多輪起落架的數字化建模及其動態性能仿真

楊尚新

【摘 要】在笛卡爾坐標系中建立了飛機起落架著陸過程的等效數學模型；基于ADAMS/Aircraft模塊建立了多輪式起落架的著陸動態性能分析模型并完成全機數字樣機的裝配。對仿真結果進行研究分析，得出結論：多輪式起落架能夠有效地分散地面載荷，大大地減小起落架單個機輪承受的壓力，增大飛機的漂浮性，提高飛機起飛著陸的安全性，并在一定程度上延長起落架及跑道的使用壽命。該研究內容及方法為今后的大飛機起落架設計提供有益的參考。

【關鍵詞】多輪起落架；數字建模；動態響應

【Abstract】It established an equivalent mathematical model of Landing gear in Descartes Coordinate System .The digital prototypes of the Landing gear and full-aircraft with multi-wheels were established based on MSC ADAMS/Aircraft software. Via research and analysis of the simulation results， it draws conclusions that Landing gear with multi-wheels can scatter ground load and decrease burden on single wheel efficiently. As a result， the floatation and security of aircraft will be improved greatly. Also the life of Landing gear and the runway will be prolonged. The beneficial references are provided for the design of large aircraft in the future.

【Key words】Landing gear with multi-wheels； Digital modeling； Dynamic response

0 引言

隨著航空工業的發展，重型飛機起落架的主起落架，面臨著兩個必須解決的問題，一是機場跑道的強度滿足不了重型飛機的著陸要求：由于飛機重量的增加，機輪載荷相應成倍地增加，導致跑道道面應力很高，嚴重情況下會使道面開裂、變粗糙和形成波形，加快結構疲勞和輪胎磨損，導致昂貴的起落架和跑道維修費用；二是機輪直徑的增大，給起落架的收藏帶來了很大的困難[1]。而采用多輪式起落架能很好地解決這些問題。本文在ADAMS/Aircraft環境下建立四輪車式及六輪（三對雙輪串列）[2]式起落架模型并裝配全機的虛擬樣機，對多輪系飛機起落架進行著陸動態性能仿真，通過對二者的仿真結果對比分析，得出在一定的重量范圍內，六輪式較傳統的四輪式起落架的優勢所在，定量地說明了多輪式起落架在解決上述問題方面的效果。

1 飛機著陸等效模型的建立

1.1 坐標系的選取

飛行動力學的坐標系通常是右手笛卡爾坐標系，本文采用國際標準化組織（ISO）規定的“前X右Y下Z”體系（如圖1所示）。即沿飛機縱軸航向的方向為X軸的正方向，垂直于X軸沿翼展指向右翼方向為Y軸的正方向，豎直向下為Z軸的正方向。在此坐標系的基礎上建立起落架的動力學模型。

1.2 起落架簡化模型

為了使建立的模型便于計算，同時又能較準確地反映真實起落架的受力情況，本文亦采用二質量理論[3]建立如圖2所示的等效模型。圖中根據起落架結構中各部分的運動特點，把系統劃分為：彈簧支承質量（空氣彈簧所支承的質量，包括機身、機翼、緩沖器外筒等，即ma）和非彈簧支承質量（包括緩沖器活塞桿、剎車裝置、機輪及車架等，即mb）。

如圖2中模型所示，支柱力通常可表示為：

F1=Fa+Fh+Ff

其中，Fa為空氣彈簧力，Fh為油液阻尼力，Ff為摩擦力。另外，緩沖器正反行程摩擦力可以按照緩沖器總軸向力的5%來計算[4]。

在氣體等溫壓縮的理想條件下，圖中支柱和輪胎模型可簡化為一個質量-彈簧-阻尼系統來描述[5-6]，所受的力分別為

ADAMS/Aircraft模塊是ADAMS軟件[9]的一個擴展模塊，是在各種測試條件下建立起落架和全機模型的一個專用平臺，提供了優越的起落架建模環境：標準模板和模板生成器。在這個平臺上可以建立起落架和全機的數字虛擬樣機，精確模擬物理樣機進行實驗分析。

2.1 虛擬樣機模板的建立

ADAMS/Aircraft模塊中的樣機模型都是以模板為基礎的，然后通過調用模板來生成子系統，最后由子系統來裝配生成全機的數字化模型。所以各子系統模板的建立是最為關鍵、重要的一步。其建立方法主要有兩種：

（1）直接打開軟件自帶的標準模板，通過修改其中各個部分的參數來生成符合實驗要求的新模板。

（2）利用模板生成器從定義最基本的硬點（hardpoints）開始逐步生成最終的樣機模板。

利用模板生成器建立起落架模板的基本步驟（圖3）如下：

（1）進入模板生成器，定義環境變量，創建硬點（hardpoints）。

（2）根據需要利用點或坐標創建結構框架（construction frame），construction frame實質上是地面上的標記點，帶有方向。可用于部件的定位，特別是在最后建立輸入、輸出通信器的時候必不可少。

（3）創建各個組成部件。這個過程包括創建部件（part）及其幾何外形（geometry）并定義緩沖系統的屬性等。注意，由于ADAMS/Aircraft開始創建的部件不包含幾何外形，所以二者要分開來建立。

（4）給各個部件添加連接約束。

（5）創建用來在模板之間互相傳遞信息的輸入/輸出通信器（communicator），對各模板通信器進行測試，確定通信器正確無誤后即完成模板的建立。

以上為起落架模板建立的一般步驟，輪胎和機身模板的建立相對簡單一些，定義好若干點、結構框架及通信器等之后，直接調入屬性文件即可生成。

2.2 模型子系統的建立

樣機的各部件模板建立完成之后，打開ADAMS/Aircraft的標準界面窗口，可通過調入上面建立的模板直接生成各子系統。本文建立了普通雙輪前起落架子系統，以及四輪車式和六輪（三對雙輪串列）式兩種主起落架子系統（如圖4所示）。

由于機身的樣機形狀不影響仿真結果，所以本文直接調用了模板機身，定義其質量、慣矩、重心位置等參數，然后通過修改輪胎文件的參數分別創建了機身子系統及前、主起輪胎子系統。

2.3 全機數字樣機模型的建立

將上面建立好的各子系統正確裝配起來即完成多輪飛機的全機數字模型的建立。本文最后裝配完成的全機數字樣機模型如圖5所示。

3 全機著陸仿真與分析

在ADAMS/Aircraft標準界面環境下裝配好全機著陸模型后按表1所列參數進行仿真分析。

假設飛機兩點對稱著陸，仿真結果如圖6～圖10所示。

仿真結果分析：

（1）在著陸碰撞后，六輪式主起飛機的水平航向速度明顯比四輪式主起飛機的減小的快，能在一定程度上縮短著陸滑跑距離。

（2）兩種主起落架緩沖系統吸收的著陸功量相當，但六輪式主起飛機單個機輪對地面的壓力要比四輪式小30%左右，極大地降低了機輪對跑道單位面積的壓力，從而減小起落架及跑道的的維修費用，延長了起落架及跑道的使用壽命。同時提高了飛機的漂浮性能，增強了飛機起飛著陸的安全性。

（3）起落架緩沖器功量圖比較飽滿，說明起落架在第一次緩沖行程中吸收了絕大部分能量，另外飛機在著陸碰撞后重心高度逐漸趨于平穩，地面對機輪作用力的變化亦與輪胎壓縮情況一致。以上情況均與實際的物理樣機實驗結果變化趨勢吻合，所以可證明所建立的模型是可靠的。

4 結論

（1）與增加支柱相比，增加機輪后的六輪主起落架系統，既能有效地分散路面載荷、減小單個機輪的受力，又能使飛機有不超過三個主起落架支柱，大大地降低了起落架系統及操縱機構的復雜性。

（2）ADAMS/Aircraft模塊能夠快速準確地建立起落架系統模型及全機模型，并且能夠實時進行動態性能仿真，可靠度高，較之周期長、費用高的物理樣機實驗有無可替代的優勢。隨著計算機技術的不斷發展，現代CAD/CAE相結合的設計、實驗一體化技術必將成為今后工業設計的主流設計手段。

【參考文獻】

[1]航空航天工業部科學技術委員會.飛機起落架強度設計指南[M].成都：四川科學技術出版社， 1989：672-683.

[2]諾曼·斯·柯里.飛機起落架設計原理和實踐[M].北京：航空工業出版社，1990：1-7.

[3]呂祥生，聶宏.基于MCS算法的飛機起落架仿真研究[J].計算機仿真，2007，24（1）：55-57.

[4]王惟棟，任志勇.多支柱起落架停機載荷仿真分析[J].飛機工程，2006，3：19-21.

[5]袁東.飛機起落架仿真數學模型建立方法[J].飛行力學， 2002，20（4）：44-47.

[6]Howlett J.J. UH-60A Black Hawk Engineering Simulation Program[R].NASA-CR-166309，1981.

[7]Mechanical Dynamics Inc， Road Map to ADAMS/Aircraft Documentation[Z]. ADAMS12.0 help， 2002

[8]Mechanical Dynamics Inc， Road Map to ADAMS/View Documentation[Z]. ADAMS12.0 help， 2002

[9]李軍，邢俊文，覃文潔，等.ADAMS實例教程[M].北京：北京理工大學出版社，2002.

[責任編輯：曹明明]