起落架缓冲性能联合仿真及优化方法研究

王智成，聂 宏，2，房兴波，魏小辉，2，郁思佳

(1.南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，江苏南京 210016)(2.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏南京 210016)

缓冲器是所有现代起落架必备的通用部件，同时也是最重要、最复杂的部件。缓冲的实质就是把飞机的动能消散在缓冲系统(轮胎和缓冲器)和飞机起落架结构的变形上。其中缓冲器是主要吸能装置，缓冲器设计的好坏对飞机缓冲性能有着决定性的影响［1－3］。

在实验研究方面，起落架落震试验成本昂贵、设备复杂，且不易根据实际情况进行调整。近年来，基于虚拟样机技术的飞机起落架着陆动态性能分析方法被广泛应用［4］。LMS Virtual.Lab Motion的基于计算多体系统动力学建模理论及计算方法研究，是专门为模拟机械系统的真实运动和载荷而设计的。LMSImagine Lab AMESim提供了一个完整的机电、液压系统一维仿真平台。在VL Motion中可以建立精确的3D机构模型，却不能建立详细的油液缓冲器液压模型;在AMESim中可以建立详细的液压模型，但是为了模拟实际运动和获得正确的输出力，还需要一个3D的机械模型，因此通过2个软件的联合仿真，发挥其各自的优势，才能使起落架的落震模型更趋于精确［5－7］。同时有研究表明，通过iSIGHT优化平台集成AMESim对起落架缓冲器进行参数优化分析，能克服以往优化方法目标单一和自动化程度不高等局限［8］，为缓冲器优化设计提供更有效的解决方案，且集成度高。

1 起落架落震性能仿真分析

1.1 起落架力学模型

起落架着陆动力学分析的力学模型是二质量模型，分为弹性支撑质量和非弹性支撑质量。弹性支撑质量是缓冲器中空气弹簧的上部质量，包括机身、机翼、缓冲器外筒等的质量;非弹性支撑质量是空气弹簧下部的质量，包括活塞杆、刹车装置、轮胎等的质量［9］。空气弹簧力Fa和油液阻尼力Fh对起落架缓冲性能起主要作用，故可以忽略摩擦力和结构限制力。上述系统可简化为二自由度系统的振动问题，利用达朗伯原理建立该运动的微分方程，某无人机支柱式主起落架力学模型如图1所示。

设定大地为参考坐标系，z1为下部质量MX的垂直位移;z2为上部质量MS的垂直位移;K1为轮胎弹性刚度;C1为轮胎阻尼系数;K2为空气弹簧弹性刚度;C2为油液阻尼系数;Fz为升力。则运动微分方程为:

图1 某无人机支柱式主起落架力学模型

式中:v0为无人机着陆速度。

其中式(2)为初始速度边界条件，两式联立可解出此系统的固有振动频率和系统随时间的响应函数。

1.2 仿真模型的建立

该无人机主起落架缓冲器为单腔变油孔缓冲器，主油孔面积在缓冲器压缩过程和伸长过程中随行程发生变化，缓冲器结构示意图如图2所示。主起落架的落震仿真相关参数有投放质量600kg，投放高度0.27m，机轮航向速度 36.7m/s，初始空气腔压力 1.65MPa，主油孔面积(不考虑油针)38mm2，正行程回油孔面积99.81mm2，反行程回油孔面积 7.39mm2。

图2 无人机主起落架缓冲器结构示意图

分别在VL Motion和AMESim中建立起落架的动力学模型和缓冲器模型。由于实际的起落架CATIA模型零部件较多，在不改变起落架机构原理的前提下简化结构，将主起落架简化为机轮和轮胎、缓冲器活塞杆、缓冲器外筒、上扭力臂、下扭力臂5个部分。将简化后的主起落架CATIA模型直接导入到VL Motion中，定义整体和局部坐标系，添加运动副、驱动、路面和轮胎力。主起落架落震Motion模型如图3所示。

图3 主起落架落震Motion模型

在AMESim中建立缓冲器的详细液压模型，利用标准信号库、机械库、液压库以及液压元件设计库中的元件搭建的缓冲器液压模型如图4所示。

图4 主起落架缓冲器液压模型

1.3 联合仿真分析

VL Motion与AMESim的联合仿真方式有3种，即 Co－Simulation、Coupled和 Function Evaluation。本文采用第一种方式，该方式以AMESim为主，在AMESim中进行仿真过程控制(设置仿真时间、算法等)。仿真过程中，AMESim与Motion各自计算，在规定的每个采样时间段内相互传递数据。

2 优化模型的建立

2.1 设计变量

以油针的截面积作为设计变量。油针的截面为圆形，油针轮廓示意图如图5所示。

图5 油针轮廓示意图

2.2 目标函数

缓冲器轴向力Fs和缓冲器效率ηh是衡量起落架缓冲性能好坏的主要指标，针对无人机，缓冲器效率并不是首要考虑的指标，在保证缓冲器效率不低于设计要求的情况下，缓冲器轴向力越小越好，故选择进行单目标优化，目标函数为缓冲器轴向力Fs最小。

2.3 约束条件

a.缓冲器行程。

缓冲系统应当在保留某些行程余量的条件下吸收给定过载下的使用功量。这里要求缓冲器的使用行程不大于最大行程的90%，即S≤Smax，在本例中即要求S≤192mm。

b.缓冲器效率。

根据起落架设计要求，在落震试验期间获得的缓冲器效率应不低于75%，即ηh≥75%。

c.过载。

根据该无人机设计要求，缓冲器过载需不大于3，即 n ≤3。

2.4 优化模型

目标函数:min Fs。

设计变量:X=［A0～ A6，S0～ S6］。

约束条件:S≤ Smax，ηh≥75%，n≤3。

3 优化设计

3.1 优化流程的建立

基于iSIGHT优化平台建立该无人机主起落架的缓冲器优化流程，使用Pointer优化求解器进行优化，Pointer优化求解器是iSIGHT提供的智能自动优化专家，包括4种优化算法的组合:线性单纯形法、序列二次规划法、最速下降法和遗传算法。Pointer优化求解器会自动捕捉设计空间的信息，自动组合4种优化算法，从而得到一个最优的优化策略［10－11］。

图6 iSIGHT优化流程图

3.2 优化及结果分析

以上述仿真模型为基础，利用建立的优化模型和流程，以油针截面积为设计变量，缓冲器轴向力为目标函数，缓冲器行程、效率、过载作为约束条件，采用iSIGHT智能优化专家Pointer优化求解器进行优化，获得最优解。优化前后目标函数随时间的变化曲线和缓冲器功量图分别如图7和图8所示。

图7 缓冲器轴向力随时间变化曲线

图8 缓冲器功量图

优化前和优化后的结果对比见表1，优化前和优化后的油针截面积数据见表2。从结果可以看出，优化后缓冲器最大轴向力减小了10.49%，且轴向力趋向于稳定，同时过载减小了10.34%，有利于开展起落架结构减重，提高起落架的寿命。起落架的效率提高了12.54%，从图8可以看出优化后的缓冲器功量图更加饱满，变化趋势平稳，这说明在缓冲器轴向力得到优化的同时，缓冲器效率亦得到提高，缓冲性能变好。此外还可看出，优化后的油针截面积变化趋势是增大—减小—增大，油针优化后该起落架缓冲性能明显提升。

表1 优化前后的结果对比

表2 优化前后的油针截面积数据

4 结论

依据实际工程应用，以某无人机支柱式主起落架为例，开展起落架缓冲性能联合仿真分析及优化，得到以下结论:(1)文中的联合仿真方法和优化方法为起落架缓冲器提供了集设计、分析、优化于一体的解决方案，可为起落架落震试验提供指导，大大缩短缓冲器的设计周期。(2)通过优化计算得到了该无人机主起落架油针的最佳截面积参数，由结果可知，此优化有效降低了缓冲器的轴向力，提高了缓冲器的效率，证明该优化模型合理有效，对该无人机的设计具有一定的参考价值。

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