基于磁流变减震器的起落架落震仿真平台开发

祝世兴，许晓龙

(中国民航大学航空工程学院，天津 300300)

0 前言

飞机在起飞、降落和滑跑过程中会产生较大的动静载荷，并且这些载荷主要由飞机起落架承载。作为飞机结构的重要组成部分起落架的设计是飞机设计过程中的重中之重。起落架在减缓机身震动，降低飞机地面载荷及保障飞机飞行安全方面起着重要作用。减震器起着主要的缓冲任务，因此起落架减震器缓冲性能的设计是起落架设计的核心问题，也是使飞机满足高可靠性、长寿命要求的重要环节。

针对自行设计的多环槽磁流变减震器，用C#构建友好的人机交互界面与仿真平台核心软件实现无缝连接。利用动力学仿真软件MSC-ADAMS优良的动力学仿真性能构建出合理的菜单和参数对话框，并用数据库保存实验数据得出同样准确的实验结果，方便设计人员操作也很大程度上提高仿真效率。

1 磁流变减震器原理

1.1 磁路设计模型

相比传统油气式减震器，磁流变减震器的最大优势在于提供连续可调的阻尼力、响应迅速，作为半主动控制系统的主要动力提供趋近于主动最优控制力的阻尼力。减震器内磁场由缠绕活塞中部的励磁线圈激发，线圈缠绕部分是磁芯，此处磁力线最密集，磁力线流出磁芯后经活塞端部流向阻尼通道，穿过阻尼通道进入缸筒，再次穿过另一侧阻尼通道后回到磁芯形成闭合回路。磁力线穿过的阻尼通道内磁流变液受磁场激励产生磁流变效应，具备一定的剪切屈服强度，且强度值随磁感应强度的上升而升高。图1为典型的磁流变液体的τ-B曲线。

图1 剪切应力－磁感应强度特性曲线图

1.2 减震器受力分析

磁流变减震器的主要性能指标为阻尼器最大出力Fc和阻尼力可调系数β，减震器设计即是选取结构参数确定这两个性能指标。由Bingham模型忽略阀式分量可得Fc和β的计算公式为:

磁流变减震器的工作原理是利用线圈产生的磁场控制磁流变液在阻尼通道中的流动特性，改变减震器上下腔间压力差实现阻尼力控制。该仿真平台以自行设计的多环槽式磁流变减震器为研究对象，工作模式结合剪切模式和压差模式的双作用，控制方式为半主动控制，这种基于混合工作模式的设计使减震器的结构简单紧凑、阻尼效果好。选Bingham模型建立等效力学模型，工作原理如图2所示。磁流变减震器的运动微分方程如公式 (3)、 (4)所示，轴向阻尼力如公式(5)— (8)所示。

图2 磁流变减震器等效力学模型

式中:m1为弹性支撑质量，m2为非弹性支撑质量，x1和x2分别是m1和m2的轴向位移变化量，C1为等效模型的黏滞阻尼力系数，k1为等效减震弹簧刚度系数，kt为等效轮胎刚度系数，Fc是公式 (1)所表示的阻尼出力，τ为时间延迟0.3 s。

式中:L为阻尼通道有效长度;D为阻尼通道平均周长;H为阻尼通道间隙;η为流体的动力黏度;v(t)为活塞与缸体间的相对速度;τ为磁流变液的剪切屈服强度;VB为低压腔初始填充体积;Aa为活塞杆截面积;u为活塞行程。

减震器的轴向阻尼力分别表示:黏性阻尼力Fη、库仑阻尼力FMR、空气弹簧阻尼力Fa、摩擦力Ff和结构限制力FL。

2 仿真平台的建立

在磁流变减震器原理基础上建立的仿真平台的主要内容是减震器的磁流变结构设计和落震测试。减震器的磁流变结构特性表现在磁力线的分布情况和通入电流情况下磁场产生的切向剪切应力大小;阻尼特性测试和落震性能测试反映在减震器行程变化情况及减震器的轴向受力方面，需要的输入参数为决定轴向力各分力大小的结构参数和所填充磁流变液的参数［4］。未通入电流情况下，该减震器是被动控制的减震器，随着通入电流的变化，磁流变液被磁化产生类似固体材料的剪切屈服强度，提供随磁场强度也就是通入电流强度的大小变化的库仑阻尼力。

平台的结构包括交互界面和后台核心软件两部分，仿真平台的结构如图3所示。通过人机界面输入的参数传递至后台软件，运行后把结果储存至数据库通过调用在人机界面的输出图形结果。搭建平台的前提是减震器设计和落震测试所需要的输入和输出之间的关系。平台搭建的难点在于交互界面和后台核心软件的连接进行参数传递与结果输出，把软件预留接口加载入平台，再用ACCESS数据库来存储参数和结果数据就可以解决这个问题，实现数据的实时传输。

图3 仿真平台结构图

2.1 人机交互界面

交互界面是操作人员直接接触的仿真平台输入输出界面，根据确定的参数及输入输出之间的关系选取文本框、单选框、按钮等定制输入对话框，并将输入的数据存入数据库进行管理;选取分栏显示框、图片显示框等定制输出界面。为方便输出图线在平台中编写专门的绘图类，运行绘图命令之前以等效力学模型中确定的动力学关系处理输入参数和系数并把结果数据存入数据库中方便绘图时调取。

图4 定制的仿真平台菜单

2.2 后台运行程序

后台运行程序要获取磁路的磁感应强度分布情况和起落架在落震测试分析中的运动学和动力学特征。ANSYS磁路分析首先需要导入减震器设计参数，然后获得编译好的运行命令，在ANSYS中运行并输出磁路分析图;起落架落震仿真分析中输入起落架的结构参数和系数，确定落震仿真条件，然后可以运行ADAMS获取行程、速度和加速度随时间变化曲线。

2.3 减震器设计模块

该模块主要针对减震器的磁流变结构做分析，在减震器活塞内部或者活塞外部缠绕的励磁线圈通电后产生电磁效应，根据需要选择合适的磁路是本模块的目的，该模块需要确定减震器内活塞及活塞杆的结构尺寸、线圈缠绕的形式、缠绕位置及圈数、磁流变液通入的间隙，完成组装的磁流变减震器如图5所示，并在振动实验前已冲入规定压强的氮气。

图5 自行设计并完成组装的磁流变减震器

2.4 落震测试模块

减震器的设计确定后，起落架的落震分析在其基础上求取等效力学模型分析中的阻尼力和起落架质心运动状况。其中油孔分为常油孔和变油孔，减震器油气腔分为单腔单气塞、单腔双气塞和双腔减震器。文中选取常油孔和双腔单气塞油气腔进行研究，不同类型的油孔和油气腔结构所需要确定的参数略有差异，但计算的方法是相同的［1］。

起落架落震测试试验是模拟飞机着陆撞击的一种动力试验，在落震试验中通过测量起落架质心运动和受力情况确定起落架运行状态。进行落震试验的初始条件及仿真条件如表1所示。

表1 起落架落震仿真条件

3 仿真结果与实验对比分析

按照设计的减震器结构，运行ANSYS可得到如图6所示的减震器磁感应强度分布图，图示曲线表示通入电流0.8 A条件下的磁流变减震器活塞中的磁力线分布情况，中心黑色区域和周围灰色区域为阻磁部分，Ⅰ处区域为磁感应强度最大处。在合理范围内电流变化得到不同的磁感应强度分布图，通入电流大小随减震器受到冲击力可以做出动态调节，磁感应强度分布也是动态变化。

图6 通入电流0.8 A时磁感应强度分布图

由公式 (1)可得到各种状态下减震器的阻尼出力随着活塞与缸体相对运动速度的变化曲线，如图7所示，其中减震器的最大出力达到136 kN，阻尼力可调系数为11.7，能够较好实现设计要求。

图7 减震器的阻尼出力－速度曲线

载入起落架结构参数和落震仿真条件，运行得到磁流变减震器的起落架落震的行程－时间曲线、速度－时间曲线、加速度－时间曲线如图8所示。

图8 活塞行程、速度、加速度曲线

在图9所示的振动试验台上进行震动实验1可以得到磁流变减震器在通入电流前后的减震效果，减震器放置对比行程变化曲线可以发现加载电流后减震效果明显。

图9 阻尼特性实验台

由图10、11可看出在同样的随机振动条件下，通入电流的磁流变减震器行程曲线在1.5 s之后的最大振幅减小2/3，减震效果明显，吸收功量变大，减震器的工作效率大幅度提升，符合在飞机减震器上加入磁流变因素的初衷，并得到仿真的验证。

图10 未通入电流情况下减震器行程曲线图

图11 通入0.8 A电流情况下减震器行程曲线图

4 结束语

对比振动试验，仿真平台运行结果比较接近实际，这也表明该仿真平台的实用性及其在磁流变减震器设计和起落架落震测试方面的合理性。起落架落震仿真在该平台上的实现为后期平台上加入起落架滑跑振动测试模块和全机振动测试模块奠定了基础。

落震测试是起落架振动测试的重要部分，关系到飞机起降安全，但如今相关的虚拟仿真技术还不够方便准确，文中建立的仿真平台结合人机交互界面的友好性和后台核心软件的动力学分析优势，让磁流变起落架的落震仿真测试操作简便、简单易懂。在新设计投入样机制造和实验之前在该平台上得到可靠的仿真测试结果，一定程度上能够缩短飞机起落架部分的开发周期，降低开发成本。

［1］聂宏，魏小辉.飞机起落架动力学设计与分析［M］.西安:西北工业大学出版社，2012.

［2］祝世兴，潘玉洁.基于磁流变减震器的弹性机体起落架着陆仿真分析［J］.液压与气动，2012(12):73－77.

［3］李德庆，贾玉红，杨尚新.基于ADAMS/Aircraft的大型飞机起落架动态性能仿真分析［J］.民用飞机设计与研究，2009(增刊):103－106.

［4］黄国平.C#实用开发参考大全［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［5］晋萍，聂宏.起落架着陆动态仿真分析模型及参数优化设计［J］.南京航空航天大学学报，2003(35):498－502.

［6］郦正能，程小全，方卫国，等.飞机部件与系统设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2006.