某大型水陸兩棲飛機主起落架緩沖性能聯合仿真分析

邊寶龍

摘要：本文以某大型水陸兩棲飛機（以下簡稱某型飛機）主起落架為例，介紹了一種聯合仿真研究起落架緩沖性能的方法。結合實際情況，本文首先利用Virtual.Lab?Motion建立了多體動力學分析模型，然后根據緩沖器參數建立Imagine.Lab?AMESim緩沖器液壓模型，最后通過兩個軟件的聯合，仿真計算了某型飛機主起落架的緩沖性能。通過對緩沖器參數的調整，優化了緩沖器設計，為起落架的試驗奠定了理論基礎。本文提供了一個研究起落架緩沖性能的新方法，與試驗結果對比表明，該方法是有效的。

關鍵詞：起落架;聯合仿真;緩沖器;水陸兩棲飛機

引言

在以往的起落架緩沖性能仿真研究中，一般是在動力學軟件中建立起落架的剛體模型，然后對于緩沖器的處理，采用直接輸入數學公式的方法。這樣外表看起來是仿真模型，其實只是個仿真的殼子，而沒有對起落架緩沖性能的核心—緩沖器進行仿真。本文以某型水陸飛機主起為分析對象，用軟件AMESim建立緩沖器液壓模型，然后用其代替Motion動力學模型中的緩沖器，然后將二者通過實時數據交換接口連接起來，作為完整的起落架模型進行落震仿真。Imagine.Lab?AMESim提供了一個完整的一維仿真平臺，可對多領域智能系統進行建模和分析。而Virtual.Lab?Motion是專業的多體動力學仿真軟件，通過二者的聯合可以發揮其各自的優勢，使起落架的落震模型更趨于精確。

1.起落架力學模型

在某型飛機主起落架模型中，整個系統的質量為起落架的相當質量md，其值按照CCAR-25的要求確定。為了較好的模擬起落架結構中各部分的運動特點，把該質量分為兩部分：下部質量m：包括作用在搖臂重心處的搖臂質量mp和集中在機輪輪軸上的機輪質量mk。M=md-m為上部質量。而緩沖器由AMESim模型代替。起落架力學模型如圖1所示。

此外，升重比L=1。

起落架力學方程的建立：

由得：

由得：

式中：

X為阻力;為摩擦系數;為輪胎所受到的地面載荷;為上部質量中心處的水平加速度;為下部質量中心的水平加速度;Y為升力;為上部質量重心的垂直加速度;為下部質量中心的垂直加速度;

2.仿真模型的建立

由于起落架自身零部件較多，如果按實際零部件分別添加運動縛及相關條件，并進行計算，將大大增加設計人員的工作量和計算機的計算時間，然而這樣做并不能明顯提升仿真結果的精度，反而可能隱藏很多設置錯誤。因此，在不改變起落架機構原理的情況下，需要將起落架實際結構進行簡化。

2.1?起落架落震Motion模型

簡化模型分為五大部分：機輪、搖臂、支柱（包含支柱轉軸）、斜撐桿、緩沖器套筒、緩沖器活塞桿。

1.把CATIA模型導入Motion，并形成body。

2.定義運動副和驅動。

3.然后定義路面和緩沖器參數，如需要還可以進行支柱的柔性化。這里定義的緩沖器參數只是用一個帶有阻尼的彈簧模擬的，因此并不準確，準確的緩沖器模型是用AMESim建立的，后面將詳述。建立的模型如圖2所示。

4.設置初始條件，包括落振重量、落震運動縛、自由落震高度和輪胎轉速。

圖2?某型主起落架落震Motion模型

圖3??主起落架輪胎壓縮曲線

落震時在起轉階段，輪胎與地面間的摩擦系數設置為0.55，輪胎用一個彈簧阻尼器模擬。輪胎的壓縮曲線如圖3，可以把動壓曲線直接輸入。彈簧阻尼可以通過試驗得到，在沒有成品件之前也可通過經驗公式估算。以下給出一個估算的方法以供研究者討論。根據本次試驗的經驗，本文認為這種方法具有工程意義。

對于單自由度質量塊的固有頻率一般有：

其中：z為阻尼比;R為阻尼系數;K為彈簧剛度;M為質量塊質量。對于一般的液壓機械系統，阻尼比通常在5%～10%，因此如果知道質量和剛度，可以根據阻尼比的范圍估計出一個阻尼系數。

2.2?緩沖器AMESim模型的建立

基于AMESim液壓元件設計庫的基本單元構造緩沖器結構，結合機械庫元件建立緩沖器機械液壓模型。某型緩沖器為變油孔油氣式，其模型如圖4。

在建立模型的過程中，正確分析建立力的傳遞路線是至關重要的。模型中的參數比較多，有的參數對仿真結果比較敏感，對于模型中的所有數據，本文都進行了精細的研究，使其盡可能的符合真實情況。

在此模型中，緩沖器套筒與活塞桿之間的摩擦力與緩沖器內空氣壓力成正比，此時有：

Pm=kmpkq

式中，km為相當的摩擦系數，它與皮碗和壁筒之間的摩擦系數以及皮碗的厚度、活塞直徑有關，現代通常在0.05～0.2的范圍內。

與Motion的接口為模型最上邊擁有三個接口的元件，它從Motion中獲得力，向Motion輸入速度和位移。

圖4?某型主起緩沖器液壓模型

2.3?Motion與AMESim的聯合仿真

Motion與AMESim的聯合仿真有三種方式：Co-Simulation、Coupled、Function?Evaluation。經過研究，采用co-simulation的方式是合適的。交換數據的時間步長的大小對仿真有較大的影響，因此要選擇合適的時間步長。

3.計算結果

根據結構參數，設置緩沖器主要的結構參數，氣體初始體積為11.3L，氣體初始壓力為2.6MPa，活塞與套筒之間的摩擦力設置為活塞桿受力的0.06倍。落震試驗參數如表2所示。

試驗是在中航工業強度所進行，投放重量12962kg，提升高度475mm。該狀態共做了三次，計算結果與試驗結果的緩沖器功量圖對比如圖5，垂向載荷時間歷程對比如圖6。

4.結論

①從緩沖器功量圖和載荷時間曲線對比可以看出，理論計算值是能夠反映起落架能量吸收規律，可以作為以后試驗的指導，也可以作為起落架改型的計算依據。

②這種聯合仿真的方法，可以擴展到更為復雜的領域，比如：起落架收放、全機降落滑跑轉彎剎車、起落架甚至全機的柔性化、力液電的結合等等。

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（作者單位：中航通用飛機有限責任公司）