艦載機(jī)起落架多體動力學(xué)剛?cè)狁詈戏抡娣治?/h1>
2017-05-27 16:19:52何磊滕英元
中國科技縱橫 2016年22期 關(guān)鍵詞：起落架
何磊++滕英元
【摘 要】本文提出一種動力學(xué)與有限元相結(jié)合的剛?cè)狁詈戏抡娼７椒?，研究艦載機(jī)著艦落震過程中的受力規(guī)律，利用CATIA、ANSYS、ADAMS在不同工況下對艦載機(jī)機(jī)體和起落架進(jìn)行仿真分析，仿真模型更真實(shí)地反映了艦載機(jī)著艦落震過程的動力學(xué)問題及影響因素，進(jìn)一步優(yōu)化了緩沖器摩擦力與活塞桿和外筒間的相對剛度，以及在偏心、偏航等惡劣工況下，艦載機(jī)著艦落震過程的仿真模擬，仿真結(jié)果分析驗(yàn)證了模型的有效性和優(yōu)越性，提高了計(jì)算精度，可為艦載機(jī)起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠參考。
【關(guān)鍵詞】起落架 剛?cè)狁詈戏抡?艦載機(jī) 落震
【Abstract】 This paper proposes a modeling method of rigid flexible coupling dynamics and finite element method combined with the research of aircraft landing drop in the process of the law， in the different working conditions of the aircraft airframe and landing gear is analyzed and simulated by using CATIA， ANSYS， ADAMS， simulation model to reflect the aircraft dynamics factors the problem of ship drop process and influence， further optimization of the buffer friction between the piston rod and the outer tube of the relative stiffness， as well as the eccentricity， yaw and other harsh conditions， the aircraft with the simulation of ship drop process， simulation results validity and superiority of the model is verified， the calculation precision is improved and can provide a reliable reference for the design of aircraft landing gear structure.
【Keywords】 landing gear； dynamic simulation； joint simulation； carrier based aircraft； drop test； finite element
1 引言
起落架是飛機(jī)起飛和著陸功能的主要裝置，更是艦載機(jī)安全飛行和作戰(zhàn)的關(guān)鍵部件，起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在艦載機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)過程中有著重要的地位，是起落架設(shè)計(jì)和分析中的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)[1-2]，而固定翼艦載機(jī)的整機(jī)落震又是飛機(jī)設(shè)計(jì)和研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常，艦載機(jī)通過在試驗(yàn)室實(shí)施的全尺寸整機(jī)落震仿真試驗(yàn)，校核飛機(jī)在各邊界著艦條件下的強(qiáng)度。如Daughetee[3]完成了艦載機(jī)落震試驗(yàn)及起落架動力學(xué)測試性能試驗(yàn)；史海文、張大千[4]等研究了在落震試驗(yàn)中起落架起轉(zhuǎn)和回彈過程載荷對過載的影響；吳大方、趙星[5]等設(shè)計(jì)測量了飛機(jī)起落架落震試驗(yàn)中機(jī)輪水平?jīng)_擊載荷的方法，為生產(chǎn)制造提供重要的依據(jù)和條件。
艦載機(jī)落震是航母艦載機(jī)研究的重中之重。國內(nèi)外有關(guān)艦載機(jī)起落架落震仿真模擬過程中，大多將機(jī)體處理為剛體，通過大型分析仿真軟件分析艦載機(jī)落震過程或直接建立起落架的動力學(xué)模型，求解艦載機(jī)的動力學(xué)響應(yīng)結(jié)果。如魏小輝以艦載機(jī)為研究對象，基于ADAMS建立起落架仿真模型，并重點(diǎn)進(jìn)行了起落架緩沖器卡滯動態(tài)臨界摩擦探究[6-7]；劉志強(qiáng)、劉文芝[8]等人基于ADAMS進(jìn)行了多層剛?cè)狍w耦合約束建模技術(shù)研究。限于試驗(yàn)條件和國防要求的限制，對于整機(jī)模型以及整機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷耐暾囼?yàn)和仿真很少。
本文根據(jù)參數(shù)化建模原理，參考某型號艦載機(jī)，在CATIA中建立起艦載機(jī)的整機(jī)三維模型，保留了飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，并簡化不必要的細(xì)節(jié)；其后使用ANSYS有限元軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，優(yōu)化建模數(shù)據(jù)參數(shù)。再通過ADAMS建立起落架動力學(xué)有限元模型，將機(jī)翼、后機(jī)身、尾翼、起落架搖臂、輪胎等處理成柔性體，機(jī)體其他部分處理為剛體。通過ADAMS模擬艦載機(jī)著艦過程，考慮著艦航母本身不同的運(yùn)動狀態(tài)、艦載機(jī)不同著艦速度等不同工況下，對艦載機(jī)機(jī)身的過載、航母攔阻索承受的最大拉力、艦載機(jī)的滑跑距離、起落架主要部件的載荷及卡滯現(xiàn)象等進(jìn)行分析。
2 艦載機(jī)起落架多體動力學(xué)剛?cè)狁詈辖?/p>
為考慮實(shí)際多體機(jī)械系統(tǒng)中具有較多較大的柔性構(gòu)件的彈性變形對系統(tǒng)運(yùn)動的影響，ADMS中提供了柔性體模塊 ADAMS/Flex。該模塊要求柔性體采用修正的動態(tài)子結(jié)構(gòu)Craig-Bampton方法，用模態(tài)展開法描述柔性體的彈性變形[9]。
2.1 艦載機(jī)整機(jī)落震受力分析
根據(jù)實(shí)際的著艦過程，分別建立歐拉運(yùn)動學(xué)方程和動力學(xué)方程。
2.1.1 整機(jī)運(yùn)動學(xué)方程
運(yùn)用歐拉運(yùn)動學(xué)描述，很容易建立整機(jī)運(yùn)動學(xué)方程，用方程（1）表示。
（1）
其中，艦載機(jī)的傾斜角為γ，偏航角為φ俯仰角為θ， 式子中是艦載機(jī)角速度沿著X，Y，Z軸的分量。
2.1.2 整機(jī)平動方程
將整機(jī)的動系和定系間的相對運(yùn)動表示為方程（2）的整機(jī)平動方程。
（2）
其中，為動系到定系的轉(zhuǎn)置矩陣
式中g(shù)為重力加速度；為起落架彈性部件總質(zhì)量；和為X和Y方向上的氣動力；為右（左）發(fā)動機(jī)推力；為發(fā)機(jī)推力矢量與側(cè)平面的夾角。
2.1.3 整機(jī)落震動力學(xué)及轉(zhuǎn)動方程
依據(jù)動力學(xué)方程，建立整機(jī)落震動力學(xué)方程，表示為方程（3）。
…（3）
式中：、、表示整機(jī)落震時的三維的角速度；、、表示整機(jī)落震時在動力學(xué)方程中三維的慣性矩，是整機(jī)落震時在動力學(xué)方程中的慣性矩的慣性積；為合外力矩向量在整機(jī)落震時在動力學(xué)方程中的表示。
2.2 艦載機(jī)起落架參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和模型的建立
主起落架模型用CATIAV5R20建立，并將其模型保存為ADAMS 所需的CMD格式[12]，在ADAMS環(huán)境下直接導(dǎo)入，進(jìn)行模擬仿真。根據(jù)前起落架三維數(shù)模及各部件間的運(yùn)動關(guān)系，運(yùn)用ADMS動力學(xué)仿真軟件建立前起落架動力學(xué)模型。由于該模型主要用于計(jì)算起落架收放載荷，模型中筒體、活塞桿、作動筒、抗扭臂、輪叉、機(jī)輪可固結(jié)為一個整體，其他部分可忽略不計(jì)，模型中只需要定義收放作動筒、斜撐桿、筒體和轉(zhuǎn)軸之間的運(yùn)動約束。根據(jù)前起落架受力過程中各部件間的運(yùn)動關(guān)系建立的模型約束如下：收放筒的外筒與萬向接頭用轉(zhuǎn)動副連接，萬向接頭與機(jī)體間用轉(zhuǎn)動副連接，收放作動筒活塞桿端頭與轉(zhuǎn)軸螺栓用轉(zhuǎn)動副連接，轉(zhuǎn)軸螺栓與接頭用轉(zhuǎn)動副連接，接頭與上撐桿用固定副連接，收放作動筒外筒與活塞桿用滑動副連接，上撐桿與機(jī)體用轉(zhuǎn)動副連接，上、下?lián)螚U間用轉(zhuǎn)動副連接，下?lián)螚U與筒體用轉(zhuǎn)動副連接，筒體與機(jī)體間用轉(zhuǎn)動副連接。
3 計(jì)算結(jié)果和分析
與陸地起降對比，艦載機(jī)起降、飛行環(huán)境惡劣，各種工況極為復(fù)雜，著艦時起落架的載荷較大，并且會受到攔阻力的影響。這就對飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及飛機(jī)上各主承力部件的抗疲勞性提出更高要求。航母的縱向和橫向擺動對艦載機(jī)著艦影響最大，所以這里僅對縱向和橫向兩種情況分別加以分析。表1給出了艦載機(jī)著艦各種工況的仿真數(shù)據(jù)比較。
并依據(jù)傳統(tǒng)二質(zhì)量落震動力學(xué)建模方法，使用已經(jīng)建立好的主起落架的動力學(xué)分析模型，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，落震動力學(xué)響應(yīng)曲線如圖1所示。
圖1中狀態(tài)點(diǎn)A表示的是緩沖器啟動時刻、B表示的是活塞桿和外筒加速度為0的時刻、C 表示的是正反行程交替變換時刻。從圖中還可以分析出，當(dāng)緩沖器在壓縮過程中活塞桿的加速度開始改變，依據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊提供的動態(tài)臨界摩擦分析方法緩沖器將會在B時刻出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。不僅如此，當(dāng)艦載機(jī)在航母著艦穩(wěn)定后在緩沖器的靜態(tài)平衡位置區(qū)域也可能會發(fā)生卡滯現(xiàn)象。
4 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)
根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求利用ANSYS前處理過程的結(jié)果，再使用ADAMS的求解模塊和后處理功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以緩沖器初始壓力、油液腔橫截面積和油針頂端截面和低端截面半徑為設(shè)計(jì)參數(shù)， 以起落架實(shí)際載荷為核心函數(shù)，經(jīng)過多次逐次逼近迭代運(yùn)算，最終找到本次試驗(yàn)中最為合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)果如表2所示。
5 結(jié)語
本文建立包含機(jī)身在內(nèi)的主起落架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真模型，在三種不同工況下，對艦載機(jī)整機(jī)和主起落架系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與分析，完成了整機(jī)狀態(tài)下起落架的落震仿真計(jì)算與分析。
（1）相比于傳統(tǒng)的起落架設(shè)計(jì)，剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ途哂锌梢暬潭雀?，通用性和針對性?qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了起落架設(shè)計(jì)和分析一體化的先進(jìn)技術(shù)，避免了純多剛體簡化的不足，更真實(shí)反映艦載機(jī)的著艦過程，提高了計(jì)算精度和準(zhǔn)確度。
（2）仿真結(jié)果表明：當(dāng)考慮支柱結(jié)構(gòu)剛度時，在偏航著陸工況和機(jī)尾下沉回彈工況下，緩沖器摩擦力增加約4倍，存在發(fā)生卡滯的可能；飛機(jī)的載荷行程曲線受航向速度的影響很大，而著艦航母平臺的運(yùn)動對于起落架載荷、重心的過載和機(jī)翼處響應(yīng)都會有很大影響。
（3）在不同的工況下，本文優(yōu)化了緩沖器摩擦力與活塞桿和外筒的相對剛度，當(dāng)適當(dāng)改變活塞桿和外筒的剛度，使其相互匹配，可以降低緩沖器的摩擦力，并提高艦載機(jī)在不同工況下的落震安全性能。
參考文獻(xiàn)：
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【關(guān)鍵詞】起落架 剛?cè)狁詈戏抡?艦載機(jī) 落震
【Abstract】 This paper proposes a modeling method of rigid flexible coupling dynamics and finite element method combined with the research of aircraft landing drop in the process of the law， in the different working conditions of the aircraft airframe and landing gear is analyzed and simulated by using CATIA， ANSYS， ADAMS， simulation model to reflect the aircraft dynamics factors the problem of ship drop process and influence， further optimization of the buffer friction between the piston rod and the outer tube of the relative stiffness， as well as the eccentricity， yaw and other harsh conditions， the aircraft with the simulation of ship drop process， simulation results validity and superiority of the model is verified， the calculation precision is improved and can provide a reliable reference for the design of aircraft landing gear structure.
【Keywords】 landing gear； dynamic simulation； joint simulation； carrier based aircraft； drop test； finite element
1 引言
起落架是飛機(jī)起飛和著陸功能的主要裝置，更是艦載機(jī)安全飛行和作戰(zhàn)的關(guān)鍵部件，起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在艦載機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)過程中有著重要的地位，是起落架設(shè)計(jì)和分析中的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)[1-2]，而固定翼艦載機(jī)的整機(jī)落震又是飛機(jī)設(shè)計(jì)和研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。通常，艦載機(jī)通過在試驗(yàn)室實(shí)施的全尺寸整機(jī)落震仿真試驗(yàn)，校核飛機(jī)在各邊界著艦條件下的強(qiáng)度。如Daughetee[3]完成了艦載機(jī)落震試驗(yàn)及起落架動力學(xué)測試性能試驗(yàn)；史海文、張大千[4]等研究了在落震試驗(yàn)中起落架起轉(zhuǎn)和回彈過程載荷對過載的影響；吳大方、趙星[5]等設(shè)計(jì)測量了飛機(jī)起落架落震試驗(yàn)中機(jī)輪水平?jīng)_擊載荷的方法，為生產(chǎn)制造提供重要的依據(jù)和條件。
艦載機(jī)落震是航母艦載機(jī)研究的重中之重。國內(nèi)外有關(guān)艦載機(jī)起落架落震仿真模擬過程中，大多將機(jī)體處理為剛體，通過大型分析仿真軟件分析艦載機(jī)落震過程或直接建立起落架的動力學(xué)模型，求解艦載機(jī)的動力學(xué)響應(yīng)結(jié)果。如魏小輝以艦載機(jī)為研究對象，基于ADAMS建立起落架仿真模型，并重點(diǎn)進(jìn)行了起落架緩沖器卡滯動態(tài)臨界摩擦探究[6-7]；劉志強(qiáng)、劉文芝[8]等人基于ADAMS進(jìn)行了多層剛?cè)狍w耦合約束建模技術(shù)研究。限于試驗(yàn)條件和國防要求的限制，對于整機(jī)模型以及整機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ偷耐暾囼?yàn)和仿真很少。
本文根據(jù)參數(shù)化建模原理，參考某型號艦載機(jī)，在CATIA中建立起艦載機(jī)的整機(jī)三維模型，保留了飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，并簡化不必要的細(xì)節(jié)；其后使用ANSYS有限元軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，優(yōu)化建模數(shù)據(jù)參數(shù)。再通過ADAMS建立起落架動力學(xué)有限元模型，將機(jī)翼、后機(jī)身、尾翼、起落架搖臂、輪胎等處理成柔性體，機(jī)體其他部分處理為剛體。通過ADAMS模擬艦載機(jī)著艦過程，考慮著艦航母本身不同的運(yùn)動狀態(tài)、艦載機(jī)不同著艦速度等不同工況下，對艦載機(jī)機(jī)身的過載、航母攔阻索承受的最大拉力、艦載機(jī)的滑跑距離、起落架主要部件的載荷及卡滯現(xiàn)象等進(jìn)行分析。
2 艦載機(jī)起落架多體動力學(xué)剛?cè)狁詈辖?/p>
為考慮實(shí)際多體機(jī)械系統(tǒng)中具有較多較大的柔性構(gòu)件的彈性變形對系統(tǒng)運(yùn)動的影響，ADMS中提供了柔性體模塊 ADAMS/Flex。該模塊要求柔性體采用修正的動態(tài)子結(jié)構(gòu)Craig-Bampton方法，用模態(tài)展開法描述柔性體的彈性變形[9]。
2.1 艦載機(jī)整機(jī)落震受力分析
根據(jù)實(shí)際的著艦過程，分別建立歐拉運(yùn)動學(xué)方程和動力學(xué)方程。
2.1.1 整機(jī)運(yùn)動學(xué)方程
運(yùn)用歐拉運(yùn)動學(xué)描述，很容易建立整機(jī)運(yùn)動學(xué)方程，用方程（1）表示。
（1）
其中，艦載機(jī)的傾斜角為γ，偏航角為φ俯仰角為θ， 式子中是艦載機(jī)角速度沿著X，Y，Z軸的分量。
2.1.2 整機(jī)平動方程
將整機(jī)的動系和定系間的相對運(yùn)動表示為方程（2）的整機(jī)平動方程。
（2）
其中，為動系到定系的轉(zhuǎn)置矩陣
式中g(shù)為重力加速度；為起落架彈性部件總質(zhì)量；和為X和Y方向上的氣動力；為右（左）發(fā)動機(jī)推力；為發(fā)機(jī)推力矢量與側(cè)平面的夾角。
2.1.3 整機(jī)落震動力學(xué)及轉(zhuǎn)動方程
依據(jù)動力學(xué)方程，建立整機(jī)落震動力學(xué)方程，表示為方程（3）。
…（3）
式中：、、表示整機(jī)落震時的三維的角速度；、、表示整機(jī)落震時在動力學(xué)方程中三維的慣性矩，是整機(jī)落震時在動力學(xué)方程中的慣性矩的慣性積；為合外力矩向量在整機(jī)落震時在動力學(xué)方程中的表示。
2.2 艦載機(jī)起落架參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和模型的建立
主起落架模型用CATIAV5R20建立，并將其模型保存為ADAMS 所需的CMD格式[12]，在ADAMS環(huán)境下直接導(dǎo)入，進(jìn)行模擬仿真。根據(jù)前起落架三維數(shù)模及各部件間的運(yùn)動關(guān)系，運(yùn)用ADMS動力學(xué)仿真軟件建立前起落架動力學(xué)模型。由于該模型主要用于計(jì)算起落架收放載荷，模型中筒體、活塞桿、作動筒、抗扭臂、輪叉、機(jī)輪可固結(jié)為一個整體，其他部分可忽略不計(jì)，模型中只需要定義收放作動筒、斜撐桿、筒體和轉(zhuǎn)軸之間的運(yùn)動約束。根據(jù)前起落架受力過程中各部件間的運(yùn)動關(guān)系建立的模型約束如下：收放筒的外筒與萬向接頭用轉(zhuǎn)動副連接，萬向接頭與機(jī)體間用轉(zhuǎn)動副連接，收放作動筒活塞桿端頭與轉(zhuǎn)軸螺栓用轉(zhuǎn)動副連接，轉(zhuǎn)軸螺栓與接頭用轉(zhuǎn)動副連接，接頭與上撐桿用固定副連接，收放作動筒外筒與活塞桿用滑動副連接，上撐桿與機(jī)體用轉(zhuǎn)動副連接，上、下?lián)螚U間用轉(zhuǎn)動副連接，下?lián)螚U與筒體用轉(zhuǎn)動副連接，筒體與機(jī)體間用轉(zhuǎn)動副連接。
3 計(jì)算結(jié)果和分析
與陸地起降對比，艦載機(jī)起降、飛行環(huán)境惡劣，各種工況極為復(fù)雜，著艦時起落架的載荷較大，并且會受到攔阻力的影響。這就對飛機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及飛機(jī)上各主承力部件的抗疲勞性提出更高要求。航母的縱向和橫向擺動對艦載機(jī)著艦影響最大，所以這里僅對縱向和橫向兩種情況分別加以分析。表1給出了艦載機(jī)著艦各種工況的仿真數(shù)據(jù)比較。
并依據(jù)傳統(tǒng)二質(zhì)量落震動力學(xué)建模方法，使用已經(jīng)建立好的主起落架的動力學(xué)分析模型，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，落震動力學(xué)響應(yīng)曲線如圖1所示。
圖1中狀態(tài)點(diǎn)A表示的是緩沖器啟動時刻、B表示的是活塞桿和外筒加速度為0的時刻、C 表示的是正反行程交替變換時刻。從圖中還可以分析出，當(dāng)緩沖器在壓縮過程中活塞桿的加速度開始改變，依據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊提供的動態(tài)臨界摩擦分析方法緩沖器將會在B時刻出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。不僅如此，當(dāng)艦載機(jī)在航母著艦穩(wěn)定后在緩沖器的靜態(tài)平衡位置區(qū)域也可能會發(fā)生卡滯現(xiàn)象。
4 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)
根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求利用ANSYS前處理過程的結(jié)果，再使用ADAMS的求解模塊和后處理功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以緩沖器初始壓力、油液腔橫截面積和油針頂端截面和低端截面半徑為設(shè)計(jì)參數(shù)， 以起落架實(shí)際載荷為核心函數(shù)，經(jīng)過多次逐次逼近迭代運(yùn)算，最終找到本次試驗(yàn)中最為合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)果如表2所示。
5 結(jié)語
本文建立包含機(jī)身在內(nèi)的主起落架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真模型，在三種不同工況下，對艦載機(jī)整機(jī)和主起落架系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與分析，完成了整機(jī)狀態(tài)下起落架的落震仿真計(jì)算與分析。
（1）相比于傳統(tǒng)的起落架設(shè)計(jì)，剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ途哂锌梢暬潭雀?，通用性和針對性?qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了起落架設(shè)計(jì)和分析一體化的先進(jìn)技術(shù)，避免了純多剛體簡化的不足，更真實(shí)反映艦載機(jī)的著艦過程，提高了計(jì)算精度和準(zhǔn)確度。
（2）仿真結(jié)果表明：當(dāng)考慮支柱結(jié)構(gòu)剛度時，在偏航著陸工況和機(jī)尾下沉回彈工況下，緩沖器摩擦力增加約4倍，存在發(fā)生卡滯的可能；飛機(jī)的載荷行程曲線受航向速度的影響很大，而著艦航母平臺的運(yùn)動對于起落架載荷、重心的過載和機(jī)翼處響應(yīng)都會有很大影響。
（3）在不同的工況下，本文優(yōu)化了緩沖器摩擦力與活塞桿和外筒的相對剛度，當(dāng)適當(dāng)改變活塞桿和外筒的剛度，使其相互匹配，可以降低緩沖器的摩擦力，并提高艦載機(jī)在不同工況下的落震安全性能。
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