何 磊

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，合肥 230011)

0 引言

飛機(jī)起落架是確保飛機(jī)能夠安全起飛和著陸的關(guān)鍵裝置，同樣也是艦載機(jī)能夠安全飛行和執(zhí)行任務(wù)的重要部件。在對艦載機(jī)起落架進(jìn)行設(shè)計的過程中，必須要解決一個非常關(guān)鍵的問題，就是艦載機(jī)起落架的擺振問題。所謂的起落架擺振簡單來說就是：艦載機(jī)落地起落架的前輪或后輪在跑道上進(jìn)行滑動時，會偏離起落架的飛機(jī)輪中立位置，同時在側(cè)向和扭轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的相互耦合運(yùn)動的振動現(xiàn)象[1]。擺振現(xiàn)象是非常普遍的一種現(xiàn)象，包括汽車的前輪在運(yùn)動過程中都有可能出現(xiàn)不同程度的擺振現(xiàn)象，由于艦載機(jī)起落架獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，所以擺振現(xiàn)象對艦載機(jī)的飛行安全性有非常大的危害[2]。

國內(nèi)針對艦載機(jī)起落架的研究起初主要是學(xué)習(xí)和發(fā)展國外的技術(shù)。在這個基礎(chǔ)上我國國內(nèi)的學(xué)者也開始對艦載機(jī)的擺振現(xiàn)象進(jìn)行深入的研究，并在艦載機(jī)擺振方面做出了很大的貢獻(xiàn)，也研究出了多種分析方法，能有效緩解一部分民用飛機(jī)存在的擺振穩(wěn)定性問題。然而針對目前國內(nèi)執(zhí)行眾多任務(wù)的艦載機(jī)而言還存在嚴(yán)重的擺振問題[3]，至今還不能徹底解除艦載機(jī)的擺振現(xiàn)象。國外學(xué)者對于飛機(jī)機(jī)構(gòu)擺振穩(wěn)定性的相關(guān)研究進(jìn)行了充足的理論分析以及眾多實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)而在飛機(jī)擺振穩(wěn)定性方面產(chǎn)生了大量的文獻(xiàn)。在針對擺振性的研究方面，國內(nèi)和國外的研究是類似的，都出現(xiàn)了各種不同的分析以及實(shí)驗(yàn)方法，都在不斷地優(yōu)化減震性能的問題，至今均不能徹底解決飛機(jī)起落架擺振穩(wěn)定性的問題。

本文主要采用目前運(yùn)用比較廣泛的多體動力學(xué)仿真軟件——CATIA進(jìn)行艦載機(jī)的零件建模操作。在模型建好之后，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對擺振進(jìn)行仿真研究，結(jié)合相關(guān)的關(guān)于艦載機(jī)的擺振穩(wěn)定性的例文分析和相關(guān)的材料文獻(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證，能夠?yàn)橐院筢槍μ岣吲炤d機(jī)起落架安全性能和穩(wěn)定性能方面的后續(xù)研究工作提供理論參考。

1 擺振動力學(xué)模型的建立

1.1 坐標(biāo)系定義

為了得到更為真實(shí)和準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，建立了一個非常簡單的非線性數(shù)學(xué)模型，這個模型涵蓋了一些主要的與艦載機(jī)起落架擺振性相關(guān)的各種零部件，包括艦載機(jī)起落架支柱的扭轉(zhuǎn)特性和輪胎的彈性側(cè)向特性與艦載機(jī)起落架的受力狀態(tài)[4-5]，其受力分析如圖1所示。

本文采用的是二階近似的張線理論建立輪胎的力學(xué)理論模型，如圖2所示。

圖1 前起落架的結(jié)構(gòu)示意

α.前輪圍繞旋轉(zhuǎn)軸軸線的側(cè)向轉(zhuǎn)動；Lg.前輪幾何穩(wěn)定的距離；V.飛機(jī)在跑道上的滑跑速度；θs.前輪的擺動角度；y0.輪胎接觸地面中心點(diǎn)的側(cè)向偏移圖2 二階近似的張線理論

1.2 基于ADAMS的剛—柔耦合多體系統(tǒng)動力學(xué)方程

綜上所述，最后總結(jié)推導(dǎo)出基于ADAMS的剛—柔耦合多體系統(tǒng)動力學(xué)方程。在艦載機(jī)系統(tǒng)和起落架系統(tǒng)中，每個零部件均具有5個變量和方程。

變量：

(1)

方程：

(2)

基于ADAMS的剛—柔耦合多體系統(tǒng)動力學(xué)方程：

本文主要研究艦載機(jī)的前起落架，由于艦載機(jī)前起落架的結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，對強(qiáng)度的要求特別高，對艦載機(jī)起落架的結(jié)構(gòu)關(guān)系與各構(gòu)件之間的連接關(guān)系分析后，將艦載機(jī)起落架系統(tǒng)的零部件進(jìn)行了簡化。

對于艦載機(jī)起落架的裝配設(shè)計環(huán)節(jié)，運(yùn)用的是從上往下的裝配方式，當(dāng)然，在艦載機(jī)起落架的裝配過程中必須經(jīng)過不停的修改，從而消除零件裝配之間的誤差，直至裝配的艦載機(jī)起落架符合要求。

2 基于ADAMS的艦載機(jī)起落架擺陣穩(wěn)定性仿真分析

2.1 艦載機(jī)起落架的擺振穩(wěn)定性分析

艦載機(jī)在起飛、降落過程中在地面跑道上進(jìn)行滑行時，造成艦載機(jī)起落架產(chǎn)生擺振現(xiàn)象的因素是多個方面的，包括非線性因素和自由度的復(fù)雜系統(tǒng)。建立一個完整的起落架動力學(xué)模型，正確地表述起落架在行進(jìn)過程中的各個運(yùn)動與受力的關(guān)系，是確保起落架在整個動力學(xué)分析中的準(zhǔn)確性的重要因素之一[6]。其次，對艦載機(jī)起落架的支柱結(jié)構(gòu)變形與輪胎的力學(xué)性能進(jìn)行分析也是尤為重要的。起落架在落地時產(chǎn)生的緩沖和漂浮，相對于艦載機(jī)起落架的擺振性影響較小[7]，可以忽略。本文主要是針對引起艦載機(jī)起落架擺振性的主要原因進(jìn)行分析，這對于艦載機(jī)起落架的分析尤為重要。

本節(jié)從研究艦載機(jī)擺振穩(wěn)定性的動力系統(tǒng)出發(fā)，對艦載機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行了深刻的分析。

2.2 艦載機(jī)起落架的分析模型

艦載機(jī)起落架關(guān)鍵部件的有限元分析，本文選取了起落架扭力臂和支柱進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分和靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，如圖3～4所示，分析結(jié)果顯示起落架關(guān)鍵受力部件安全適用。

圖3 起落架扭力矩網(wǎng)格的劃分

圖4 起落架升桿網(wǎng)格的劃分

3 基于ADAMS的艦載機(jī)起落架擺陣穩(wěn)定性仿真分析

在CATIA中建立起艦載機(jī)起落架的三維模型，然后導(dǎo)入到ADAMS中去，進(jìn)而進(jìn)行擺振穩(wěn)定性分析，再給建立好的模型一個起始偏轉(zhuǎn)角，再不斷地增加輪胎的剛度值，最后結(jié)合數(shù)據(jù)得出輪胎剛度值不同情況下的艦載機(jī)起落架的擺振分析。圖5～7顯示的是當(dāng)艦載機(jī)著艦速度為30 m/s時，不同輪胎剛度所對應(yīng)的時間響應(yīng)曲線；圖8～10顯示的是當(dāng)艦載機(jī)著艦速度為30 m/s時，起落架擺振所對應(yīng)的時間響應(yīng)曲線。

圖5 在輪胎較低剛度下起落架的擺振分析結(jié)果

圖6 在輪胎中等剛度下起落架的擺振分析結(jié)果

圖7 在輪胎高等剛度下起落架的擺振分析結(jié)果

圖8 起落架擺振等幅擺振

圖9 起落架收斂擺振

圖10 起落架發(fā)散擺振

根據(jù)上面不同剛度下3個輪胎起落架的擺振分析結(jié)果可以得出初步結(jié)論，即輪胎的剛度越大，起落架的擺振角就越大，從這點(diǎn)我們可以看出輪胎的剛度對于擺振角的影響是非常巨大的，也是非常關(guān)鍵的。

經(jīng)過實(shí)際的論證，即艦載機(jī)起落架在逐漸變大的輪胎剛度下，起落架會逐漸地開始進(jìn)行幅度相等的擺振，在進(jìn)入一定時間地收斂之后，擺振會逐漸地平穩(wěn)下來[9]，可是當(dāng)我們再一次把輪胎的剛度增大時，起落架的擺振又逐漸變大。

4 對艦載機(jī)起落架模型的擺振仿真結(jié)果分析

根據(jù)上面對輪胎不同剛度情況下的起落架擺振仿真結(jié)果分析可以看出以下的結(jié)論：在艦載機(jī)起落架輪胎剛度較低的情況下，由于起落架支柱的原因，即起落架支柱的剛度較大，而輪胎的剛度不足的時候，隨著我們逐步增加輪胎的剛度，起落架的擺振性越來越大，會處于一種發(fā)散的狀態(tài)，直至最后趨于一個等幅度的擺振效果；但是如果一直逐漸增加起落架輪胎的剛度，這樣會使起落架支架的剛度相對于輪胎的剛度越來越小，機(jī)輪也將發(fā)生擺振，此時擺振收斂又會慢慢發(fā)散，而當(dāng)輪胎剛度足夠大的時候，艦載機(jī)起落架的機(jī)輪擺振就會逐漸衰減，進(jìn)入一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

5 結(jié)語

本研究建立了支柱的耦合角度，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)和側(cè)擺的柔性模型，并結(jié)合剛?cè)狁詈侠碚撗芯苛溯喬サ鸟詈舷禂?shù)和地面作用特性，根據(jù)動力學(xué)原理，建立了航母艦載機(jī)前起落架的擺振動力學(xué)方程。并完成了CATIA 3D建模、ANSYS有限元仿真分析和ADAMS動力學(xué)仿真分析的數(shù)字樣機(jī)模型。對比了起落架輪胎的剛度、阻尼材料參數(shù)的吸振減振效果，得到了不同阻尼模式和不同承載條件下的扭轉(zhuǎn)、側(cè)坡自由度、應(yīng)力變化的時間響應(yīng)曲線。比較了各種吸振阻尼材料在剛?cè)狁詈献饔孟碌挠绊?，以及相互組合后的材料對阻尼吸振器的影響。研究結(jié)果顯示，航母艦載機(jī)飛行器的仿真效果平穩(wěn)、無振動。線性吸振阻尼和方形吸振阻尼具有更好的阻尼吸振效果，可以更快地吸收和耗散擺振的振動能量，從而不會產(chǎn)生過大的阻尼扭矩，并有助于擺振分析和防擺設(shè)計。