舰载机起落架多体动力学刚柔耦合仿真分析

何磊++滕英元

【摘 要】本文提出一种动力学与有限元相结合的刚柔耦合仿真建模方法，研究舰载机着舰落震过程中的受力规律，利用CATIA、ANSYS、ADAMS在不同工况下对舰载机机体和起落架进行仿真分析，仿真模型更真实地反映了舰载机着舰落震过程的动力学问题及影响因素，进一步优化了缓冲器摩擦力与活塞杆和外筒间的相对刚度，以及在偏心、偏航等恶劣工况下，舰载机着舰落震过程的仿真模拟，仿真结果分析验证了模型的有效性和優越性，提高了计算精度，可为舰载机起落架结构设计提供可靠参考。

【关键词】起落架 刚柔耦合仿真 舰载机 落震

【Abstract】 This paper proposes a modeling method of rigid flexible coupling dynamics and finite element method combined with the research of aircraft landing drop in the process of the law， in the different working conditions of the aircraft airframe and landing gear is analyzed and simulated by using CATIA， ANSYS， ADAMS， simulation model to reflect the aircraft dynamics factors the problem of ship drop process and influence， further optimization of the buffer friction between the piston rod and the outer tube of the relative stiffness， as well as the eccentricity， yaw and other harsh conditions， the aircraft with the simulation of ship drop process， simulation results validity and superiority of the model is verified， the calculation precision is improved and can provide a reliable reference for the design of aircraft landing gear structure.

【Keywords】 landing gear； dynamic simulation； joint simulation； carrier based aircraft； drop test； finite element

1 引言

起落架是飞机起飞和着陆功能的主要装置，更是舰载机安全飞行和作战的关键部件，起落架结构设计在舰载机整机设计过程中有着重要的地位，是起落架设计和分析中的基础和关键技术[1-2]，而固定翼舰载机的整机落震又是飞机设计和研究的关键技术之一。通常，舰载机通过在试验室实施的全尺寸整机落震仿真试验，校核飞机在各边界着舰条件下的强度。如Daughetee[3]完成了舰载机落震试验及起落架动力学测试性能试验；史海文、张大千[4]等研究了在落震试验中起落架起转和回弹过程载荷对过载的影响；吴大方、赵星[5]等设计测量了飞机起落架落震试验中机轮水平冲击载荷的方法，为生产制造提供重要的依据和条件。

舰载机落震是航母舰载机研究的重中之重。国内外有关舰载机起落架落震仿真模拟过程中，大多将机体处理为刚体，通过大型分析仿真软件分析舰载机落震过程或直接建立起落架的动力学模型，求解舰载机的动力学响应结果。如魏小辉以舰载机为研究对象，基于ADAMS建立起落架仿真模型，并重点进行了起落架缓冲器卡滞动态临界摩擦探究[6-7]；刘志强、刘文芝[8]等人基于ADAMS进行了多层刚柔体耦合约束建模技术研究。限于试验条件和国防要求的限制，对于整机模型以及整机刚柔耦合模型的完整试验和仿真很少。

本文根据参数化建模原理，参考某型号舰载机，在CATIA中建立起舰载机的整机三维模型，保留了飞机的主要结构，并简化不必要的细节；其后使用ANSYS有限元软件进行网格划分，优化建模数据参数。再通过ADAMS建立起落架动力学有限元模型，将机翼、后机身、尾翼、起落架摇臂、轮胎等处理成柔性体，机体其他部分处理为刚体。通过ADAMS模拟舰载机着舰过程，考虑着舰航母本身不同的运动状态、舰载机不同着舰速度等不同工况下，对舰载机机身的过载、航母拦阻索承受的最大拉力、舰载机的滑跑距离、起落架主要部件的载荷及卡滞现象等进行分析。

2 舰载机起落架多体动力学刚柔耦合建模

为考虑实际多体机械系统中具有较多较大的柔性构件的弹性变形对系统运动的影响，ADMS中提供了柔性体模块 ADAMS/Flex。该模块要求柔性体采用修正的动态子结构Craig-Bampton方法，用模态展开法描述柔性体的弹性变形[9]。

2.1 舰载机整机落震受力分析

根据实际的着舰过程，分别建立欧拉运动学方程和动力学方程。

2.1.1 整机运动学方程

运用欧拉运动学描述，很容易建立整机运动学方程，用方程（1）表示。

（1）

其中，舰载机的倾斜角为γ，偏航角为φ俯仰角为θ， 式子中是舰载机角速度沿着X，Y，Z轴的分量。

2.1.2 整机平动方程

将整机的动系和定系间的相对运动表示为方程（2）的整机平动方程。

（2）

其中，为动系到定系的转置矩阵

式中g为重力加速度；为起落架弹性部件总质量；和为X和Y方向上的气动力；为右（左）发动机推力；为发机推力矢量与侧平面的夹角。

2.1.3 整机落震动力学及转动方程

依据动力学方程，建立整机落震动力学方程，表示为方程（3）。

…（3）

式中：、、表示整机落震时的三维的角速度；、、表示整机落震时在动力学方程中三维的惯性矩，是整机落震时在动力学方程中的惯性矩的惯性积；为合外力矩向量在整機落震时在动力学方程中的表示。

2.2 舰载机起落架参数优化设计和模型的建立

主起落架模型用CATIAV5R20建立，并将其模型保存为ADAMS 所需的CMD格式[12]，在ADAMS环境下直接导入，进行模拟仿真。根据前起落架三维数模及各部件间的运动关系，运用ADMS动力学仿真软件建立前起落架动力学模型。由于该模型主要用于计算起落架收放载荷，模型中筒体、活塞杆、作动筒、抗扭臂、轮叉、机轮可固结为一个整体，其他部分可忽略不计，模型中只需要定义收放作动筒、斜撑杆、筒体和转轴之间的运动约束。根据前起落架受力过程中各部件间的运动关系建立的模型约束如下：收放筒的外筒与万向接头用转动副连接，万向接头与机体间用转动副连接，收放作动筒活塞杆端头与转轴螺栓用转动副连接，转轴螺栓与接头用转动副连接，接头与上撑杆用固定副连接，收放作动筒外筒与活塞杆用滑动副连接，上撑杆与机体用转动副连接，上、下撑杆间用转动副连接，下撑杆与筒体用转动副连接，筒体与机体间用转动副连接。

3 计算结果和分析

与陆地起降对比，舰载机起降、飞行环境恶劣，各种工况极为复杂，着舰时起落架的载荷较大，并且会受到拦阻力的影响。这就对飞机的结构强度，以及飞机上各主承力部件的抗疲劳性提出更高要求。航母的纵向和横向摆动对舰载机着舰影响最大，所以这里仅对纵向和横向两种情况分别加以分析。表1给出了舰载机着舰各种工况的仿真数据比较。

并依据传统二质量落震动力学建模方法，使用已经建立好的主起落架的动力学分析模型，并进行数值计算分析，落震动力学响应曲线如图1所示。

图1中状态点A表示的是缓冲器启动时刻、B表示的是活塞杆和外筒加速度为0的时刻、C 表示的是正反行程交替变换时刻。从图中还可以分析出，当缓冲器在压缩过程中活塞杆的加速度开始改变，依据飞机设计手册提供的动态临界摩擦分析方法缓冲器将会在B时刻出现卡滞现象。不仅如此，当舰载机在航母着舰稳定后在缓冲器的静态平衡位置区域也可能会发生卡滞现象。

4 结构参数优化设计

根据结构设计要求利用ANSYS前处理过程的结果，再使用ADAMS的求解模块和后处理功能进行优化设计，以缓冲器初始压力、油液腔横截面积和油针顶端截面和低端截面半径为设计参数， 以起落架实际载荷为核心函数，经过多次逐次逼近迭代运算，最终找到本次试验中最为合理结构设计，结果如表2所示。

5 结语

本文建立包含机身在内的主起落架系统的刚柔耦合动力学仿真模型，在三种不同工况下，对舰载机整机和主起落架系统进行了仿真与分析，完成了整机状态下起落架的落震仿真计算与分析。

（1）相比于传统的起落架设计，刚柔耦合仿真模型具有可视化程度高，通用性和针对性强的优点，实现了起落架设计和分析一体化的先进技术，避免了纯多刚体简化的不足，更真实反映舰载机的着舰过程，提高了计算精度和准确度。

（2）仿真结果表明：当考虑支柱结构刚度时，在偏航着陆工况和机尾下沉回弹工况下，缓冲器摩擦力增加约4倍，存在发生卡滞的可能；飞机的载荷行程曲线受航向速度的影响很大，而着舰航母平台的运动对于起落架载荷、重心的过载和机翼处响应都会有很大影响。

（3）在不同的工况下，本文优化了缓冲器摩擦力与活塞杆和外筒的相对刚度，当适当改变活塞杆和外筒的刚度，使其相互匹配，可以降低缓冲器的摩擦力，并提高舰载机在不同工况下的落震安全性能。

参考文献：

[1]徐守富.支柱式起落架起转-回弹载荷分析[R].航空工业部飞机强度规范编写办公室编.西安： 航空工业部630研究所，1983.90～96.

[2]D.W. Young， Aircraft landing gears-the past， present and future， Paper 86 published by I.Mech.E， 1986.

[3]Daughetee C C.Drop testing naval aircraft and the VSD landing gear dynamic test facility [C].AIAA / ASME / SAE 15th Structures， Structural Dynamics and Materials Conference.Las Vegas， Nevada， AIAA 1974： 1-9.

[4]史海文，张大千.落震试验中起转和回弹载荷的模拟情况对试验结果的影响[J].航空学报，2001，22（1）：39-41.

SHI Haiwen， ZHANG Daqian.Influence of imitation co ndition of spin-up and spring back drag loads on drop test result [J]. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica， 2001，22（1）：39-41 （in Chinese）

[5]吴大方，赵星，贺小帆，等.飞机起落架落震试验中机轮水平冲击载荷测量方法的研究[J].机械强度.2010，32（5）：729-734.

[6]魏小辉.支柱刚度对起落架缓冲器摩擦力的影响[J].航空学报.2014.1000-6893（2014）.

[7]魏小辉，宋晓晨，李利荣，聂宏，等.起落架缓冲器卡滞动态临界摩擦探究[J].北京航空航天大学学报，2013.

[8]刘志强，刘文芝.基于ADAMS的多层刚柔体耦合约束建模技术研究[J].机械工程师，2008.10：85-87.

[9]马尧，宁方立.飞机起落架气动噪声的数值计算改进方法[J].机械设计与制造，2015.1001-3997（2015）12-0023-04 Improvement of the Numerical Computational Method for Predicting Landing Gear Noise MA Yao ，NING Fang-li.