飞机起落架动力学仿真技术研究

（中航通飞研究院有限公司，广东 珠海 519040）

1 引言

起落架是飞机重要承力部件，在飞机起降过程中担负着极其重要的使命。在研发过程中，设计人员需深入了解与起落架相关的机构学、运动学，分析其静动特性，争取用最轻的重量、最紧凑的结构设计出最为安全可靠的起落架。起落架的一个重要指标是，在飞机降落撞击时减小地面对机轮的作用力，从而改善飞机结构受载情况[1]。摇臂式起落架被广泛用于小型飞机，其优点是通过设计一个小行程缓冲器，利用杠杆原理将机轮的缓冲行程放大，达到降低飞机着陆过载的目的。

传统的起落架研发过程为设计，生产，试验，根据试验结果进行优化设计，重新生产和试验，经过多轮迭代后才能获得较优的产品，研制周期长，经费高。

起落架动力学仿真技术，是指在起落架研发过程中，通过合理的假设，在专业分析软件中建立起落架的动力学模型，针对起落架在使用中的各种工况进行仿真分析，预测起落架的缓冲性能，根据仿真结果给出优化方案，从而实现最优设计。本文以某型飞机摇臂式起落架为对象，运用动力学仿真技术，研究起落架的动态性能。

2 起落架动力学模型

2.1 起落架动力学模型的一般假设

一般把摇臂式起落架动力学模型简化成图1所示。将起

落架所承受的飞机重量简化为一个集中重量，有上下运动自由度。起落架支架和摇臂均简化为弹性梁，摇臂可绕转轴运动。轮胎重量和转动惯量集中作用在轮轴上。分别用两个非线性弹簧模拟轮胎垂向和航向变形。缓冲器简化成弹簧、液压阻尼器和摩擦阻尼器的并联体。其中，缓冲器和轮胎的模拟是模型重点关注的部分。大型通用软件 Abaqus提供较好的工具，可通过建立有限元模型比较有效地模拟缓冲器和轮胎。

图1 摇臂式起落架动力学模型

2.2 起落架有限元模型

起落架三维实体模型见图 2。将实体模型导入 Abaqus CAE中，得到各主要部件的质心位置、质量、转动惯量以及各部件连接点位置等。在有限元模型中，beam单元模拟支架及摇臂，shell单元模拟轮胎，translator运动副模拟缓冲器，hinge运动副模拟支架与摇臂、摇臂与机轮之间的相对运动关系，point mass/inertia单元调配各部件质心参数，使用boundary condition约束支架的运动，使支架只能在垂直方向上自由移动。起落架有限元模型见图3。

图2 CATIA中起落架几何模型

图3 起落架有限元模型

2.3 缓冲器参数

起落架采用具有变油孔的油-气缓冲器。油-气缓冲器用空气储存能量，消散能量则通过油液以一定的控制速度流经通油孔产生节流阻尼实现。油-气缓冲器的缓冲特性综合反映在缓冲器轴向力上。轴向力分解为空气弹簧力、油液阻尼力和干摩擦力等三部分，关系式如下[2]：

在Abaqus 软件中使用translator运动副中可实现空气弹簧力、油液阻尼力和干摩擦力等的参数设置。

2.4 轮胎刚度及摩擦系数

轮胎与地面接触后，垂向力是轮胎压缩量的函数。假设轮胎材料为橡胶，弹性模型为 20MPa，通过调节轮胎 shell单元的厚度可最终逼近轮胎垂向弹簧的刚度。由于带转的轮胎相对于地面有切向运动，在摩擦力（航向力）的作用下，轮胎产生切向变形。一般认为轮胎-地面摩擦系数是关于滑移比的函数，其关系如图4所示[2]。定义轮胎与地面的接触关系后，在contact property的tangential behavior选项可输入此关系曲线。由于缺乏轮胎切向刚度资料，因此模型没有重点模拟轮胎切向刚度。

图4 轮胎-地面摩擦系数与滑移比的关系曲线

3 起落架动力学分析结果

起落架落震试验是验证起落架缓冲特性的重要试验。进行某型飞机起落架落震试验时，机轮外廓切向速度为 146 km/h，起落架从0.475 m高度自由落体。使用abaqus显式求解器dynamic explicit分析起落架的动响应过程。

图5给出了缓冲器完成第一次压缩和反弹过程中垂向力和航向力时间历程曲线。从数据可以看出，航向力仿真峰值相对试验峰值出现得较晚，而垂向力仿真峰值比试验峰值出现得较早。此外，无论是航向力还是垂向力峰值，其仿真结果与试验结果都很接近，相对误差在2000 N以内，精度满足工程应用要求。从曲线还可以发现，在0.4 s之后，垂向力的仿真结果与试验结果吻合得很好，航向力仿真值与试验值的很接近，均稳定在零附近。由此可见，在仿真分析中，航向力的计算精度在很大程度上影响了垂向力的精度。

图5 起落架动响应结果

总体来看，某型飞机起落架动力学仿真分析结果与试验结果比较吻合，说明起落架动力学仿真技术有效可靠，可在起落架研发过程发挥很好的作用。

4 结论

（1）起落架动力学仿真技术能有效地预测了起落架的性能。在迭代优化设计阶段，起落架仿真技术可以代替落震试验对当前的设计方案进行评估，直到最优方案确定后才进行产品制造和试验，从而缩短了研制周期，节省研发经费。

（2）为了提高仿真精度，需进一步细化轮胎-地面摩擦系数，并寻找可以有效模拟轮胎切向刚度的方法，从而提高航向力的计算精度。

（3）起落架动力学仿真技术还可用于分析更为复杂的工程问题，如将起落架有限元模型装配到飞机全机动力学分析有限元模型上，模拟复杂的飞机着陆撞击过程。

【符号说明】

AO——通油孔面积，是关于SM的函数

Cd——通油孔阻尼系数，取0.75

FA——压气面积

FO——压油面积

n——空气多变指数，取1.07

P0——气腔初始压力

QA——空气弹簧力

QF——干摩擦力

QO——油液阻尼力

QV——轴向力

SM——缓冲器行程

——缓冲器压缩速度

VA——气腔初始体积

μ——摩擦系数，取0.04

ρO——油液密度

[1]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册第14册[M].北京:航空工业出版社,2002.12.

[2]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册第9册[M].北京:航空工业出版社,2001.12.