孫志娟，戴京濤

（1.國(guó)家開放大學(xué) 工學(xué)院，北京 100039；2.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 航空機(jī)械系，青島 266041）

0 引言

起落架系統(tǒng)是飛機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在現(xiàn)代飛機(jī)起落架系統(tǒng)的各個(gè)工作部件中，收放機(jī)構(gòu)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(jī)的安全運(yùn)行。因此，在對(duì)起落架收放機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析具有重大意義。為了減小飛行中的阻力，現(xiàn)代飛機(jī)的起落架通常是可收放的。即起飛后，將起落架收入飛機(jī)內(nèi)部，并關(guān)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。可收放起落架盡管增加了重量，使飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用復(fù)雜化了，但提高了飛行時(shí)的總效率。

由于起落架收放機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，非線性因素較多，求解運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果較為復(fù)雜，且很難得出與實(shí)際相符且較為精確的動(dòng)力學(xué)結(jié)果，為了得到較好的與工作實(shí)際相符的仿真結(jié)果，應(yīng)用UG（Unigraphic）軟件的虛擬樣機(jī)技術(shù)建立某型軍用飛機(jī)前起落架空間收放機(jī)構(gòu)的三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。進(jìn)而利用UG和ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）軟件的接口，用數(shù)字樣機(jī)代替原來(lái)的實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)，在數(shù)字狀態(tài)下仿真計(jì)算，研究氣動(dòng)阻力、質(zhì)量力、慣性力和收放動(dòng)作筒液壓力對(duì)收放運(yùn)動(dòng)的影響等，進(jìn)行起落架收放運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能研究。

1 虛擬樣機(jī)的建立與收放運(yùn)動(dòng)分析

通過(guò)研究起落架收放機(jī)構(gòu)的組成及其工作原理得出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖，分析該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)傳遞情況，為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)分析打下的基礎(chǔ)[3]。進(jìn)而應(yīng)用UG軟件對(duì)飛機(jī)起落架機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模、裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，并通過(guò)靜態(tài)干涉檢查和動(dòng)態(tài)干涉檢查來(lái)確定模型的合理性。

1.1 飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)分析

飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)一般采用連桿機(jī)構(gòu)。通常伴隨飛機(jī)前起落架收入或放出機(jī)身的同時(shí)，飛機(jī)的整流罩也隨之關(guān)閉或打開，因此起落架的收放和整流罩的開合構(gòu)成了空間聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析是對(duì)一個(gè)實(shí)際機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析的首要步驟，在某型飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了一定程度的簡(jiǎn)化，由于整流罩開合部分為對(duì)稱布置，所以僅以一側(cè)整流罩作為研究對(duì)象，并省去了部分次要構(gòu)件，得到圖1所示的起落架收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖。

圖1所示的起落架收放機(jī)構(gòu)的狀態(tài)為起落架收起狀態(tài)。由收放動(dòng)作筒進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，收放機(jī)構(gòu)可以完成單輸入—單輸出的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。起落架放下時(shí)，鉸鏈點(diǎn)C將向下運(yùn)動(dòng)，從而使得構(gòu)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(jī)構(gòu)模型的建立

圖1 某型飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖

UG軟件能夠?qū)?fù)雜曲面和實(shí)體進(jìn)行的三維造型的同時(shí)，還能直觀、準(zhǔn)確的體現(xiàn)各零部件間的裝配關(guān)系。因此，運(yùn)用UG軟件分別建立收放動(dòng)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(guān)系進(jìn)行整機(jī)的裝配，裝配完成后的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型如圖2所示。

1.3 起落架收放運(yùn)動(dòng)分析

起落架收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真是對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，能在三維模型中實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的可視化，并且實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的干涉分析。首先按照?qǐng)D1對(duì)收放機(jī)構(gòu)模型創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副，然后在已經(jīng)定義的B點(diǎn)移動(dòng)副上，定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，并在此運(yùn)動(dòng)副上設(shè)置驅(qū)動(dòng)形式，定義勻速直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)，使得收放動(dòng)作筒的運(yùn)動(dòng)速度為10mm/s，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，進(jìn)而可得出運(yùn)動(dòng)時(shí)間為15.3s。最后，由于收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，多個(gè)構(gòu)件同時(shí)運(yùn)動(dòng)，并伴隨緩沖支柱的舉升、收放動(dòng)作筒的移動(dòng)，空間的運(yùn)動(dòng)相對(duì)較為雜亂，所以需要檢查收放過(guò)程中，檢查各構(gòu)件之間是否存在動(dòng)態(tài)干涉，經(jīng)干涉檢查，飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)各構(gòu)件建模無(wú)誤，各構(gòu)件之間無(wú)干涉。

圖2 飛機(jī)起落架收放機(jī)構(gòu)總體裝配圖

2 收放機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真

在ADAMS軟件中建立起落架收放機(jī)構(gòu)的數(shù)字樣機(jī)，分析其所承受載的載荷，包括起落架承受的氣動(dòng)阻力、起落架質(zhì)量力和慣性力、收放作動(dòng)筒的驅(qū)動(dòng)力和摩擦力等，進(jìn)而給模型加載，分析起落架收放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)性能，以期滿足工程實(shí)際需求。

2.1 仿真環(huán)境設(shè)置

起落架收放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真需要分析其收放運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所承受的載荷，其載荷種類繁多，計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。因此，在ADAMS仿真過(guò)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(gè)多月相安無(wú)事了。有一次，我竟然神奇般地看到放學(xué)站路隊(duì)時(shí)，小鄒和小劉面對(duì)面點(diǎn)了點(diǎn)頭，相視一笑，這可是一年多來(lái)的首次。看到她們有這樣的變化，我懸著的一顆心終于可以放下了。

1）質(zhì)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(jī)構(gòu)各零部件的質(zhì)量力Pm可以通過(guò)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(fēng)速度，10m/s；

Ga——飛機(jī)起飛或者著陸時(shí)的重力，N；

g——重力加速度，9.8m/s2；

L——突風(fēng)強(qiáng)度擴(kuò)散段長(zhǎng)度，30m。

故由式(2)～式(4)可以計(jì)算起落架收放時(shí)的使用過(guò)載，如表1所示。

表1 各構(gòu)件收放時(shí)的使用過(guò)載

2）氣動(dòng)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(dòng)阻力Pa,di可以通過(guò)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(dòng)阻力。其中，圓形截面的緩沖支柱的阻力系數(shù)Cx0隨機(jī)輪寬徑比的變化而變化，按照機(jī)輪寬徑比為0.2選擇Cx0=0.76；機(jī)輪迎面阻力系數(shù)通過(guò)文獻(xiàn)[5]查取，Cxw=0.5；對(duì)于整流罩，按板的阻力系數(shù)計(jì)算，Cxh=1.28。因此，折合成氣動(dòng)力力矩作用在緩沖支柱和整流罩的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副上，可以通過(guò)下式求解：

式中：Padi——各零件氣動(dòng)合力，其值隨收放運(yùn)動(dòng)過(guò)程改變；

bi——各零件氣動(dòng)合力到旋轉(zhuǎn)軸力臂，其值隨收放運(yùn)動(dòng)過(guò)程改變。

在起落架收起的過(guò)程中，整流罩的旋轉(zhuǎn)軸上和緩沖支柱（含機(jī)輪）旋轉(zhuǎn)軸上的氣動(dòng)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(dòng)阻力力矩

3）慣性力：在起落架收放過(guò)程中，由于運(yùn)動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短，故可能出現(xiàn)較大的慣性力。慣性力對(duì)起落架轉(zhuǎn)軸的力矩與各零部件的旋轉(zhuǎn)角加速度的方向相反，其數(shù)值Mg可以通過(guò)下式求解：

式中：J——起落架對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J=mr2；

m——起落架轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量；

r——轉(zhuǎn)動(dòng)部分重心至轉(zhuǎn)軸的距離；

4）摩擦力：在收放作動(dòng)筒上引起的摩擦力fP可以通過(guò)下式求解：

式中 Paa為收放作動(dòng)筒載荷。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)仿真

選擇目前世界上使用范圍最廣的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真軟件——ADAMS軟件對(duì)起落架收放機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析。將UG模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，重新定義約束，包括轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、萬(wàn)向節(jié)和球副。采用多剛體動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程法建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，通過(guò)虛擬樣機(jī)來(lái)模擬起落架收放機(jī)構(gòu)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并加載各作用力：

1）各零件的質(zhì)量屬性和重力加速度由于起落架收放機(jī)構(gòu)各桿件所選用的材料為高強(qiáng)鋼，而輪胎的材料為橡膠，所以設(shè)定各構(gòu)件的材料屬性。然后定義重力加速度的大小和方向。

2）氣動(dòng)阻力：起落架在飛機(jī)正常飛行過(guò)程中，受到的來(lái)自飛機(jī)航向和側(cè)向的氣流阻力，反映了正風(fēng)和側(cè)風(fēng)影響。按照?qǐng)D3中所示曲線添加緩沖支柱和整流罩的氣動(dòng)阻力矩。其中，左右兩側(cè)整流罩所加載的氣動(dòng)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(chǔ)上對(duì)各零部件的慣性力進(jìn)行加載。

4）摩擦力：按照摩擦系數(shù)0.3來(lái)設(shè)置總的摩擦力在收放作動(dòng)筒上引起的附加摩擦力載荷。

設(shè)置起落架收放機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為15.3s，進(jìn)而可以提取整流罩和緩沖支柱的時(shí)變的角位移、角速度和收放作動(dòng)筒的驅(qū)動(dòng)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(guò)程中，緩沖支柱的角位移單調(diào)增大的同時(shí)，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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)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(guān)閉，不與緩沖支柱發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，所以在緩沖支柱收起的過(guò)程中，整流罩先打開，然后再關(guān)閉。如圖4(b)所示，起落架收起過(guò)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(gè)過(guò)程，這是因?yàn)榫彌_支柱收起過(guò)程中先要快速收起，隨著整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程的結(jié)束，角速度逐漸減??；而整流罩在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，對(duì)于其打開的過(guò)程角速度是逐漸減小的，在關(guān)閉的過(guò)程中角速度逐漸增大，隨著整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程的結(jié)束，角速度逐漸減小，符合該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程設(shè)計(jì)要求。如圖4(c)所示，起落架收起過(guò)程中，收放動(dòng)作筒驅(qū)動(dòng)力的三個(gè)波峰和波谷分別出現(xiàn)在艙門從打開狀態(tài)轉(zhuǎn)換為關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn)、緩沖支柱角速度開始減小的時(shí)間點(diǎn)和整流罩角速度開始減小的時(shí)間點(diǎn)，形成了一定的液壓沖擊力。顯然，ADAMS仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)過(guò)程中定性的分析求解在趨勢(shì)上是完全一致的，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性。

3 結(jié)論

應(yīng)用UG軟件建立某型軍用飛機(jī)起落架的參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型，對(duì)起落架收放系統(tǒng)進(jìn)行虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)分析和干涉檢查。進(jìn)而通過(guò)UG軟件和ADAMS軟件的接口，建立ADAMS數(shù)字樣機(jī)，分析起落架所受氣動(dòng)阻力、起落架質(zhì)量力、慣性力、起落架收放作動(dòng)筒載荷的影響，并在ADAMS中給模型加載，模擬各載荷作用，設(shè)置了虛擬仿真環(huán)境參數(shù)，從而通過(guò)仿真分析，得到系統(tǒng)更接近真實(shí)運(yùn)行情況的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性，也為整機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

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