基于MATLAB GUI的滑橇起落架著陸性能計(jì)算方法

陳吳杰

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

目前，對(duì)于滑橇起落架著陸性能的計(jì)算和分析，國(guó)內(nèi)外主要采用有限元分析方法。貝爾直升機(jī)公司的Cheng-Ho Tho、Chad E.Sparks等人采用LS-DYNA對(duì)矩形截面滑橇的著陸性能進(jìn)行了分析[1]；陶周亮等采用ANSYS和LS-DYNA，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)搭建了滑橇起落架落震分析系統(tǒng)[2]。除了有限元分析方法，黃生月、張紹儀等采用“位移-增量迭代法”計(jì)算滑橇起落架的著陸性能[3]；黃生月、彭宗梁等在前面工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行了帶減振器的滑橇式起落架耐墜毀研究[4]。除了著陸性能的計(jì)算方法之外，滑橇起落架著陸性能分析的另一難點(diǎn)就是多工況下大量數(shù)據(jù)的處理。如何減少用戶計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，提高滑橇起落架著陸性能的分析效率，就是本文研究的內(nèi)容。

基于上述問(wèn)題，本文在“位移-增量迭代法”的基礎(chǔ)上，編寫(xiě)了滑橇起落架著陸性能MATLAB分析程序，并設(shè)計(jì)了滑橇起落架著陸性能計(jì)算GUI界面。該界面為用戶提供了一個(gè)方便、高效的計(jì)算平臺(tái)，界面簡(jiǎn)約友好，用戶可以比較直觀地查看著陸性能數(shù)據(jù)以及相關(guān)的功量曲線圖(載荷-位移曲線)；并具備計(jì)算結(jié)果的批量導(dǎo)出功能，為滑橇起落架的著陸性能計(jì)算提供了新的方法手段，大大地提高了工作效率。

1 MATLAB GUI用戶界面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

圖形用戶界面GUI(Graphical User Interface)是使用圖形對(duì)象(例如按鈕、文本框、滾動(dòng)條和菜單等)創(chuàng)建的用戶界面。這些對(duì)象對(duì)計(jì)算機(jī)用戶而言通常都有明確的含義，例如移動(dòng)滾動(dòng)條將會(huì)改變數(shù)值，按下“OK”按鈕將完成并應(yīng)用用戶的設(shè)置，同時(shí)設(shè)置對(duì)話框消失。當(dāng)然，用戶必須保證這些不同對(duì)象間能夠協(xié)調(diào)地工作。MATLAB用一個(gè)包含多種不同風(fēng)格用戶控件對(duì)象的圖形窗口代表用戶界面。用戶必須對(duì)每一個(gè)對(duì)象進(jìn)行編程，使用戶在GUI中的行為能夠達(dá)到相應(yīng)的目的。

實(shí)現(xiàn)一個(gè)GUI的過(guò)程包括兩個(gè)基本任務(wù)：一是GUI的組件布局，另一個(gè)是GUI組件編程。另外，用戶還必須能夠保存并發(fā)布自己的GUI，使得用戶開(kāi)發(fā)的圖形界面能夠真正得到應(yīng)用[5]。

2 滑橇起落架著陸性能計(jì)算原理簡(jiǎn)介[6]

滑橇起落架的著陸性能分析是一個(gè)求解彈塑性大變形的幾何、物理非線性問(wèn)題。本文采用“位移-增量迭代法”計(jì)算滑橇起落架的著陸性能，滑橇的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 滑橇計(jì)算模型

圖1中，首先將滑橇弓形梁劃分為有限個(gè)梁?jiǎn)卧缓蟛粩嘣黾虞d荷，讓弓形梁通過(guò)變形吸收著陸能量，直至飛機(jī)的著陸速度為0。具體的計(jì)算流程如下：

① 給定直升機(jī)的初始下沉速度Vm0；

②將滑橇劃分為有限個(gè)梁?jiǎn)卧⒂涗浉鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)的初始坐標(biāo)信息；

③ 給定載荷增量ΔP，垂向載荷Py(i)=Py(i-1)+ΔP，側(cè)向載荷Pz(i)=f*Py(i)(f為滑橇與地面的摩擦系數(shù))；

④ 根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算在載荷Py(i)和Pz(i)作用下的滑橇變形，并更新各個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息(β為表征切面彈塑性程度的系數(shù))；

(1)

(2)

⑤ 計(jì)算第i次變形滑橇吸收的總功量Ayz，并根據(jù)公式(3)更新直升機(jī)的下沉速度；

(3)

⑥ 重復(fù)步驟③至⑤直至直升機(jī)的下沉速度Vm0等于或接近于零時(shí)計(jì)算結(jié)束。

3 滑橇起落架著陸性能計(jì)算界面在實(shí)際工程中的應(yīng)用

某型號(hào)直升機(jī)在實(shí)際飛行中需要對(duì)滑橇起落架進(jìn)行48種著陸工況的著陸性能分析。由于計(jì)算的工況較多，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量很大，運(yùn)用傳統(tǒng)的著陸性能計(jì)算方法，操作繁瑣，且計(jì)算效率偏低。因此有必要采用批處理計(jì)算方法進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的計(jì)算。

3.1 計(jì)算界面中各控件的設(shè)計(jì)及其功能

根據(jù)起落架著陸性能分析的需要，本界面需要實(shí)現(xiàn)的主要功能為：根據(jù)著陸工況和結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)，進(jìn)行相關(guān)著陸性能的計(jì)算和分析，得到各著陸工況下的著陸載荷和變形，依此計(jì)算出各工況下其他的著陸性能參數(shù)，如：重心處垂直載荷、垂直位移、起落架吸收功量、效率系數(shù)等，并且可以得到各工況下的載荷-位移曲線。為實(shí)現(xiàn)以上計(jì)算功能，在界面中設(shè)置相應(yīng)的控件。滑橇起落架著陸性能計(jì)算界面中主要控件的作用如表1所列。

表1 主要控件介紹

3.2 計(jì)算界面的實(shí)際操作

3.2.1 計(jì)算主界面

結(jié)合滑橇起落架實(shí)際的著陸性能分析要求，基于MATLAB GUI平臺(tái)設(shè)計(jì)的著陸性能計(jì)算主界面如圖2所示。該界面主要由輸入?yún)?shù)顯示區(qū)、命令選項(xiàng)區(qū)和計(jì)算結(jié)果區(qū)三個(gè)部分構(gòu)成。輸入?yún)?shù)顯示區(qū)顯示的是工況信息、材料信息和節(jié)點(diǎn)信息；命令選項(xiàng)區(qū)分為導(dǎo)入計(jì)算參數(shù)按鈕、批量計(jì)算按鈕和退出按鈕；計(jì)算結(jié)果區(qū)分為上方的性能參數(shù)顯示區(qū)和下方的繪圖區(qū)。

3.2.2 計(jì)算界面的操作

以某型號(hào)直升機(jī)滑橇著陸性能計(jì)算為例，進(jìn)行操作演示。

1)計(jì)算參數(shù)的導(dǎo)入。MATLAB GUI具有良好的數(shù)據(jù)接入端口，能夠很好地與各類(lèi)數(shù)據(jù)類(lèi)型文件建立連接。對(duì)于本著陸性能計(jì)算界面，首先按照計(jì)算參數(shù)的模板填寫(xiě)相關(guān)參數(shù)，然后只需點(diǎn)擊“導(dǎo)入計(jì)算參數(shù)”按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇需要打開(kāi)的項(xiàng)目路徑及文件，即可完成計(jì)算參數(shù)的導(dǎo)入。

2)材料參數(shù)的導(dǎo)入。同上所述，點(diǎn)擊“材料參數(shù)”面板上的“導(dǎo)入”按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇需要打開(kāi)的項(xiàng)目路徑及文件，即可完成材料參數(shù)的導(dǎo)入。

3)材料參數(shù)的導(dǎo)出。點(diǎn)擊“材料參數(shù)”面板上的“另存為”按鈕，在彈出的對(duì)話框中選擇需要保存的項(xiàng)目路徑及文件名稱(chēng)，即可完成材料參數(shù)的導(dǎo)出。

4)批量計(jì)算。完成步驟(1)和(2)后，即可點(diǎn)擊“批量計(jì)算”按鈕，待彈出“計(jì)算完成！”對(duì)話框后，計(jì)算完成。

圖2 著陸性能計(jì)算主界面

5)計(jì)算結(jié)果查詢。在“計(jì)算結(jié)果”面板中，在上方的下拉框中選擇某一工況，然后點(diǎn)擊“查看結(jié)果”按鈕，即可通過(guò)下面的文本框查看相關(guān)的計(jì)算結(jié)果。

6)載荷-位移曲線圖的繪制。在“計(jì)算結(jié)果”面板中，在上方的下拉框中選擇某一工況，然后點(diǎn)擊“plot”按鈕，即可通過(guò)下面的繪圖區(qū)查看對(duì)應(yīng)的載荷-位移曲線。如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 前梁功量圖

圖4 后梁功量圖

圖5 前、后梁功量圖

7)計(jì)算結(jié)果的批量導(dǎo)出。點(diǎn)擊“計(jì)算結(jié)果”面板上的“輸出結(jié)果”按鈕，然后在彈出的對(duì)話框中選擇需要保存的項(xiàng)目路徑及文件名稱(chēng)，待彈出“導(dǎo)出完成！”對(duì)話框后，即可完成計(jì)算結(jié)果的批量導(dǎo)出。

8)保存載荷-位移曲線圖。點(diǎn)擊“計(jì)算結(jié)果”面板上的“保存圖片”按鈕，然后在彈出的對(duì)話框中選擇需要保存的項(xiàng)目路徑及文件名，即可保存載荷-位移曲線圖。

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用可以看出，基于MATLAB GUI的滑橇起落架著陸性能計(jì)算界面可以很方便地查看各著陸工況和各節(jié)點(diǎn)信息。通過(guò)可視化界面以及高效的計(jì)算能力，大大地簡(jiǎn)化了對(duì)多工況的滑橇起落架著陸性能的計(jì)算過(guò)程，提高了工作效率。

4 GUI計(jì)算界面的優(yōu)勢(shì)

1)操作簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高。將滑橇起落架著陸性能計(jì)算界面化，簡(jiǎn)化了用戶的操作，批處理計(jì)算和結(jié)果批量導(dǎo)出功能大大提高了計(jì)算效率，并且減少了人為操作造成的計(jì)算錯(cuò)誤。

2)良好的數(shù)據(jù)接口。MATLAB GUI具有良好的數(shù)據(jù)接入端口，能夠很好地與各類(lèi)數(shù)據(jù)類(lèi)型文件建立連接，方便用戶對(duì)原始計(jì)算參數(shù)的處理。

3)計(jì)算結(jié)果顯示簡(jiǎn)潔、清楚。通過(guò)相應(yīng)的文本框和繪圖區(qū)，方便用戶直觀地查看計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié)論

多工況下的滑橇起落架著陸性能分析是一個(gè)非常復(fù)雜繁瑣的工作，如何擺脫繁瑣的計(jì)算數(shù)據(jù)整理和分析是當(dāng)前工程項(xiàng)目過(guò)程中所急需解決的問(wèn)題。本文基于MATLAB GUI設(shè)計(jì)的滑橇起落架著陸性能計(jì)算界面，充分地將MATLAB強(qiáng)大的工程計(jì)算、圖形處理及可視化界面設(shè)計(jì)能力應(yīng)用到實(shí)際工程中，為工程計(jì)算提供了一個(gè)方便、高效的集成環(huán)境和友好的用戶界面，為滑橇起落架著陸性能的自動(dòng)化分析提供了良好的操作平臺(tái)。