黃 琦，李華琳，陳 勇，李 堅(jiān)

(電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 611731)

起落架磁流變減振系統(tǒng)的特性分析研究

黃 琦，李華琳，陳 勇，李 堅(jiān)

(電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 611731)

大型飛機(jī)的安全研究，起落架是保障飛機(jī)起飛與降落安全的關(guān)鍵部件，該文根據(jù)起落架的減振系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析。由于磁流變阻尼力的出現(xiàn)，導(dǎo)致了起落架磁流變減振系統(tǒng)成為了非線性系統(tǒng)，為了研究系統(tǒng)特性，通過對(duì)其非線性部分線性化，構(gòu)造出起落架磁流變減振系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，分析不同阻尼比下機(jī)身位移、機(jī)身加速度、起落架位移和起落架動(dòng)載荷的頻率響應(yīng)，并對(duì)跑道的隨機(jī)路面激勵(lì)時(shí)域特性分析，這對(duì)起落架磁流變減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和減振系統(tǒng)優(yōu)化控制具有重要意義。

頻域響應(yīng); 起落架; 磁流變減振系統(tǒng); 時(shí)域分析

飛機(jī)起飛和降落時(shí)會(huì)受到地面巨大的沖擊力，為了減少路面沖擊對(duì)飛機(jī)造成的不良振動(dòng)，起落架上安裝了減振的裝置，小型飛機(jī)用彈簧減振，大型飛機(jī)則用液壓減振器減振。但是現(xiàn)在飛機(jī)安全事故中，因起落架故障造成的事故占相當(dāng)比例，因此，急需一種新型智能減振器可調(diào)節(jié)、自適應(yīng)地緩解路面的沖擊力。

近年來，磁流變減振器已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[1-5]，磁流變減振器可以根據(jù)路面作用力的大小和飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)自適應(yīng)改變減振器參數(shù)使其性能達(dá)到最優(yōu)。目前，磁流變減振器已經(jīng)應(yīng)用到了高端車上，如凱迪拉克的賽威和奧迪的“TT”跑車等，但飛機(jī)上的應(yīng)用我國還處于空白。國內(nèi)有中國民航大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、重慶大學(xué)等，對(duì)磁流變減振器進(jìn)行了一些磁流體特性分析。磁流變減振器在起落架中的推廣和應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵技術(shù)就是減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制策略兩部分，這兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是建立在起落架磁流變減振系統(tǒng)特性分析基礎(chǔ)上的。

因此，本文在起落架的動(dòng)力學(xué)特性基礎(chǔ)上建立起落架磁流變減振系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行線性化，分析不同阻尼比下機(jī)身位移、機(jī)身加速度、起落架位移和起落架輪子動(dòng)載荷的頻率響應(yīng)，并對(duì)跑道的隨機(jī)路面激勵(lì)時(shí)域特性進(jìn)行分析，為起落架磁流變減振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制提供依據(jù)。

1 起落架磁流變減振系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

在起落架的動(dòng)力學(xué)特性基礎(chǔ)上建立的起落架磁流變減振系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型[6-8]如圖1所示，其中Mu是機(jī)身質(zhì)量，Md是起落架質(zhì)量，Ks為彈簧剛度，Kt為起落架輪子剛度，Xu為機(jī)身垂直位移，Xd為起落架垂直位移，Xr為跑道路面輸入垂直位移，C0是零磁場磁流體的粘滯系數(shù)。

圖1 起落架磁流變減振系統(tǒng)

起落架磁流變減振系統(tǒng)通過改變減振器的阻尼系數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的可調(diào)阻尼力Ft，它是非線性的，其非線性的影響主要是由于磁流變液在外加磁場下的非線性、回滯性和飽和性引起的。為了能夠使減振器的可調(diào)范圍大，往往選擇性能優(yōu)越的磁流變液，盡可能使磁流變減振器工作范圍在磁流變液的線性區(qū)間。

通過實(shí)驗(yàn)分析，可調(diào)阻尼力Ft與磁流變液的勵(lì)磁電流i之間的函數(shù)關(guān)系為：

式中 Ct為磁流變液粘滯系數(shù)，由磁流變液的勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)，其變化能夠有效地反映磁流變液阻尼力的變化。

將磁流變減振器的可調(diào)阻尼力Ft分段線性化：

當(dāng)Ct=0時(shí)，模型為一般起落架的力學(xué)模型，將其代入式(1)，得：

通過對(duì)起落架磁流變減振器的可調(diào)阻尼力線性化，得到相對(duì)于路面激勵(lì)的機(jī)身位移、機(jī)身加速度，起落架位移和起落架動(dòng)載荷的傳遞函數(shù)，為分析不同阻尼比下起落架減振器的特性提供了方便，同時(shí)也有利于磁流變起落架控制策略的優(yōu)化。

2 起落架磁流變減振系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析

考慮式(5)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，略去阻尼和外加激勵(lì)，得到系統(tǒng)的無阻尼微分方程為：

依據(jù)起落架磁流變減振系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，通過設(shè)置系統(tǒng)不同的阻尼比，利用Matlab仿真得到機(jī)身位移、機(jī)身加速度、起落架動(dòng)位移和起落架輪子動(dòng)載荷在不同阻尼比下的幅頻特性曲線，如圖2所示。

圖2 起落架的幅頻特性

由圖2可以看出，在阻尼比ξ=0.1時(shí)波形的兩個(gè)尖峰，即為起落架減振系統(tǒng)的兩個(gè)固有共振頻率，因此，將橫坐標(biāo)按照其固有的共振頻率分為低頻段(0到第一共振頻率)、中頻段(第一共振頻率與第二共振頻率之間)和高頻段(大于第二共振頻率)。從圖2a可以看出，在系統(tǒng)低頻段，隨著起落架減振系統(tǒng)阻尼比的增大，機(jī)身位移迅速減?。欢谥懈哳l段，隨著阻尼比的變化，機(jī)身位移變化不大，且隨著頻率的增大，機(jī)身位移逐漸減小，在第二共振頻率處不出現(xiàn)波峰，機(jī)身位移比較平穩(wěn)，趨近于零。從圖2b可以看出，在低頻段，隨著阻尼比的增大，機(jī)身加速度減小；在中頻段和高頻段，隨著阻尼比的增大，機(jī)身加速度增大，機(jī)身加速度變化量不大，加速度基值較大；在第二共振頻率處，且阻尼比ξ=0.1時(shí)，有個(gè)尖峰，隨著路面輸入頻率的增大而減小并趨于穩(wěn)定。從圖2c可以看出，在整個(gè)頻段內(nèi)，起落架動(dòng)位移隨著阻尼比的增大而減小，尤其是在低頻段起落架動(dòng)位移減小很明顯。從圖2d可以看出，在低頻段，隨著阻尼比的增大，起落架輪子動(dòng)位移減小；在中頻段，隨著阻尼比的增大，起落架輪子動(dòng)位移增大；在高頻段，隨著阻尼比的增大，起落架輪子動(dòng)位移減小程度變緩。

由此可知，在低頻段，機(jī)身位移、機(jī)身加速度、起落架動(dòng)位移和起落架輪子動(dòng)位移都隨著阻尼比的增大而減小，因此，在低頻段應(yīng)設(shè)置較大的阻尼比。在中頻段，由于機(jī)身的加速度和起落架的動(dòng)位移隨著阻尼比的增大而增大，考慮到中頻段是人體的敏感頻段，應(yīng)設(shè)置小的阻尼比以提高飛機(jī)的舒適性和安全性。在高頻段，機(jī)身加速度隨著阻尼比的增大而增大，起落架的動(dòng)位移隨著阻尼比的增大而減小，因此，高頻段阻尼比的設(shè)定由具體情況而定，考慮乘坐的舒適性要求，應(yīng)設(shè)置小的阻尼，考慮操縱的穩(wěn)定性要求，應(yīng)設(shè)置較大的阻尼比。

3 跑道隨機(jī)路面激勵(lì)時(shí)域特性分析

3.1 跑道路面輸入仿真

跑道路面輸入大致可以劃分為隨機(jī)路面和沖擊路面兩類[9-10]。隨機(jī)路面是指沿道路方向的連續(xù)激勵(lì)。對(duì)于連續(xù)型隨機(jī)路面，一般采用空間頻率功率譜密度函數(shù)以及相應(yīng)的時(shí)域表示形式加以描述。沖擊路面是指在較短時(shí)間內(nèi)的離散事件，并且有較高的強(qiáng)度，如平坦道路上的凸包和凹坑。一般采用脈沖信號(hào)、階躍信號(hào)和半波正弦信號(hào)進(jìn)行描述，把測量得到的隨機(jī)數(shù)據(jù)Xr，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到路面功率譜密度[11-13]，本文采用濾波白噪聲作為隨機(jī)路面的輸入模型，其數(shù)學(xué)模型為：

0xr0平度系數(shù)；w為頻率指數(shù)，確定每段功率譜斜線的斜率，取值由路面譜的頻率結(jié)構(gòu)確定，分級(jí)路面譜的頻率指數(shù)w=2。

為了分析研究起落架時(shí)域的動(dòng)態(tài)特性，需要進(jìn)一步把頻域內(nèi)的統(tǒng)計(jì)特性轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)域內(nèi)的時(shí)間序列。于是路面輪廓可以由功率譜密度為的白噪聲通過一個(gè)積分器產(chǎn)生，建立其Simulink仿真模型，如圖3所示。

圖3 隨機(jī)路面的輸入仿真

xr 0 72 m/s，其生成的隨機(jī)路面輪廓如圖4所示：

圖4 隨機(jī)路面輸入的時(shí)域模型仿真

3.2 起落架系統(tǒng)仿真

利用起落架動(dòng)力學(xué)微分方程和隨機(jī)路面輸入模型建立仿真模型如圖5所示。

圖5 起落架系統(tǒng)仿真模型

考慮到人體對(duì)飛機(jī)著陸過程的平順性和舒適 性，最主要是通過感覺機(jī)身振動(dòng)的頻率和強(qiáng)度評(píng)價(jià)的。參考C級(jí)路面，飛機(jī)著陸后某一時(shí)刻速度為72 m/s，通過改變起落架的阻尼參數(shù)，得到系統(tǒng)不同阻尼比下機(jī)身振動(dòng)的加速度如圖6所示。

從圖6可以看出，在C級(jí)路面，飛機(jī)速度為72 m/s時(shí)，調(diào)節(jié)起落架的阻尼比，得到起落架阻尼比在ξ=0.1時(shí)，機(jī)身的加速度幅值最小，證明此時(shí)機(jī)身的平順性和舒適性最好。通過調(diào)節(jié)不同的路面輸入激勵(lì)和系統(tǒng)不同的阻尼比能夠得到不同級(jí)別路面的最佳阻尼比，從而為起落架磁流變減振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制提供依據(jù)。

圖6 不同阻尼比下的機(jī)身加速度

4 總 結(jié)

本文從起落架的動(dòng)力學(xué)特性分析出發(fā)，分析不同阻尼比下機(jī)身位移、機(jī)身加速度、起落架動(dòng)位移和起落架輪子動(dòng)位移的幅頻特性，建立了隨機(jī)路面輸入的時(shí)域模型和起落架減振器模型，并在一定速度下，得到不同阻尼比下機(jī)身加速度的時(shí)域特性。

針對(duì)起落架減振器的固有共振頻率，詳細(xì)分析了不同頻段改變系統(tǒng)的阻尼比對(duì)起落架減振器特性的影響，針對(duì)不同的路面激勵(lì)，通過可調(diào)阻尼力得到最優(yōu)的阻尼比，兼顧飛機(jī)操縱穩(wěn)定性和舒適性，提高飛機(jī)的安全性。

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編 輯 漆 蓉

Analysis of the Characteristics of Landing Gear with MR Fluid Damper System

HUANG Qi, LI Hua-lin, CHEN Yong, and LI Jian

(School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731)

Landing gear of aircraft is the key component to ensure safety during the process of takeoff and landing. This paper analyzes the dynamic characteristics of the landing gear system. Because of the inclusion of MR fluid, the landing gear damper system becomes a nonlinear system. In order to study the characteristics of the system, this paper builds the mathematical model of the landing gear damper by linearizing the nonlinear system.Based on the model, the frequency response of aircraft body displacement, aircraft body acceleration, landing gear displacement, and tire dynamic loading of the landing gear are analyzed. And the time-domain response of random road excitations is also analyzed. These analyses would be helpful in structure designing of the landing gear with MR damper and the advanced control of the damper system.

frequency response; landing gear; MR fluid damper system; time domain analysis

TP13; TH703.6

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.06.014

2009- 06- 04;

2009- 10- 14

教育部博士點(diǎn)專項(xiàng)基金(200806141056)；四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2009JY0008); 四川省青年基金(09ZQ026-009)

黃 琦(1976- )，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事分布式檢測技術(shù)、電力系統(tǒng)方面的研究.