孫志娟，戴京濤

（1.國家開放大學 工學院，北京 100039；2.海軍航空工程學院青島校區(qū) 航空機械系，青島 266041）

0 引言

起落架系統(tǒng)是飛機的關鍵部件之一，在現(xiàn)代飛機起落架系統(tǒng)的各個工作部件中，收放機構在使用中發(fā)生失效的概率較高，約為34.4%[1,2]，其工作性能直接影響到飛機的安全運行。因此，在對起落架收放機構進行設計的過程中，對其運動學和動力學性能進行分析具有重大意義。為了減小飛行中的阻力，現(xiàn)代飛機的起落架通常是可收放的。即起飛后，將起落架收入飛機內(nèi)部，并關閉起落架艙；著陸前，放下起落架，將之固定在一定的位置，并可靠鎖住?？墒辗牌鹇浼鼙M管增加了重量，使飛機的結構設計和使用復雜化了，但提高了飛行時的總效率。

由于起落架收放機構的結構相對復雜，非線性因素較多，求解運動學結果較為復雜，且很難得出與實際相符且較為精確的動力學結果，為了得到較好的與工作實際相符的仿真結果，應用UG（Unigraphic）軟件的虛擬樣機技術建立某型軍用飛機前起落架空間收放機構的三維數(shù)學模型進行產(chǎn)品設計。進而利用UG和ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）軟件的接口，用數(shù)字樣機代替原來的實物樣機試驗，在數(shù)字狀態(tài)下仿真計算，研究氣動阻力、質量力、慣性力和收放動作筒液壓力對收放運動的影響等，進行起落架收放運動學和動力學性能研究。

1 虛擬樣機的建立與收放運動分析

通過研究起落架收放機構的組成及其工作原理得出機構運動示意圖，分析該機構的運動傳遞情況，為機構的運動學/動力學分析打下的基礎[3]。進而應用UG軟件對飛機起落架機構進行建模、裝配和運動仿真，并通過靜態(tài)干涉檢查和動態(tài)干涉檢查來確定模型的合理性。

1.1 飛機起落架收放機構分析

飛機起落架收放機構一般采用連桿機構。通常伴隨飛機前起落架收入或放出機身的同時，飛機的整流罩也隨之關閉或打開，因此起落架的收放和整流罩的開合構成了空間聯(lián)動機構。結構分析是對一個實際機構進行分析的首要步驟，在某型飛機起落架收放機構的基礎上作了一定程度的簡化，由于整流罩開合部分為對稱布置，所以僅以一側整流罩作為研究對象，并省去了部分次要構件，得到圖1所示的起落架收放機構運動原理圖。

圖1所示的起落架收放機構的狀態(tài)為起落架收起狀態(tài)。由收放動作筒進行驅動，收放機構可以完成單輸入—單輸出的機構運動。起落架放下時，鉸鏈點C將向下運動，從而使得構件5向下放下緩沖支柱，整流罩7隨之打開。

1.2 起落架收放機構模型的建立

圖1 某型飛機起落架收放機構運動原理圖

UG軟件能夠對復雜曲面和實體進行的三維造型的同時，還能直觀、準確的體現(xiàn)各零部件間的裝配關系。因此，運用UG軟件分別建立收放動作筒、撐桿、緩沖支柱、拉桿、整流罩等三維零部件模型，并依據(jù)各零部件之間的裝配關系進行整機的裝配，裝配完成后的運動機構模型如圖2所示。

1.3 起落架收放運動分析

起落架收放機構運動仿真是對設計方案進行實時仿真，能在三維模型中實現(xiàn)機構運動過程的可視化，并且實現(xiàn)運動過程的干涉分析。首先按照圖1對收放機構模型創(chuàng)建運動副，然后在已經(jīng)定義的B點移動副上，定義運動驅動，并在此運動副上設置驅動形式，定義勻速直線運動的驅動函數(shù)，使得收放動作筒的運動速度為10mm/s，從而實現(xiàn)機構的運動仿真分析，進而可得出運動時間為15.3s。最后，由于收放機構運動過程中，多個構件同時運動，并伴隨緩沖支柱的舉升、收放動作筒的移動，空間的運動相對較為雜亂，所以需要檢查收放過程中，檢查各構件之間是否存在動態(tài)干涉，經(jīng)干涉檢查，飛機起落架收放機構各構件建模無誤，各構件之間無干涉。

圖2 飛機起落架收放機構總體裝配圖

2 收放機構運動學/動力學仿真

在ADAMS軟件中建立起落架收放機構的數(shù)字樣機，分析其所承受載的載荷，包括起落架承受的氣動阻力、起落架質量力和慣性力、收放作動筒的驅動力和摩擦力等，進而給模型加載，分析起落架收放機構的運動學/動力學性能，以期滿足工程實際需求。

2.1 仿真環(huán)境設置

起落架收放機構的運動學/動力學仿真需要分析其收放運動過程中所承受的載荷，其載荷種類繁多，計算相對復雜。因此，在ADAMS仿真過程中，需要確定以下幾種具有主要影響的載荷[4]。

現(xiàn)在，小鄒和小劉已經(jīng)有一個多月相安無事了。有一次，我竟然神奇般地看到放學站路隊時，小鄒和小劉面對面點了點頭，相視一笑，這可是一年多來的首次?？吹剿齻冇羞@樣的變化，我懸著的一顆心終于可以放下了。

1）質量力：作用在各零件的重心上，方向始終指向地面。在穩(wěn)定氣流中，起落架收放機構各零部件的質量力Pm可以通過下式求解：

V——允許收放起落架的最大飛行速度；

S——翼面面積，m2；

w——突風速度，10m/s；

Ga——飛機起飛或者著陸時的重力，N；

g——重力加速度，9.8m/s2；

L——突風強度擴散段長度，30m。

故由式(2)～式(4)可以計算起落架收放時的使用過載，如表1所示。

表1 各構件收放時的使用過載

2）氣動阻力：作用在各零件壓心上，且指向氣流方向，起落架各零部件上的氣動阻力Pa,di可以通過下式求解：

式中：Cxi——起落架各零件上的阻力系數(shù)；

q——速壓；

Si——起落架各零件在垂直于氣流平面上的投影面積。

主要考慮作用在緩沖支柱和整流罩上的氣動阻力。其中，圓形截面的緩沖支柱的阻力系數(shù)Cx0隨機輪寬徑比的變化而變化，按照機輪寬徑比為0.2選擇Cx0=0.76；機輪迎面阻力系數(shù)通過文獻[5]查取，Cxw=0.5；對于整流罩，按板的阻力系數(shù)計算，Cxh=1.28。因此，折合成氣動力力矩作用在緩沖支柱和整流罩的旋轉運動副上，可以通過下式求解：

式中：Padi——各零件氣動合力，其值隨收放運動過程改變；

bi——各零件氣動合力到旋轉軸力臂，其值隨收放運動過程改變。

在起落架收起的過程中，整流罩的旋轉軸上和緩沖支柱（含機輪）旋轉軸上的氣動阻力力矩變化曲線如圖3所示。

圖3 整流罩和緩沖支柱的氣動阻力力矩

3）慣性力：在起落架收放過程中，由于運動時間相對較短，故可能出現(xiàn)較大的慣性力。慣性力對起落架轉軸的力矩與各零部件的旋轉角加速度的方向相反，其數(shù)值Mg可以通過下式求解：

式中：J——起落架對轉軸的轉動慣量，J=mr2；

m——起落架轉動部分質量；

r——轉動部分重心至轉軸的距離；

4）摩擦力：在收放作動筒上引起的摩擦力fP可以通過下式求解：

式中 Paa為收放作動筒載荷。

2.2 運動學/動力學仿真

選擇目前世界上使用范圍最廣的機械系統(tǒng)運動學和動力學仿真軟件——ADAMS軟件對起落架收放機構進行性能分析。將UG模型導入ADAMS軟件中，重新定義約束，包括轉動副、移動副、萬向節(jié)和球副。采用多剛體動力學理論中的拉格朗日方程法建立系統(tǒng)動力學方程，通過虛擬樣機來模擬起落架收放機構的整個運動過程，并加載各作用力：

1）各零件的質量屬性和重力加速度由于起落架收放機構各桿件所選用的材料為高強鋼，而輪胎的材料為橡膠，所以設定各構件的材料屬性。然后定義重力加速度的大小和方向。

2）氣動阻力：起落架在飛機正常飛行過程中，受到的來自飛機航向和側向的氣流阻力，反映了正風和側風影響。按照圖3中所示曲線添加緩沖支柱和整流罩的氣動阻力矩。其中，左右兩側整流罩所加載的氣動阻力矩大小相同，方向相反。

3）慣性力：在提取各零部件加速度或角加速度的基礎上對各零部件的慣性力進行加載。

4）摩擦力：按照摩擦系數(shù)0.3來設置總的摩擦力在收放作動筒上引起的附加摩擦力載荷。

設置起落架收放機構的運動時間為15.3s，進而可以提取整流罩和緩沖支柱的時變的角位移、角速度和收放作動筒的驅動力，如圖4所示。

圖4 仿真分析輸出曲線

如圖4(a)所示，起落架收起過程中，緩沖支柱的角位移單調(diào)增大的同時，整流罩的角位移先減小后增大，且緩沖支柱的角位移始終大于整流罩的角位移，這與該機構運動過程的要求相一致，為了保證整流罩在緩沖支柱收起后可靠關閉，不與緩沖支柱發(fā)生運動干涉，所以在緩沖支柱收起的過程中，整流罩先打開，然后再關閉。如圖4(b)所示，起落架收起過程中，緩沖支柱的角速度先增大后減小，整流罩的角速度則為減小—增大—減小的一個過程，這是因為緩沖支柱收起過程中先要快速收起，隨著整個運動行程的結束，角速度逐漸減??；而整流罩在運動的過程中，對于其打開的過程角速度是逐漸減小的，在關閉的過程中角速度逐漸增大，隨著整個運動行程的結束，角速度逐漸減小，符合該機構運動過程設計要求。如圖4(c)所示，起落架收起過程中，收放動作筒驅動力的三個波峰和波谷分別出現(xiàn)在艙門從打開狀態(tài)轉換為關閉狀態(tài)的時間點、緩沖支柱角速度開始減小的時間點和整流罩角速度開始減小的時間點，形成了一定的液壓沖擊力。顯然，ADAMS仿真結果與設計過程中定性的分析求解在趨勢上是完全一致的，從而驗證了設計方案的正確性。

3 結論

應用UG軟件建立某型軍用飛機起落架的參數(shù)化虛擬樣機模型，對起落架收放系統(tǒng)進行虛擬裝配、運動分析和干涉檢查。進而通過UG軟件和ADAMS軟件的接口，建立ADAMS數(shù)字樣機，分析起落架所受氣動阻力、起落架質量力、慣性力、起落架收放作動筒載荷的影響，并在ADAMS中給模型加載，模擬各載荷作用，設置了虛擬仿真環(huán)境參數(shù)，從而通過仿真分析，得到系統(tǒng)更接近真實運行情況的運動學和動力學特性，驗證了設計方案的正確性，也為整機的優(yōu)化設計提供了參考依據(jù)。

[1] SWIFT K G.,RAINES M.,BOOKER J D．Advances in probabilistic design; manufacturing knowledge and applications[J].Institution of Mechanical Engineering，2001,215 (Part B):297-313.

[2] 朱林,孔凡讓,尹成龍,等.基于仿真計算的某型飛機起落架收放機構的仿真研究[J].中國機械工程,2007,18(1):26-29.

[3] 柯熱夫尼柯夫C.H.機構參考手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1988.

[4] 陳琳.飛機起落架收放運動與動態(tài)性能仿真分析[D].南京航空航天大學,2007.

[5] 飛機設計手冊總編委員會.飛機設計手冊（第14冊）:起飛著陸系統(tǒng)設計[M].北京:航空工業(yè)出版社,2002.