朱敏，劉暉，陳舒文

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院,江蘇 南京，210016)

凹坑路面條件下飛機(jī)地面牽引載荷的仿真分析

朱敏，劉暉，陳舒文

(南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院,江蘇 南京，210016)

為了保證飛機(jī)地面牽引的安全性，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)模擬牽引系統(tǒng)經(jīng)過(guò)地面凹坑時(shí)飛機(jī)牽引載荷的變化，有效的預(yù)測(cè)飛機(jī)經(jīng)過(guò)加油管地溝時(shí)拖把與飛機(jī)連接處牽引載荷和前起落架下阻力臂載荷的變化。基于Catia和Adams軟件，建立了拖車(chē)-飛機(jī)系統(tǒng)模型，結(jié)合Boeing737-800的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析實(shí)驗(yàn)。仿真實(shí)驗(yàn)表明拖把與飛機(jī)連接處牽引載荷和前起落架下阻力臂的受力載荷一般隨著地面凹坑寬度、高度和牽引速度的增大而增大，且經(jīng)過(guò)加油管地溝第二個(gè)邊緣比第一個(gè)邊緣時(shí)下阻力臂與緩沖支柱連接處的載荷變化較大。

安全性；地面凹坑；拖車(chē)-飛機(jī)系統(tǒng)；飛機(jī)牽引載荷

0 引言

飛機(jī)地面牽引技術(shù)[1]主要是涉及牽引裝置和動(dòng)力設(shè)備、飛機(jī)及機(jī)場(chǎng)條件等因素的一門(mén)綜合技術(shù)。由于飛機(jī)牽引載荷受牽引作業(yè)環(huán)境的影響，遇到加油管地溝狀況可能會(huì)出現(xiàn)飛機(jī)牽引載荷超出使用限制的情況，因此，牽引作業(yè)過(guò)程中不可避免會(huì)出現(xiàn)事故，為了盡量減少事故的發(fā)生，要對(duì)牽引車(chē)-飛機(jī)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行正確的預(yù)測(cè)和評(píng)估。為此，虛擬樣機(jī)技術(shù)[2-3]成為界內(nèi)備受關(guān)注的對(duì)象。利用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低成本。

關(guān)于飛機(jī)牽引載荷分析方面，1980年美國(guó)FAA在波士頓Logan機(jī)場(chǎng)、洛杉磯國(guó)際機(jī)場(chǎng)等多個(gè)機(jī)場(chǎng)對(duì)L-1011飛機(jī)的地面牽引載荷進(jìn)行了研究，實(shí)際測(cè)量并記錄了各機(jī)場(chǎng)飛機(jī)牽引過(guò)程的牽引載荷譜，并建立了集中參數(shù)的“飛機(jī)-牽引把-牽引車(chē)”動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)正常牽引過(guò)程的疲勞進(jìn)行評(píng)估[4]。但該研究主要是為了考察飛機(jī)起落架相關(guān)構(gòu)件在延長(zhǎng)牽引距離后的疲勞壽命是否減少，對(duì)非正常牽引狀態(tài)下?tīng)恳d荷未予研究，且模型中引入大量假設(shè)，未考慮相關(guān)構(gòu)件的柔性，存在較大誤差。1986年，Gustavsson等對(duì)飛機(jī)在起飛、著陸、地面滑跑和牽引時(shí)起落架所受載荷進(jìn)行了測(cè)量，所測(cè)牽引載荷也是在正常牽引條件下測(cè)定的[5]。1987年，Radev等人對(duì)飛機(jī)牽引轉(zhuǎn)彎工況的牽引載荷進(jìn)行了研究，并對(duì)冰、雪以及除冰后路面條件下的牽引進(jìn)行研究，為牽引車(chē)的選擇及制動(dòng)性能要求提供標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[6]。

利用Catia和Adams軟件建立牽引車(chē)-飛機(jī)系統(tǒng)并進(jìn)行飛機(jī)牽引載荷的仿真研究，分析牽引系統(tǒng)遇到加油管地溝狀況時(shí)牽引把與飛機(jī)連接處牽引載荷和前起落架下阻力臂受力載荷的變化，解決實(shí)際牽引過(guò)程中碰到的問(wèn)題并給予一定的指導(dǎo)作用。

1 飛機(jī)地面牽引系統(tǒng)建模

1.1Boeing737-800模型

飛機(jī)模型由前起落架、主起落架、機(jī)身等結(jié)構(gòu)組成，各個(gè)部件之間需要運(yùn)用約束關(guān)系建立彼此之間的連接關(guān)系。飛機(jī)輪胎采用Fiala輪胎模型，前起落架輪胎半徑343mm，主起落架輪胎半徑565mm。為了簡(jiǎn)化模型把飛機(jī)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加到質(zhì)心位置，飛機(jī)輸入數(shù)據(jù)如表1所示，飛機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

表1 Boeing737-800輸入數(shù)據(jù)

圖1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 牽引車(chē)模型組成

牽引車(chē)模型主要由車(chē)身、車(chē)輪、前橋、后橋、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等部件組成，各個(gè)部件之間需要運(yùn)用約束關(guān)系建立彼此之間的連接關(guān)系。牽引車(chē)輪胎采用Fiala輪胎模型，輪胎半徑445mm。為了簡(jiǎn)化模型把牽引車(chē)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加到質(zhì)心位置，牽引車(chē)輸入數(shù)據(jù)如表2所示，牽引車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 牽引車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

參數(shù)模塊參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)含義數(shù)值牽引車(chē)輸入質(zhì)量牽引車(chē)質(zhì)量/kg35000質(zhì)心到后輪水平距離牽引車(chē)質(zhì)心到后輪中心水平距離/mm1600質(zhì)心到地面垂直距離牽引車(chē)質(zhì)心到地面垂直距離/mm830轉(zhuǎn)動(dòng)慣量牽引車(chē)x軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·mm28.06E+010牽引車(chē)y軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·mm28.28E+010牽引車(chē)z軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/kg·mm28.18E+010前輪和后輪的距離牽引車(chē)前輪和后輪的水平距離/mm3000前輪之間的距離牽引車(chē)兩前輪之間的水平距離/mm2400插銷(xiāo)釘孔徑牽引車(chē)插銷(xiāo)釘孔徑/mm75.225

1.3 牽引把模型組成

牽引把模型主要由拖鉤(與牽引車(chē)連接)、牽引把本體、牽引把頭(與飛機(jī)牽引銷(xiāo)嚙合)、輪架機(jī)構(gòu)等部件組成，各個(gè)部件之間需要運(yùn)用約束關(guān)系建立彼此之間的連接關(guān)系。牽引把輸入數(shù)據(jù)如表3所示，牽引把模型如圖3所示。

表3 牽引把輸入數(shù)據(jù)

圖3 牽引把模型

1.4 道路模型

由于出現(xiàn)加油管地溝狀況，需要建立3D路面才能滿(mǎn)足要求，以3D凹坑路面文件為例來(lái)說(shuō)明所編制的文件，文件里面的參數(shù)主要設(shè)置三種：1) 單位設(shè)置和路面建模的方法；2) 節(jié)點(diǎn)，表達(dá)三維路面的三角形構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)；3) 元素，表達(dá)節(jié)點(diǎn)的元素?cái)?shù)量。為了更好的表示凹坑路面如圖4所示。

圖4 凹坑路面

1.5 牽引系統(tǒng)模型

應(yīng)用Catia和Adams軟件建立牽引系統(tǒng)模型，按照實(shí)際物理模型的連接關(guān)系，建立各個(gè)部件的動(dòng)力學(xué)連接[7-9]，完成模型建立。每個(gè)子系統(tǒng)模型建立好以后，首先必須分別進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行，直到模型運(yùn)行成功沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤提示，可以按照預(yù)定路徑正常行駛；仿真成功后子系統(tǒng)全都運(yùn)行成功，則把飛機(jī)模型、牽引車(chē)模型、道路模型、牽引把模型等子系統(tǒng)模型通過(guò)約束連接關(guān)系形成牽引系統(tǒng)模型。各個(gè)子系統(tǒng)模型之間的約束連接關(guān)系一定要和實(shí)際的物理模型的連接關(guān)系一致，才能完成整個(gè)牽引系統(tǒng)模型的仿真分析。牽引系統(tǒng)整體模型如圖5所示。

圖5 牽引系統(tǒng)整體模型

2 前起落架輪胎經(jīng)過(guò)地面凹坑時(shí)飛機(jī)牽引載荷的仿真分析

2.1 地面凹坑高度和牽引速度不變時(shí)飛機(jī)牽引載荷分析

當(dāng)加油管地溝高度不變，寬度不同且飛機(jī)前起落架與凹坑較近邊緣距離一樣時(shí)，牽引車(chē)以1300mm/s的速度勻速頂推飛機(jī)，分析牽引把與飛機(jī)連接處和前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷的變化。地面凹坑數(shù)據(jù)如表4所示，分成5組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，仿真時(shí)間40s，仿真分析步數(shù)4000。牽引把與飛機(jī)連接處受力曲線(xiàn)如圖6所示，前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處受力曲線(xiàn)如圖7所示。圖中Force.1，F(xiàn)orce.2，F(xiàn)orce.3，F(xiàn)orce.4，F(xiàn)orce.5分別代表數(shù)據(jù)1、2、3、4、5仿真的受力。

表4 地面凹坑數(shù)據(jù)

圖6 拖把與飛機(jī)連接處受力曲線(xiàn)

圖7 前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處受力曲線(xiàn)

凹坑高度不變，寬度為50mm和100mm時(shí)輪胎沒(méi)有接觸加油管地溝最底端。通過(guò)對(duì)比分析，由圖6可知，輪胎沒(méi)有接觸加油管地溝最底端時(shí)牽引把與飛機(jī)連接處牽引載荷變化幅度不大；輪胎接觸加油管地溝最底端時(shí)牽引把與飛機(jī)連接處飛機(jī)牽引載荷沒(méi)有隨著凹坑寬度的增大而變化顯著，而是飛機(jī)牽引載荷隨著凹坑寬度的增大變化越慢；輪胎由未接觸到接觸加油管地溝最底端過(guò)程中，飛機(jī)牽引載荷隨著凹坑寬度的增大而增大。由圖7可知，沒(méi)有接觸加油管地溝最底端時(shí)前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷變化幅度不大；輪胎接觸加油管地溝最底端時(shí)前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷變化幅度較大，最大值達(dá)到8300N左右；輪胎由未接觸到接觸加油管地溝最底端過(guò)程中，前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷隨著凹坑寬度的增大而增大，且經(jīng)過(guò)加油管地溝第二個(gè)邊緣比第一個(gè)邊緣時(shí)下阻力臂與緩沖支柱連接處的載荷變化較大。

2.2 地面凹坑寬度和牽引速度不變時(shí)飛機(jī)牽引載荷分析

當(dāng)加油管地溝寬度不變，高度不同且飛機(jī)前起落架與凹坑較近邊緣距離一樣時(shí)，拖車(chē)以1300mm/s的速度勻速頂推飛機(jī)，分析拖把與飛機(jī)連接處和前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷的變化。地面凹坑數(shù)據(jù)如表5所示，分成5組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，仿真時(shí)間50s，仿真分析步數(shù)5000。牽引把與飛機(jī)連接處受力曲線(xiàn)如圖8所示，前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處受力曲線(xiàn)如圖9所示。圖中Force.1，F(xiàn)orce.2，F(xiàn)orce.3，F(xiàn)orce.4，F(xiàn)orce.5分別代表數(shù)據(jù)1、2、3、4、5仿真的受力。

表5 地面凹坑數(shù)據(jù)

圖8 牽引把與飛機(jī)連接處受力曲線(xiàn)

圖9 前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處受力曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)比分析，凹坑寬度不變，牽引把與飛機(jī)連接處、前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處的牽引載荷隨著凹坑高度的增大而增大；輪胎同時(shí)經(jīng)過(guò)加油管地溝第一個(gè)邊緣，凹坑高度越大輪胎經(jīng)過(guò)加油管地溝第二個(gè)邊緣的時(shí)間越快，且載荷變化也越快；當(dāng)經(jīng)過(guò)加油管地溝第二個(gè)邊緣比第一個(gè)邊緣時(shí)下阻力臂與緩沖支柱連接處的載荷變化較大；當(dāng)遇到高度30mm凹坑時(shí)牽引把與飛機(jī)連接處和前起落架下阻力臂受力最大。

2.3 地面凹坑高度和寬度不變而牽引速度變化時(shí)飛機(jī)牽引載荷分析

當(dāng)加油管地溝寬度1520mm和高度30mm不變且飛機(jī)前起落架與凹坑較近邊緣距離一樣時(shí)，牽引車(chē)以不同的速度勻速頂推飛機(jī)，分析牽引把與飛機(jī)連接處和前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷的變化。地面凹坑數(shù)據(jù)如表6所示，分成5組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，仿真時(shí)間40s，仿真分析步數(shù)4000。牽引把與飛機(jī)連接處受力曲線(xiàn)如圖10所示，前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處受力曲線(xiàn)如圖11所示。圖中Force.1，F(xiàn)orce.2，F(xiàn)orce.3，F(xiàn)orce.4，F(xiàn)orce.5分別代表數(shù)據(jù)1、2、3、4、5仿真的受力。

表6 地面凹坑數(shù)據(jù)

圖10 牽引把與飛機(jī)連接處受力曲線(xiàn)

圖11 前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處受力曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)比分析，當(dāng)凹坑高度和寬度不變時(shí)，牽引把與飛機(jī)連接處牽引載荷和前起落架下阻力臂與緩沖支柱連接處載荷隨著牽引速度的增大而變化越快即速度越大遇到凹坑時(shí)載荷首先突變；當(dāng)經(jīng)過(guò)加油管地溝第二個(gè)邊緣比第一個(gè)邊緣時(shí)下阻力臂與緩沖支柱連接處的載荷變化較大。

3 總結(jié)

本文基于Catia和Adams軟件，建立了牽引車(chē)-飛機(jī)系統(tǒng)模型并進(jìn)行飛機(jī)牽引載荷的仿真研究。結(jié)果表明，牽引把與飛機(jī)連接處牽引載荷和前起落架下阻力臂的受力載荷一般隨著地面凹坑寬度、高度和牽引速度的增大而增大；且經(jīng)過(guò)加油管地溝第二個(gè)邊緣比第一個(gè)邊緣時(shí)下阻力臂與緩沖支柱連接處的載荷變化較大。由于沒(méi)有考慮到牽引過(guò)程中牽引把與牽引車(chē)、牽引把與飛機(jī)的撞擊產(chǎn)生的沖擊力，飛機(jī)牽引載荷在允許的載荷范圍內(nèi)。在以后的研究中要考慮其他因素產(chǎn)生的力給飛機(jī)牽引載荷帶來(lái)的影響。

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Simulation Analysis of Aircraft Ground Traction Load Under Pit Road Conditions

ZHU Min,LIU Hui,CHEN Shu-wen

(School of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China)

In order to ensure the safety of the aircraft ground traction,this paper uses the virtual prototype technology to simulate the changes of aircraft traction load of the traction system through ground pits and effectively predic the changes of towbar and aircraft connection traction load and nose landing gear down resistance arm load when aircraft passes the gas pipe trench.Base on Catia and Adams software, it also establishes the tractor-aircraft system model and carries out the simulation experiment combined with the practical data of Boeing 737-800. This experiment shows that towbar and aircraft connection traction load and nose landing gear down resistance arm load can increase with the pit width,height and traction speed,and down resistance arm and damper strut connection load fluctuation is larger passing the gas pipe trench second edge than first edge.

safety; pit road; tractor-aircraft system; aircraft traction load

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)與中國(guó)民用航空局聯(lián)合資助項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：U1233104)

朱敏(1985-),女,山東泰安人，碩士研究生,研究方向?yàn)楹娇掌鬟\(yùn)行品質(zhì)仿真與分析。

TP391.9

A

1671-5276(2014)02-0094-05

2013-01-28