民機起落架機構破冰動力學仿真分析方法

強國彥 薛小鋒 馮蘊雯

摘 要：民機在遭遇降雪、降霜、凍雨等極端氣候條件時，運動機構有可能附著冰層，當積冰達到一定程度，便可能影響到機構的正常運動。為研究起落架機構在上述極端氣候條件下的環境適應能力，基于ADAMS建立民機起落架多體動力學模型，考慮重力、冰層黏滯力、摩擦力對機構運動的影響，仿真分析了不同溫度、不同冰型下的起落架機構的驅動力矩。研究發現，常溫無冰工況下，起落架收放動作受重力影響最大；當在環境溫度-25℃左右形成凍結冰時，起落架所需破冰驅動力矩最大；起落架發生結冰（凍結冰或撞擊冰），破除冰層所需驅動力矩數值的分散性很大；起落架嚴重積冰時，僅靠驅動無法實現破冰，需進行除冰作業。本文建立起落架多工況破冰動力學模型的建模流程具有很好的移植性，可推廣到其他機構的破冰動力學仿真。

關鍵詞：民機； 起落架； 冰； 動力學分析； 環境影響

中圖分類號：V226 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.08.006

基金項目： 航空科學基金（20200009053002）

結冰是航空的主要天氣災害之一，從地面等待起飛的飛機到巡航高度的飛機，結冰危險均存在[1]。隨著民機使用環境越發豐富，由極端環境引起的起落架故障也不斷增多[2]。因此，評估飛機起落架結冰工況下是否能正常使用就顯得尤為重要。

在飛機積冰預測方面，Politovich等[3] 將飛機結冰研究的數值模擬結果與飛行觀測結果比較，評價了飛機結冰環境的一般特征。Sitnikov等[4]基于TSU-NM3氣象模式分析了促進飛機在大氣邊界層結冰的氣象條件。Yi Xian等[5]基于深度神經網絡建立了飛機結冰冰型的預測模型。在飛機起落架故障分析方面，張惠等[6]指出高溫、高寒、濕熱、結冰等極端氣候條件下起落架極易出現運動卡滯或收放不同步的故障。朱晨辰等[7]針對高低溫、側風下的起落架動力學行為研究現狀進行了分析與總結。在飛機起落架動力學分析方面，胡銳等[8]就艦載機起落架動力學相關試驗進行了調研綜述。杜金柱等[9]對起落架突伸緩沖器進行了動力學建模與仿真，結合遺傳算法，求得了臨界質量。田佳杰等[10]指出起落架收放系統中運動構件多，系統由多個驅動力協調工作，不同階段驅動力在變化，因此對于起落架收放系統的研究主要應用動力學仿真的方法。印寅等[11]采用虛擬仿真及物理試驗相結合的方法對飛機起落架收放系統性能進行研究。魏亮亮等[12]采用 Simcenter 3D Motion建立了基于全機起落架機構的仿真模型。崔飛等[13]利用 CATIA和 LMS Virtual. Lab 對某支柱式起落架進行收放運動學和動力學以及落震仿真分析。劉照曦等[14]基于ADAMS進行主起落架的落震仿真，發現基于ADAMS建立仿真模型可有效描述真實起落架仿真過程。徐堯等[15]基于多柔體動力學理論，提出一種飛機起落架多柔體ADAMS建模和落震動力仿真方法。

綜上發現，目前針對民機結冰預測工作已有開展。針對起落架動力學仿真主要集中在機構收放功能、落振、液壓傳動等領域，而對極端氣候條件冰層如何影響起落架機構運動的分析工作開展較少。本文基于ADAMS平臺，參考結冰試驗數據，建立民機起落架機構破冰動力學仿真模型，分析了環境溫度、冰層厚度對起落架收放功能的影響。仿真結果可為極端氣候條件下飛機起落架使用提供參考，為起落架地面防冰/除冰提供依據。

1 起落架機構破冰建模基礎

1.1 起落架工作原理

起落架是供飛機起飛、著陸時在地面上滑跑、滑行和移動、停放用的，是飛機的主要部件之一，其工作性能的好壞以及可靠性直接影響飛機的使用和安全。

典型民用機起落架機構如圖1所示，主要由機輪、支柱、搖臂、拉桿、作動筒、起落架艙門、上位鎖等組成。當起落架下放時，上位鎖解鎖，起落架可在自身重力作用下繞轉軸向下旋轉；同時，重力矩通過連桿機構作用于艙門，使艙門先打開后關閉；作動筒在機構運動過程中做負功，以防止起落架下放過快，機構摩擦矩則在運動過程中做負功，即重力矩>驅動力矩+摩擦阻力矩。當起落架收起時，作動筒破除起落架下位鎖的平衡力，使起落架繞旋轉軸向上旋轉；同時，驅動力矩通過連桿機構作用于艙門，使艙門先打開后關閉；起落架自重在機構運動過程中做負功，機構摩擦矩則在運動過程中做負功，即驅動力矩> 重力矩+摩擦阻力矩。

1.2 起落架結冰工況

結冰通常有明冰、混合冰、毛冰等之分，冰型又分為羊角冰、楔形冰、無定形冰等[16]。針對飛機積冰特點，可分為空中撞擊冰和地面凍結冰兩大類。

關于飛機積冰，一方面是民機在降落階段遭遇降雪、降霜、凍雨等氣象，機構易附著冰霜。另一方面，由于缺乏先進的地面結冰探測手段，寒冷天氣，飛機帶霜、雪或冰起飛的情況仍時有發生，從而對飛機飛行安全構成了很大的威脅[17]。值得注意的是，降落階段，起落架表面附著的是撞擊冰；地面停泊階段，起落架附著的是凍結冰，兩者強度有所差異。

起落架機構結冰工況分析邏輯：（1）影響起落架結冰的條件主要包括環境溫度、凍結時長以及冰層類型；（2）凍結時長影響運動副分離面上冰層的面積與冰層剪切黏附強度，冰型影響冰層剪切黏附強度，環境溫度則影響冰層剪切黏附強度和運動副摩擦因數。

基于已有試驗經驗可知：環境溫度對機構附著的冰層強度有顯著影響；結冰的凍結時長對冰層剪切黏附強度的影響不顯著[18]。因此，起落架結冰工況控制變量簡化為冰型（降落撞擊冰和地面停泊凍結冰）、環境溫度，以及破冰面積三個。向下一級，不同冰型不同溫度下的冰層剪切黏附強度以及不同溫度下的機構運動副摩擦因數均可參考試驗數據來確定，破冰面積則基于機構幾何特征與一般經驗進行確定。

2 起落架機構多體動力學建模

2.1 機構破冰動力學建模流程

機構破冰動力學建模流程為：（1）導入起落架CATIA模型，建立模型材料庫，指派零部件材料屬性。對搖桿組件、調節管等機構件添加7075材料，密度為2.796g/cm3，對拉桿組件、軸組件等機構件添加不銹鋼17-4PH材料，密度為7.86g/cm3。（2）添加起落架模型位移邊界關系。根據模型真實運動副結構，依次添加零部件之間對應的轉動副、移動副、圓柱副、胡克副和球副等連接關系，并對各個運動副添加庫侖摩擦屬性；對無相對運動的零部件之間或零部件與大地之間添加固定副約束。（3）添加起落架模型載荷邊界條件。計算擬定工況下的結冰區域冰層黏滯阻力，以阻力矩的形式添加至就近運動副上。（4）添加起落架模型驅動。根據真實起落架收放運動學特征編寫STEP驅動函數，添加至主作動筒驅動的旋轉副處。（5）添加機構運動傳感器。傳感器包括起落架支柱的角速度與角位移等。（6）設置模型求解器，進行動力學計算。即進行模型驗證，設置求解器為動力學模式，添加分析步數和時長，并提交求解。（7）起落架仿真數據處理。即進入ADAMS軟件后處理模塊，輸出起落架模型驅動力矩、重力矩、阻力矩，基于數據分析結冰工況下的起落架機構破冰運動規律。

2.2 重力因素考慮

起落架重量（質量）約占全機的3.7%～5%，占飛機結構重量的10%～15%。起落架機構質量主要分布在支柱上，隨起落架收放運動，重力參與做功。在ADAMS平臺，可對模型添加全局重力，一般取模型重力加速度g=9.8m/s2。

2.3 結冰載荷因數考慮

關于結冰載荷計算，需確定起落架機構各個積冰面上的破冰面積，然后參考表1地面凍結冰試驗數據[18]和空中撞擊冰試驗數據[19]，標定結冰區域的冰層黏滯力載荷。

通過機構力平衡關系，可將冰層黏滯力等效至結冰區域的就近運動副，以簡化建模操作。計算起落架不同工況下破冰黏滯阻力見表2、表3。

值得注意的是，飛機降落階段，起落架艙門一周是可能結冰的區域，艙內機構結冰概率很小；飛機地面停泊階段，起落架艙門一周以及起落架各個運動副均有可能被凍結冰覆蓋，因此破冰面積可能更大。

美國聯邦航空條例（FAR）將飛機積冰等級分為4類，分別為微量積冰、輕度積冰、重度積冰和嚴重積冰，表2中結冰面積是結合各個運動副幾何參數并假設各運動副分離面均布30mm冰層（嚴重積冰）來確定；冰層等效阻力矩則是結合結冰面積、冰層剪切黏附強度，等效到運動副旋轉中心上。

2.4 機構運動摩擦因素考慮

起落架機構在收放運動過程中，涉及大量運動副的摩擦。根據試驗數據[20]，典型自潤滑軸承在低溫下的摩擦因數，如圖2所示。通過插值即可得起落架機構在不同溫度工況下的軸承摩擦因數，見表4。

3 起落架機構破冰仿真結果分析

3.1 常溫無冰工況

已知起落架運動學特征如圖3、圖4所示。為起落架模型編寫STEP驅動函數，實現真實運動特征，并輸出起落架力矩曲線，如圖5所示。由圖5起落架驅動力矩、重力矩及阻力矩關系發現： （1）常溫無冰工況下，起落架收放運動受重力的影響最大；（2）起落架放下過程，摩擦矩峰值僅為重力矩峰值的3.65%，起落架收起過程，摩擦矩峰值則僅為重力矩峰值的4.11%。

3.2 低溫結冰工況數據

將表2與表3中各個工況下的結冰載荷以及表4中各個工況下的運動副摩擦因數引入起落架多體動力學模型，進而可求得起落架在不同結冰工況下收放運動的驅動力矩，如圖6為收起過程，圖7則為放下過程。

對圖6和圖7中不同結冰工況下的驅動力矩參數進行整理與繪制，得起落架破冰運動驅動力矩峰值，見表5。

表5中，常溫20℃為無冰工況，撞擊冰參考起落架下放階段的峰值驅動力矩，凍結冰則參考起落架收起階段的峰值驅動力矩。由表5起落架在不同工況下的破冰驅動力矩參數可發現：（1）若飛機在降落階段遭遇極端天氣（-16～-8℃），并形成嚴重積冰等級的撞擊冰，則起落架驅動載荷會上升為常溫無冰工況下的716～1882倍；若飛機在停泊階段遭遇極端天氣（-15～-25℃），并形成6mm左右等效厚度的凍結冰，則飛機起飛后，起落架收起動作的驅動載荷會上升為常溫無冰工況下的891～2573倍。（2）當在-25℃左右形成凍結冰時，起落架所需破冰驅動力矩最大。

值得注意的是：驅動載荷增長倍率為純剛體模型名義載荷值，若考慮實際結構強度本身，載荷無法達到該值。以主結冰區域起落架艙門為例，如圖8所示。

在-25℃嚴重積凍結冰，全剛體動力學模型破冰時，拉桿第三強度當量載荷為1591.46MPa；在-16℃嚴重積撞擊冰，則拉桿當量載荷為1366MPa，均遠大于機構本身強度。即起落架機構嚴重積冰（≥30mm）時，僅靠驅動無法完成破冰，需人工除冰。

目前存在的缺點有：未考慮機械振動對起落架破冰的積極作用，也未考慮氣動力對起落架收起或放下動作中的消極阻礙作用。

4 結論

通過研究，可以得出以下結論：

（1）基于ADAMS平臺，參考大量試驗數據，本文建立了起落架多工況破冰動力學仿真模型，該建模流程具有很好的移植性，可推廣到其他機構的破冰動力學仿真。

（2）常溫無冰工況下，起落架收放運動受重力的影響最大；起落架放下過程，摩擦矩峰值僅為重力矩峰值的3.65%，起落架收起過程，摩擦矩峰值則僅為重力矩峰值的4.11%。

（3）起落架遭遇極端天氣，發生結冰（凍結冰或撞擊冰），破除冰層所需驅動力矩數值的分散性很大；當在環境溫度-25℃左右形成凍結冰時，起落架所需破冰驅動力矩最大。

（4）起落架嚴重積冰時，僅靠驅動無法實現破冰，需進行人工除冰。

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Dynamic Simulation Analysis Method for Icebreaking of landing Gear Mechanism of Civil Aircraft

Qiang Guoyan， Xue Xiaofeng， Feng Yunwen

Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China

Abstract： When civil aircraft encounter extreme weather conditions such as snow， frost， freezing rain， etc.， the locomotion mechanism may be attached to ice. When the ice accumulation reaches a certain extent， the normal movement of the mechanism may be affected. In order to study the adaptability of the landing gear mechanism in the above extreme climate conditions， a multi-body dynamics model of civil aircraft landing gear was established based on ADAMS platform. Considering the effects of gravity， ice viscosity and friction force on the movement of the landing gear， the driving torque of the landing gear mechanism under different temperatures and different ice types was simulated and analyzed. The results show that gravity has the greatest effect on landing gear retraction under normal temperature and no ice condition. When frozen ice is formed at ambient temperature of -25℃， the landing gear requires the maximum ice-breaking driving torque. When the landing gear freezes （freezing ice or impinging ice）， the driving torque values required to break the ice are highly distributed. In the case of serious ice accumulation in the landing gear， ice breaking cannot be achieved by driving alone， and ice removal must be performed. In this paper， the modeling process of multi-condition icebreaking dynamics model of landing gear has good portability and can be extended to the icebreaking dynamics simulation of other mechanisms.

Key Words： civil aircraft； landing gear； ice； dynamic analysis； environmental impact