基于虚拟样机技术的飞机起落架着陆载荷分析

2022-01-10张沈瞳

工程设计学报 2021年6期

张沈瞳

（中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海 201210）

起落架是飞机起飞、降落、地面转弯与牵引时的主要支撑机构，其着陆性能分析在飞机结构设计中占有非常重要的地位，对起落架着陆载荷（飞机着陆瞬间起落架所承受的地面载荷）进行研究具有重要意义。长期以来，我国仍采用传统方法来开展飞机起落架着陆分析［1-4］，即先对所研究的起落架进行受力分析和简化建模，然后利用计算机程序求解所得微分方程组来进行着陆动力学分析，从而获得起落架的着陆载荷历程曲线。但这种方法的主要缺点是计算过程较为复杂，参数优化困难，以及所作假设较多导致程序的通用性较差和迭代计算精度不高。

近年来，飞速发展的计算机技术为仿真分析提供了强有力的手段和工具。其中，虚拟样机技术广泛应用于机构动力学系统的仿真分析［5-9］。基于虚拟样机技术，可在仿真软件友好的用户图形界面中对飞机起落架进行仿真分析，并形成动画、图表等输出结果，同时结合仿真软件丰富的交互接口，可方便地实现建模、求解和分析等过程的数字化无缝衔接，从而简化设计过程，提高设计精度，缩短研发周期以及降低研发成本。

在飞机飞行过程中，燃油密度会影响飞机油箱的燃料储备量。燃油密度越大，相同容积飞机油箱所装燃油的质量越大，则飞机的续航能力越强。对于民用飞机而言，飞机的设计重量包括空机重量、商载和燃油重量［10］，其分布变化会对起落架的着陆载荷产生影响。为研究上述问题，笔者基于某型民用飞机的起落架，建立其着陆仿真模型，分析不同燃油密度下飞机的重量和重心变化对起落架着陆载荷的影响。

1 仿真分析软件介绍

MSC.ADAMS是美国MSC（MacNeal Scherndler Corporation）开发的一款机械系统动力学自动分析（automatic dynamic analysis of mechanical systems，ADAMS）商用软件，可对虚拟机械系统进行运动学和动力学分析，其广泛应用于机械系统的运动检测、载荷分析等；此外，该软件还具有复杂的动力学方程求解功能，能够对柔性机械系统进行仿真分析［11］。HyperMesh是美国Altair公司开发的一款具有强大的有限元网格划分前处理功能的软件，可以快速完成几何模型的导入处理、网格划分和材料属性赋予等［12］。MSC.Nastran是美国MSC开发的一款具有高可靠性的大型结构有限元分析软件，其广泛应用于航天航空领域。本文利用MSC.Nastran软件对经HyperMesh软件处理后的飞机起落架模型进行求解计算，并将其导入MSC.ADAMS软件进行着陆仿真分析。

2 飞机起落架建模流程

对某型民用飞机的起落架进行简化建模，即仅保留收放作动筒、活塞杆、支柱外筒、撑杆、锁连杆、扭力臂、曲柄螺栓、曲柄轴套、轮轴（车架）和转弯卡箍等主要传力构件。在有限元前处理软件HyperMesh中对飞机起落架简化模型进行网格划分［13］并定义材料属性，同时在各构件的装配连接点添加刚性单元，用于后续多体建模时运动副的建立。采用MSC.Nastran软件对HyperMesh软件生成的bdf文件进行求解计算，运用SOL103求解器生成各构件的模态中性文件并导入MSC.ADAMS软件，生成多体建模所需的起落架柔性体模型［14］，如图1所示。

图1 飞机起落架柔性体模型Fig.1 Flexible body model of aircraft landing gear

然后，在MSC.ADAMS软件中，采用转动副、球铰副、衬套副和固定副等对飞机起落架的主要传力构件进行装配连接，建立以下不同构件间的运动约束关系：轮轴（车架）与活塞杆间，活塞杆与扭力臂间、扭力臂与支柱外筒间，上、下侧撑杆间，前、后锁连杆间，撑杆与锁连杆间以及曲柄螺栓与曲柄轴套间。对于飞机起落架的缓冲器，采用刚性环来模拟其上、下轴承和止动环，并通过添加沿起落架支柱轴向的空气弹簧力和油液阻尼力来等效构建其力学特性。本文采用如图2（a）所示的空气弹簧力曲线来模拟缓冲器内部空气压缩产生的载荷，采用如图2（b）所示的油液阻尼系数曲线来模拟缓冲器内部油液产生的阻尼力。

图2 空气弹簧力曲线和油液阻尼系数曲线Fig.2 Air spring force curve and oil damping coefficient curve

基于表1所示的某型民用飞机起落架轮胎的滑移比与摩擦系数的关系，在MSC.ADAMS软件中构建轮胎模型，并建立二维平直路面，从而完成起落架着陆仿真模型的构建，如图3所示。

表1 某型民用飞机起落架轮胎的滑移比与摩擦系数Table 1 Slip ratio and friction coefficient of landing gear tire of a certain type of civil aircraft

图3 飞机起落架着陆仿真模型Fig.3 Landing simulation model of aircraft landing gear

3 飞机起落架着陆载荷仿真分析

在飞机起落架着陆仿真模型中，通过在飞机重心对应位置处设置一个虚拟刚性体来表示机体。当采用全机着陆模型来分析起落架着陆载荷时，飞机重量的影响会根据重心位置自动分配到各起落架上，不用进行起落架当量重量计算；而当采用起落架着陆模型（即将前、主起落架分开考虑）分析时，则须进行当量重量计算，估算原理如图4所示。对于两点着陆方式，主起落架的当量重量为飞机重量的一半；对于三点着陆方式，前起落架的当量重量按AC25.723-1［15］中的要求确定，前、主起落架的当量重量WN、WM分别为：

图4 三点着陆时飞机起落架当量重量估算原理Fig.4 Estimation principle of equivalent weight of aircraft landing gear during three-point landing

式中：W为飞机重量；A为飞机重心与前起落架之间的水平距离；B为飞机重心与主起落架之间的水平距离；E为1.0g静态工况下飞机重心距地面的垂直高度。

为了便于分析，采用将前、主起落架分开考虑的方式进行着陆仿真分析。起落架着陆载荷根据位置的不同可分为轮胎接地点载荷、轮轴点载荷和交点载荷，本文主要针对起落架的轮轴点着陆载荷进行分析。选择一种着陆工况进行试算，完成工况参数设置后，通过动态仿真分析得到该工况下飞机主起落架的轮轴点着陆载荷（垂向与航向）历程曲线，如图5所示。图5中，0时刻是指起落架开始下落但未接地的时刻。

图5 某工况下主起落架的轮轴点着陆载荷历程曲线Fig.5 History curve of wheel axle point landing load of main landing gear under a certain working condition

动态工况下起落架的轮轴点着陆载荷历程曲线对应多个静载荷工况，通过选择动态工况下特定时刻的着陆载荷，再基于条款规定的经验系数进行补充计算，即可获得起落架的静载荷，本文主要考虑最大垂直载荷、最大起旋载荷和最大回弹载荷。

基于构建的飞机起落架着陆仿真模型，参照CCAR25.471～25.485对起落架着陆重量、下沉速度和着陆姿态的要求［16-17］，对不同着陆工况下的参数进行设置，如表2所示。

表2 飞机起落架的着陆工况参数Table 2 Landing condition parameters of aircraft landing gear

对典型燃油密度下前起落架的轮轴点着陆载荷进行筛选［18］，结果如图6所示。对于前起落架而言，仅在三点水平着陆情况下存在着陆载荷。由图6可知，对于垂向、航向和侧向载荷，最大着陆重量、前重心和三点水平着陆情况下的最大起旋载荷构成了前起落架着陆载荷的严重情况。这是因为前起落架的力臂在飞机前重心情况下最小，导致需要更大的力来平衡主起落架产生的力矩。

对典型燃油密度下飞机主起落架的轮轴点着陆载荷进行筛选，结果如图7所示。由图7可知，对于主起落架而言，飞机重心发生变化不会影响其轮轴点着陆载荷。随着飞机重量的增大，主起落架的轮轴点着陆载荷随之增大。对于航向载荷，两点着陆情况下的最大起旋载荷构成了主起落架着陆载荷的严重情况；主起落架的垂向载荷主要在两点水平着陆情况下产生，两侧的主起落架承受的力矩（由飞机重力产生）相同，而重心会影响旋转加速度，从而影响机身的整体负载情况。由于民用飞机的机动特性，侧向载荷情况广泛存在于民用飞机的起落架中，其载荷是两点着陆情况下垂直载荷的80%。由于侧向载荷情况只需考虑两点水平着陆姿态，则主起落架承受飞机的全部重量。

图7 典型燃油密度下主起落架的轮轴点着陆载荷Fig.7 Wheel axle point landing load of main landing gear under typical fuel density

对不同燃油密度下前起落架的轮轴点着陆载荷进行对比，结果如表3所示。其中，飞机重心位置参考机体坐标系，坐标系原点位于机翼前梁与机身对接框前方30 000 mm处。由表3可以看出，3种燃油密度下前起落架的航向载荷和垂向载荷的变化均很小，这是因为飞机的设计重量为定值，燃油密度变化仅会使飞机的重心位置发生微小变化，对前起落架当量重量的影响有限。