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        某大型水陸兩棲飛機主起落架緩沖性能聯(lián)合仿真分析

        2019-09-10 01:25:33邊寶龍
        科學導報·學術(shù) 2019年52期

        邊寶龍

        摘要:本文以某大型水陸兩棲飛機(以下簡稱某型飛機)主起落架為例,介紹了一種聯(lián)合仿真研究起落架緩沖性能的方法。結(jié)合實際情況,本文首先利用Virtual.Lab?Motion建立了多體動力學分析模型,然后根據(jù)緩沖器參數(shù)建立Imagine.Lab?AMESim緩沖器液壓模型,最后通過兩個軟件的聯(lián)合,仿真計算了某型飛機主起落架的緩沖性能。通過對緩沖器參數(shù)的調(diào)整,優(yōu)化了緩沖器設(shè)計,為起落架的試驗奠定了理論基礎(chǔ)。本文提供了一個研究起落架緩沖性能的新方法,與試驗結(jié)果對比表明,該方法是有效的。

        關(guān)鍵詞:起落架;聯(lián)合仿真;緩沖器;水陸兩棲飛機

        引言

        在以往的起落架緩沖性能仿真研究中,一般是在動力學軟件中建立起落架的剛體模型,然后對于緩沖器的處理,采用直接輸入數(shù)學公式的方法。這樣外表看起來是仿真模型,其實只是個仿真的殼子,而沒有對起落架緩沖性能的核心—緩沖器進行仿真。本文以某型水陸飛機主起為分析對象,用軟件AMESim建立緩沖器液壓模型,然后用其代替Motion動力學模型中的緩沖器,然后將二者通過實時數(shù)據(jù)交換接口連接起來,作為完整的起落架模型進行落震仿真。Imagine.Lab?AMESim提供了一個完整的一維仿真平臺,可對多領(lǐng)域智能系統(tǒng)進行建模和分析。而Virtual.Lab?Motion是專業(yè)的多體動力學仿真軟件,通過二者的聯(lián)合可以發(fā)揮其各自的優(yōu)勢,使起落架的落震模型更趨于精確。

        1.起落架力學模型

        在某型飛機主起落架模型中,整個系統(tǒng)的質(zhì)量為起落架的相當質(zhì)量md,其值按照CCAR-25的要求確定。為了較好的模擬起落架結(jié)構(gòu)中各部分的運動特點,把該質(zhì)量分為兩部分:下部質(zhì)量m:包括作用在搖臂重心處的搖臂質(zhì)量mp和集中在機輪輪軸上的機輪質(zhì)量mk。M=md-m為上部質(zhì)量。而緩沖器由AMESim模型代替。起落架力學模型如圖1所示。

        此外,升重比L=1。

        起落架力學方程的建立:

        得:

        得:

        式中:

        X為阻力;為摩擦系數(shù);為輪胎所受到的地面載荷;為上部質(zhì)量中心處的水平加速度;為下部質(zhì)量中心的水平加速度;Y為升力;為上部質(zhì)量重心的垂直加速度;為下部質(zhì)量中心的垂直加速度;

        2.仿真模型的建立

        由于起落架自身零部件較多,如果按實際零部件分別添加運動縛及相關(guān)條件,并進行計算,將大大增加設(shè)計人員的工作量和計算機的計算時間,然而這樣做并不能明顯提升仿真結(jié)果的精度,反而可能隱藏很多設(shè)置錯誤。因此,在不改變起落架機構(gòu)原理的情況下,需要將起落架實際結(jié)構(gòu)進行簡化。

        2.1?起落架落震Motion模型

        簡化模型分為五大部分:機輪、搖臂、支柱(包含支柱轉(zhuǎn)軸)、斜撐桿、緩沖器套筒、緩沖器活塞桿。

        1.把CATIA模型導入Motion,并形成body。

        2.定義運動副和驅(qū)動。

        3.然后定義路面和緩沖器參數(shù),如需要還可以進行支柱的柔性化。這里定義的緩沖器參數(shù)只是用一個帶有阻尼的彈簧模擬的,因此并不準確,準確的緩沖器模型是用AMESim建立的,后面將詳述。建立的模型如圖2所示。

        4.設(shè)置初始條件,包括落振重量、落震運動縛、自由落震高度和輪胎轉(zhuǎn)速。

        圖2?某型主起落架落震Motion模型

        圖3??主起落架輪胎壓縮曲線

        落震時在起轉(zhuǎn)階段,輪胎與地面間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.55,輪胎用一個彈簧阻尼器模擬。輪胎的壓縮曲線如圖3,可以把動壓曲線直接輸入。彈簧阻尼可以通過試驗得到,在沒有成品件之前也可通過經(jīng)驗公式估算。以下給出一個估算的方法以供研究者討論。根據(jù)本次試驗的經(jīng)驗,本文認為這種方法具有工程意義。

        對于單自由度質(zhì)量塊的固有頻率一般有:

        其中:z為阻尼比;R為阻尼系數(shù);K為彈簧剛度;M為質(zhì)量塊質(zhì)量。對于一般的液壓機械系統(tǒng),阻尼比通常在5%~10%,因此如果知道質(zhì)量和剛度,可以根據(jù)阻尼比的范圍估計出一個阻尼系數(shù)。

        2.2?緩沖器AMESim模型的建立

        基于AMESim液壓元件設(shè)計庫的基本單元構(gòu)造緩沖器結(jié)構(gòu),結(jié)合機械庫元件建立緩沖器機械液壓模型。某型緩沖器為變油孔油氣式,其模型如圖4。

        在建立模型的過程中,正確分析建立力的傳遞路線是至關(guān)重要的。模型中的參數(shù)比較多,有的參數(shù)對仿真結(jié)果比較敏感,對于模型中的所有數(shù)據(jù),本文都進行了精細的研究,使其盡可能的符合真實情況。

        在此模型中,緩沖器套筒與活塞桿之間的摩擦力與緩沖器內(nèi)空氣壓力成正比,此時有:

        Pm=kmpkq

        式中,km為相當?shù)哪Σ料禂?shù),它與皮碗和壁筒之間的摩擦系數(shù)以及皮碗的厚度、活塞直徑有關(guān),現(xiàn)代通常在0.05~0.2的范圍內(nèi)。

        與Motion的接口為模型最上邊擁有三個接口的元件,它從Motion中獲得力,向Motion輸入速度和位移。

        圖4?某型主起緩沖器液壓模型

        2.3?Motion與AMESim的聯(lián)合仿真

        Motion與AMESim的聯(lián)合仿真有三種方式:Co-Simulation、Coupled、Function?Evaluation。經(jīng)過研究,采用co-simulation的方式是合適的。交換數(shù)據(jù)的時間步長的大小對仿真有較大的影響,因此要選擇合適的時間步長。

        3.計算結(jié)果

        根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)置緩沖器主要的結(jié)構(gòu)參數(shù),氣體初始體積為11.3L,氣體初始壓力為2.6MPa,活塞與套筒之間的摩擦力設(shè)置為活塞桿受力的0.06倍。落震試驗參數(shù)如表2所示。

        試驗是在中航工業(yè)強度所進行,投放重量12962kg,提升高度475mm。該狀態(tài)共做了三次,計算結(jié)果與試驗結(jié)果的緩沖器功量圖對比如圖5,垂向載荷時間歷程對比如圖6。

        4.結(jié)論

        ①從緩沖器功量圖和載荷時間曲線對比可以看出,理論計算值是能夠反映起落架能量吸收規(guī)律,可以作為以后試驗的指導,也可以作為起落架改型的計算依據(jù)。

        ②這種聯(lián)合仿真的方法,可以擴展到更為復雜的領(lǐng)域,比如:起落架收放、全機降落滑跑轉(zhuǎn)彎剎車、起落架甚至全機的柔性化、力液電的結(jié)合等等。

        參考文獻:

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        (作者單位:中航通用飛機有限責任公司)

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