機(jī)雙腔緩沖器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙腔緩沖器結(jié)構(gòu)原理圖

在緩沖器仿真過程中，需要準(zhǔn)確模擬飛機(jī)降落過程受到的負(fù)載。緩沖器工作時(shí)的載荷F主要包括空氣壓縮產(chǎn)生的空氣彈簧力Fa、油液擠壓產(chǎn)生的阻力Fh、緩沖支柱與緩沖器殼體間的摩擦力Ff。

1.1 空氣彈簧力Fa

緩沖器工作時(shí)，氣體壓縮可以是等溫的，此時(shí)多變指數(shù)γ取值為1；也可以是絕熱的，多變指數(shù)γ取值為1.4；還有一種最復(fù)雜的情況——多變的，此時(shí)的多變指數(shù)γ取值為1～1.4。油氣緩沖器壓縮時(shí)間極短，瞬間就會(huì)完成，其熱量來不及散出，故為絕熱過程。但是，油液被擠壓時(shí)，會(huì)在擠壓力的作用下噴濺進(jìn)入空氣腔，與空氣腔中的空氣混合，從而發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換，在這個(gè)過程中，氣體也會(huì)沿著通道進(jìn)入油液腔，由此得出氣體的壓縮為多變過程。所以多變指數(shù)γ在全程壓縮過程中取平均值1.2。通過熱力學(xué)公式推出單腔緩沖器空氣彈簧力Fa的計(jì)算公式為：

(1)

雙腔緩沖器的工作方式在只有低壓腔工作時(shí)與單腔緩沖器的工作方式相一致，當(dāng)活塞桿走過一定的行程之后，低壓腔的壓力達(dá)到高壓腔的最低壓力界限時(shí)，推動(dòng)浮動(dòng)活塞來啟動(dòng)[6]。這時(shí)，高壓腔與低壓腔的腔體體積合為一體，使得腔體體積在一定程度上加大，間接降低了載荷。根據(jù)雙腔緩沖器的工作原理，可以用分步計(jì)算法計(jì)算空氣彈簧力，在高壓腔工作的轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行分段，在不考慮油液可壓與體積膨脹的前提下，其空氣彈簧力Fa的計(jì)算公式如下：

(2)

1.2 油液阻尼力Fh

飛機(jī)阻尼的大小與油液通過油孔的速度相關(guān)。在緩沖器工作初期瞬時(shí)速度大，油孔需要大一些；等到停機(jī)位置附近，瞬時(shí)速度比較小，為避免過小的阻尼，需要小油孔。因此，需要通過變油孔調(diào)節(jié)過載，以提高起落架的使用壽命[7]，同時(shí)應(yīng)用側(cè)油孔來維持高、低壓腔的壓力平衡。應(yīng)用伯努利方程與局部壓力損失理論，聯(lián)合推導(dǎo)的油液阻尼力Fh的計(jì)算公式為：

(3)

1.3 摩擦力Ff

飛機(jī)緩沖器的摩擦力來源有兩個(gè)，其一為緩沖器內(nèi)部的摩擦力Ff1，也叫皮碗摩擦力，其計(jì)算公式為：

(4)

其中：μm1為皮碗摩擦因數(shù)。

其二為緩沖支柱彎曲引起的緩沖器結(jié)構(gòu)摩擦力Ff2，其計(jì)算公式為：

(5)

其中：μm2為緩沖器彎曲摩擦因數(shù)；Nu、Nl分別為緩沖器在產(chǎn)生撓度時(shí)上、下支撐點(diǎn)受到的正壓力。

綜上所述，緩沖器總摩擦力的計(jì)算公式可以整理為：

Ff=Ff1+Ff2.

(6)

(7)

2 雙腔緩沖器仿真模型搭建

2.1 靜態(tài)模型搭建

搭建緩沖器模型過程中，首先建立靜態(tài)模型，這有助于對建立的模型基本特性進(jìn)行研究，并通過載荷-行程的緩沖特性來判斷模型的正確性[8]。雙腔緩沖器靜態(tài)特性仿真原理如圖2所示。

圖2 雙腔緩沖器靜態(tài)特性仿真原理圖

施加斜坡力信號(hào)后，大、小活塞位移曲線分別如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，開始?jí)嚎s的第一階段，只有大活塞本身被壓縮，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后是壓縮第二階段，為大、小活塞一起壓縮，最后的階段大活塞基本不動(dòng)，說明大活塞的行程已達(dá)到位移極限。在小活塞位移的初始階段，雖然其位移是在后退，但是相對大活塞卻并沒有移動(dòng)，在曲線變化緩慢的階段才是小活塞真正開始被壓縮的過程。由此得出的雙腔緩沖器位移-負(fù)載曲線如圖5所示。

分析圖5發(fā)現(xiàn)，該緩沖器表現(xiàn)出了兩段壓縮的特性，從側(cè)面證明了該雙腔緩沖器模型的正確性。

圖3 大活塞位移曲線 圖4 小活塞位移曲線 圖5 雙作動(dòng)緩沖器位移-負(fù)載曲線

2.2 動(dòng)態(tài)模型搭建

經(jīng)計(jì)算后確定模型參數(shù)，詳細(xì)參數(shù)見表1，搭建的雙腔緩沖器模型如圖6所示。

圖6 雙腔緩沖器模型

表1 模型的主要參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 單、雙腔緩沖器仿真結(jié)果對比分析

在單、雙腔緩沖器參數(shù)相同且雙腔緩沖器高壓腔壓力是低壓腔壓力5倍的前提下與單腔緩沖器的壓縮量進(jìn)行比較，如圖7所示。

分析圖7可知，單腔緩沖器的壓縮量雖小，但是活塞多次回到最初位置，意味著這種情況下，飛機(jī)出現(xiàn)多次的彈跳，易導(dǎo)致飛機(jī)發(fā)生解體。

圖7 單、雙腔緩沖器壓縮量

單、雙腔緩沖器受到的垂向載荷對比如圖8所示。

由圖8可知，雙腔緩沖器的緩沖性能明顯優(yōu)越于單腔緩沖器，但是巔峰載荷卻2倍于單腔緩沖器，穩(wěn)定載荷4.8倍于單腔緩沖器。

圖8 單、雙腔緩沖器垂向載荷

單、雙腔緩沖器落震加速度如圖9所示。

由圖9可見，雙腔緩沖器落震加速度變化速率快于單腔緩沖器，表明雙腔緩沖器更快變穩(wěn)定。

圖9 單、雙腔緩沖器落震加速度

3.2 雙腔緩沖器仿真分析

初始液壓腔體積對緩沖性能的影響如圖10所示。

由圖10可知，體積增加后，緩沖力的波動(dòng)迅速變大，表明緩沖性能在快速下降。

圖10 初始液壓腔體積對緩沖性能的影響

低壓腔的壓力取9 MPa，高壓腔壓力分別為18 MPa、36 MPa、54 MPa時(shí)，得到不同高低壓腔壓力比對緩沖力的影響，如圖11所示。

圖11 高低壓腔不同壓力比對緩沖性能的影響

從圖11中可以看出：隨著高低壓腔壓力比的增加，緩沖性能越來越好；但是比例過高時(shí)，緩沖性能卻不升反降。

4 結(jié)論

(1) 由緩沖器模型的對比分析，證明了雙腔緩沖器的緩沖效果要優(yōu)于單腔緩沖器。

(2) 初始液壓腔的體積需適當(dāng)選取，并不是越大越好。

(3) 高低壓腔壓力比的選取需要控制在4以內(nèi)，再增加只會(huì)對材料徒增壓力，不會(huì)提升緩沖性能；模型的批處理功能，非常適合某一參數(shù)的分析。