基于ADAMS/Aircraft的起落架建模研究

丁 利，田 静

DING Li, TIAN Jing

（中国民航大学 航空工程学院，天津 300300）

0 引言

飞机起落架系统是飞机的一个重要组成部分，关系到飞机起飞和降落的性能。飞机在起飞滑跑、着陆接地和地面运动时会相对地面产生不同程度的撞击，良好的起落架应能承受并减缓这种撞击和稳定性，以便提高乘坐舒适性和安全性。所以起落架系统是飞机设计中一个十分关键的问题[1]。

起落架系统的传统设计方法计算过程复杂、参数优化困难、研制周期长、程序通用性差、计算精度不高。另外,在实验研究方面,起落架落震试验成本昂贵,并且试验设备复杂,不易根据实际情况进行调整,为了验证起落架使用性能而进行整机试飞的成本和风险更大。而随着计算机技术的发展，迅速发展起来一种计算机辅助工程技术——虚拟样机技术，而ADAMS是该技术的代表性软件。

ADAMS软件是目前世界上使用范围最广的虚拟样机分析软件，广泛应用于汽车制造业、工程机械、航空航天、国防等领域。该软件包括核心模块Adams/view和Adams/solver以及一些专业模块。本文采用Aircraft模块来建立起落架的数学模型。Aircraft模块是ADAMS软件的一个扩展模块，包括Stanard Mode和Template Builder两种模式，可以创建、装配和分析飞机的机轮、起落架和飞机的全机模型。对飞机起落架的ADAMS建模，可以对起落架进行单独分析，也能作为飞机的一个部分进行分析，从而得到起落架的静态和动态性能[2]。

1 起落架缓冲系统的计算方程

飞机起落架缓冲系统包括缓冲器和机轮,下面分析缓冲器与机轮的受力情况。

1.1 空气弹簧力

1.2 油液阻尼力

对于常油孔缓冲器来说，其侧油孔的计算方法为：

1.3 内摩擦力

本文仅考虑了由缓冲器内部压力引起的内部摩擦力：

1.4 结构限制力

机轮能吸收一部分冲击能量，也能起到缓冲作用，收垂直反力和水平力。

1.1.2 轮胎水平反力

轮胎水平反力为轮胎垂直反力的函数

其中PAir0为空气腔初始压强（绝对压强）；TAir0为空气腔初始体积；PAMB为大气压强；s为缓冲器压缩行程；n为气体多变指数；AAir为活塞杆外截面面积；ρ为油液密度；AFL为活塞内净截面面积；Cd为油液缩流系数；Aori为油孔净截面积； As为油液流入回油腔腔体的截面积；Aorisc为正行程回油腔油孔的截面积；Aorise为反行程回油腔油孔德截面积；µb为缓冲器内摩擦系数；Db为轴套直径；Hb为轴套高度；Kι为结构限制刚度；Smax为最大设计行程; δ=|ΖU|为轮胎压缩量；δ为轮胎压缩速率。

2 起落架虚拟样机模型

ADAMS/Aircraft模块可以创建和分析机轮、起落架和全机的装配模型，它可以用不同逼真度水平建立子系统和组件。本文以小车式主起落架为例利用ADAMS的Aircraft模块对其进行着陆动态性能仿真分析。整个过程包括建立模板、子系统和装配模型；装配模型建立完成后，对起落架进行了常规落震仿真分析。

2.1 创建模板

2.1.1 缓冲支柱模板[4]

1）启动ADAMS的Aircraft模块的Tamplate builder界面并设置工作环境。

2）创建点（Hardpoint）和结构框架（Construction Frame）

其中点的坐标为参数化坐标，可以在以后的分析中通过修改点的坐标来改变缓冲支柱各部件的位置。结构框架的作用和点一样，与点不同的是结构框架有自己的方向

3）创建起落架外筒、活塞支柱、车架、轮轴、拉杆和扭力臂等部件

通常主要研究起落架的动态特性，在质量与转动惯量给定的情况下，系统的几何形状对于ADAMS/Aircraft模块的仿真分析没有影响，模型的基本外形都使用比较规则的几何形状。

4）创建子框架（Subframe）

子框架是ADAMS/Aircraft模块中起落架系统十分重要的部件，通过输入位置、方向和质量属性定义子框架。子框架是最终连接到机身子系统的中介。子框架的几何形状不影响其质量属性。

5）创建空气弹簧、油液阻尼和结构限制器

ADAMS/Aircraft模块利用公式(1)～(5)通过分别定义空气弹簧力、油液阻尼力和结构限制力来模拟缓冲支柱的真实工作情况。其具体作用方式主要通过调用各自的属性文件的方法来实现，属性文件主要定义了载荷—行程或者行程速率等的变化曲线。

图1 主起落架缓冲支柱模板

6）创建约束

根据物理样机的运动机理，在模型上添加约束，是模型的运动与物理样机接近一致。例如，在缓冲器外筒与活塞杆定义圆柱副等。

7）创建通信器（Communicator）

通信器是ADAMS/Aircraft模块中的关键要素，不同的子系统之间以及子系统与测试平台之间的数据交换就是通过通信器完成的。

至此，主起落架缓冲支柱模板建立完成，如图1所示。

2.1.2 机轮模板

机轮模板创建的步骤和缓冲支柱模板相类似，大致为创建几何外形、添加约束和定义通讯器三步。但是考虑机轮模板的通用性，没有必要重新建立一个全新的模板，完全可以通过调用ADAMS/Aircraft模块所提供的机轮模板，通过修改其属性文件里的一系列的参数而使其与物理样机的机轮一致。在属性文件中定义了轮胎的几何属性、各种计算参数，以及轮胎垂直反力随轮胎压缩量的变化曲线。通过属性文件中这些参数的读入，ADAMS的Aircraft

模块利用公式(6)～(8)来计算轮胎上各力的大小，这样就创建完成机轮模板,如图2所示。

图2 主起落架机轮模板

2.2 创建子系统

创建模板后，可用其生成子系统。先从Template Builder界面切换到Standard Interface界面；调出子系统所要的模板，可以根据模型的变化来修改模型，但修改是有限制的；存储生成的子系统。本章中通过这种方法生成了缓冲支柱子系统和机轮子系统，未对缓冲支柱模板和机轮模板进行修改。

2.3 装配模型

在缓冲支柱子系统和机轮子系统建立完成后，下面就是装配成一个完整的起落架系统。这一过程仍是在ADAMS/Aircraft模块的标准模式中完成，主起落架装配完成如图3所示。

图3 起落架虚拟样机

至此，主起落架的虚拟样机系统建立完成。

3 起落架虚拟样机模型分析

装配模型完成后，就可以对起落架进行仿真分析。ADAMS/Aircraft模块中的所有仿真都包含下面的两个阶段：

1）静态平衡分析：这一阶段中，装配模型自动从初始状态变化到输入的位移、速度和加速度，输出的结果并不是所期望的仿真响应。通过检查这一阶段的数据可以确定装配模型是否真正达到了所希望的状态。

2）动态仿真分析：在模型达到仿真的输入条件后，仿真开始运行，从而得到我们所要求的结果输出。

ADAMS/Aircraft模块的仿真分析及是通过其模块自带的Solve处理器和独立的后处理模块ADAMS/PostProcessor来完成。ADAMS/PostProcessor模块主要提供了两个功能：仿真回放功能和曲线分析绘制功能。在运行完仿真分析过程后，选择后处理工具图标（或使用快捷键F8），即可启动并显示ADAMS/PostProcessor模块界面,并可观察到仿真实验的相关曲线，从而完成用 ADAMS对起落架的性能分析。

本文进行了起落架的落震仿真分析。首先以空机为计算依据，不考虑升力，选择仿真时间为3秒和仿真步长为1000步，飞机主起落架在使用功状态下的投放重量38140kg和下车速度3m/s，在仿真窗口输入以上数据，得到一系列关于主起落架的仿真曲线图。根据仿真结果显示，与某型飞机的起落架实验结果相吻合，如轮胎最大压缩量、垂直过载、重心最大位移。由此可见使用ADAMS/Aircraft建立虚拟样机系统分析起落架的动态性能具有较高的可信度。

4 结束语

在对起落架缓冲系统的受力分析基础上，采用ADAMS/Aircraft虚拟样机技术,建立了简化起落架虚拟样机实验平台,为后续的飞机起落架动态性能分析或优化设计提供了一种先进高效快捷的方法。

[1] 汪岸柳.飞机着陆滑跑动力学控制与仿真[D].南京航空航天大学,2005.

[2] 王国平,张进平,马若丁,编.虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践[M].西北工业大学出版社,2002(3)：1-5.

[3] 肖宇,聂宏.基于ADAMS/Aircraft的起落架滑跑模型仿真[J].航空制造技术,2008.

[4] 范伟.飞机起落架着陆半主动控制仿真研究[D].南京航空航天大学,2006.