全机落震动力学环境研究

2021-07-10张里伟胡益富夏佳丽

教练机 2021年2期

张里伟，胡益富，侯方，夏佳丽

（航空工业洪都，江西南昌，330024）

0 引言

为了研究飞机着陆的关键技术，对真实的飞机系统进行多次的试验是一种方法，然而这种方法需要大量试验，不仅耗费巨大，而且存在巨大的风险，因此有必要对全机落震过程进行计算机仿真分析,用所建立的模型通过仿真替代某些试验。所谓仿真就是为了分析与研究已存在或者尚未建成的系统，建立该系统的模型，并通过程序语言或者软件进行计算的过程。用所建立的模型进行相关的动力学环境研究来替代某些试验，一方面可以节省时间和费用，另一方面还可以给出一些试验测试难度较大的数据，且可以在必要时及时改进设计，得到符合标准的设计。由此可见，准确可靠的仿真分析不但可以大大减少设计周期，还可以降低研究费用，并且为新型号或现有机型的改进提供可供参考的依据。某型飞机全机落震受力状态非常复杂，准确而完整的建模是进行动力学环境研究的基础，本文建立了刚柔耦合全机模型，通过MSC.AD MAS进行动力学仿真，得到了飞机落震过程中前起落架、主起落架相关的特征曲线，以及飞机重心处三个方向的过载。

1 动力学建模

本文利用MSC.ADMAS分别建立柔性体机身、轮胎、前起落架、主起落架、地面等部件，最后将其组装成全机刚柔耦合动力学模型，建模流程如图1所示。

图1 全机刚柔耦合建模流程图

动力学建模中轮胎文件，地面文件需要预先编写数据卡片，软件默认的轮胎刚度为线性刚度，若需要将轮胎建为非线性轮胎，则需要输入相应的非线性刚度参数，本文预先编写了轮胎数据卡片。起落架模型较为复杂，其中起落架的摇臂及连接结构采用较为简单的圆柱体来建模，而缓冲器部分则采用类似活塞的结构来模拟，其中起落架的载荷通过非线性弹簧来模拟。活塞结构采用旋转体来建模，其中，起落架-轮胎模型中一些关键位置需要定义不同的运动副，例如起落架支柱与套筒之间需要添加平移副，而轮胎与轮轴之间需要添加旋转副等，需要特别注意的是活塞结构的接触，实际的接触参数需要通过试验获得，这里要根据分析需求来调整各个参数，以保证仿真数据的准确性。起落架模型如图2、图3所示。将上述各部件连接到柔性体机身上，得到全机刚柔耦合动力学模型，如图4所示。

图2 前起落架模型

图3 主起落架模型

图4 全机刚柔耦合动力学模型

2 全机落震动力学仿真分析

2.1 起落架落震性能检查

为了检验所建立的起落架模型的正确性，进行了单个起落架的落震分析。表1给出了分析所施加的工况。

表1 起落架分析工况

1）前起落架动态响应分析

图5、图6为前起落架落震过程中的特征参数变化曲线。由图5、图6可知，前起落架轮心处位移最大值为0.474m，缓冲器压缩量最大值为0.414m，地面载荷最大值为146kN。其中yc为起落架重心处位移，sh为起落架缓冲器压缩量，py为地面载荷。

图5 前起落架py、sh和yc时域曲线

图6 前起落架功量图

2）主起落架动态响应分析

图7、图8为主起落架落震过程中的特征参数变化曲线。由图7、图8可知，主起落架轮心处位移最大值为0.564m，缓冲器压缩量最大值为0.176m，地面载荷最大值为266kN。

图7 主起落架py、sh和yc时域曲线

图8 主起落架功量图

2.2 全机落震动力学仿真分析

将测试好的起落架安装在柔性机身上建立全机落震刚柔耦合模型。模型初始工况见表2。本文以工况1为例进行模拟。图9所示为全机落震在整个分析过程中典型时刻的运动状态。

图9 典型时刻全机落震状态

表2 全机落震分析工况

图10和图11为全机落震过程中前起落架的特征参数变化曲线；图12和图13为主起落架的特征参数变化曲线；图14~图16为落震过程中发动机重心处三个方向的过载。

图10 全机落震前起落架py、sh和yc时域曲线

图11 全机落震前起落架功量图

图13 全机落震主起落架功量图

图14 全机落震发动机重心处X方向过载

图16 全机落震发动机重心处Z方向过载

图15 全机落震发动机重心处Y方向过载

表3与表4对落震状态下的前起落架与主起落架的主要参数进行了归纳与比较，表5给出了发动机重心处过载最大值的比较。从表中可以看出，三种工况下，前起落架的接地速度都较小，而且其缓冲器压缩行程都小于停机压缩量，所以其地面载荷也相对较小。工况3条件下的主起落架地面载荷较大，超过了给定的轮胎地面载荷范围。由于落震分析时，飞机各个部分主要在Y方向运动，所以发动机重心处的过载也主要集中在Y方向，在工况3条件下达到了最大的12.63g。