B737飞机主起落架收放机构运动分析与仿真模拟

王栋　孔祥芬　成波　张俊

摘 要：该文合理简化我国民航现役机种B737主起落架收放机构，使用数学机构运动学分析其收放过程。在此理论分析基础上，参照中国民航大学工程训练中心大车间的B737-200型飞机主起落架实体，结合其飞机维护手册（AMM）、图解零件目录（IPC）等手册，使用三维软件CATIA绘制出B737-200型飞机主起落架收放机构的构件三维动力学模型，经组装后进行主起落架收放机构DMU运动仿真与分析。

关键词：起落架 收放机构 运动分析 CATIA 仿真

中图分类号：V226.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（c）-0010-05

Abstract：In this paper，a reasonable simplified of our country civil aviation active aircraft B737 main landing gearretraction and extension mechanism，using mathematical mechanism kinematicsto analyzeits retraction and extension process.On the basis of theoretical analysis，it references to B737-200 aircraft main landing gear entitywhich in the large workshop of Engineering Techniques Training Center of CAUC，combining with its aircraft maintenance manual （AMM）、illustrated parts catalog （IPC） and other manuals，using 3D software CATIA to drawitscomponent dynamic models，conductingDMU motion simulation and analysis after assembling the main landing gear components.

Key Words：Landing Gear；Retraction and Extension Mechanism；Kinematic Analysis；CATIA；Simulation

飛机的起飞着陆装置是起落架。现代飞机的起落架通常由机轮与刹车系统、承力结构、减震器、收放机构、前轮减摆器和转弯操纵机构等组成。其中收放机构作为起落架核心部件，其适航性直接决定起落架和飞机系统安全性[1]。另据美国国家运输安全委员会（NTSB）统计，1993—2003年10年间，各类飞机因起落架系统故障引起的不正常飞行事件占不正常飞行事件总数的15%，而其中因起落架收放系统故障引发的事故就占到23%[2]。可见起落架收放机构对飞行安全至关重要，同时在实际教学中，起落架是一个典型机构运动学分析的例子。对收放机构进行运动分析不仅是对起落架安全的研究，也有助于教学的开展及学生对起落架收放机构运动的理解。

运动分析是飞机起落架进行机构分析的第一步，亦是最关键的一个步骤，其可为后续的仿真模拟做理论储备[3]。CATIA V5软件是CAD/CAE技术应用范围比较广的软件产品之一，它涵盖了产品开发的全过程，提供了高度完善的集成环境[4]。利用CATIA V5可以方便、快捷地建立起落架的数字样机模型并为之后的进一步起落架运动学分析提供基础[5]。由建模得到的起落架3D模型以及仿真模拟动画有利于实际教学中学生理解起落架收放过程。

该文针对我国民航现役机种B737主起落架收放机构合理简化其主要结构，然后使用数学机构运动学分析其收放过程并建立运动学方程。在此基础上参照中国民航大学工程训练中心大车间的B737-200型飞机主起落架实体和相关维修手册建立其CATIA数字样机模型。将虚拟样机模型在CATIA的DMU模块中进行运动学仿真分析，检查机构运动的干涉碰撞情况并得到相关构件之间的运动关系，为今后对该起落架收放机构的运动性能分析奠定了技术基础，也为相关机型的起落架仿真分析及教学提供了参考。

1 B737飞机主起落架收放机构运动分析

起落架收放机构运动分析首先是了解整个起落架的机构组成及其运动传递方式，以确定其原动件、从动件、执行部分以及中间的各传动构件和运动副类型。接着对整个起落架进行整体的运动分析，正确的绘制出起落架在收上以及放下两个临界状态的结构简图，由此显示整个飞机起落架收放的内部工作原理。最后根据机构原动件的运动规律和各构件之间的运动学约束关系，分析并确定其他构件的运动规律，如从动件的角位移、角速度、角加速度，从动件上某些点的轨迹、位移、速度、加速度等运动参数，为接下来的仿真模拟做理论铺垫[6]。

1.1 机构的结构分析

起落架的收放任务由收放执行机构完成，它的作用是按指定的运动形式，借助液压系统将起落架准确地收或放到飞机上的指定部位。收放机构因其各构件之间的相对运动不同，分为在同一平面里运动的平面机构和在不在一个平面运动的空间机构。工程中4个构件构成的平面四杆机构在现代社会中应用最为广泛，部分飞机起落架系统传动机构就是最基本的平面四杆连杆机构[7]。该文对主起落架的放下和收上两个临界状态进行机构分析，并且对主起落架的内部结构从整体上做了必要的简化。如图1和图2分别为B737飞机主起落架的放下状态和收上状态，主起落架经过简化后主要包括梁支柱、游动梁、收放作动筒、上侧撑杆、下侧撑杆、下位锁下连杆、下位锁上连杆、减震支柱和机轮等结构。

1.2 机构的自由度

1.2.1 平面机构的自由度

构件是机构的运动单元，一个作平面运动的自由构件有3个独立运动的可能性。当两个构件组成运动副后，其独立运动便受到限制，自由度随之减少。对构件独立运动的限制称为约束，运动副的类型不同，引入的约束也不同，保留的自由度也不同。在平面机构中，每个低副引入两个约束，使构件失去2个自由度；每个高副引入一个约束，使构件失去一个自由度[8]。机构的自由度，应为活动构件自由度总数与运动副引入的约束总数之差：

F=3n-2PL-PH （1）

式（1）中：n为活动构件数，即平面机构除机架外的构件数；PL为低副数；PH为高副数。

在运用式（1）计算机构的自由度时，还应注意复合铰链、局部自由度和虚约束等情况。该文因仅涉及复合铰链情况，特在此着重介绍。若两个以上的构件在同一处以转动副相联接，便构成复合铰链。由个构件汇成的复合铰链应当包含m-1个转动副。

1.2.2 自由度的计算

在主起落架放下状态的简化机构中，C和I处是3个构件相铰接的复合铰链，则n=9，PL=13，PH=0，因此，自由度为：

F=3n-2PL-PH=3×9-2×13=1

在收上过程中，该文假设主起落架已解除放下并锁定的临界状态，即下位锁已解锁且其上、下连杆已解除过中立状态，并且上、下侧撑杆已通过死点位置。只有主起落架收放作动筒通过伸展活塞杆来为收上主起落架这一动作来提供力。在放下过程中，该文假设主起落架下位锁已完成开锁动作，只有主起落架收放作动筒通过收缩活塞杆来为放下主起落架这一动作来提供力。综上，在整个收放过程中仅有主起落架收放作动筒的活塞杆为原动件，其余活动构件为从动件。又因为F>0，且原动件数目等于机构的自由度数目，所以，该简化机构的各构件具有确定的相对运动。

1.3 机构的运动分析

为了对主起落架进行机构运动学分析，特对图1进行了进一步简化，得出图3。

图3中1杆为减震支柱，2杆为下侧撑杆，3杆为下位锁下连杆，4杆为下位锁上连杆，5杆为上侧撑杆，6为机架。点A为减震支柱的旋转中心。点F和点E分别为上侧撑杆和下位锁上连杆的转动支点。图示为主起落架的放下锁定状态，主起落架收上时，铰链点C将向上运动。通过上面的结构分析，可认为B737飞机的主起落架收放运动可划分为两个平面四杆机构运动。平面四杆机构运动分析的解析法常用的有矢量方程解析法、复数法和矩阵法。

1.3.1 机构的位置分析

该文采用平面四杆机构运动分析的复数法。为了接下来的分析方便，如图4所示，建立以起落架减震支柱旋转中心为原点的坐标系，并将各构件表示为杆矢，各构件杆矢的方位角皆由x轴正向开始，按逆时针方向进行计量，由部分构件所构成的ABCFA封闭图形所形成的封闭矢量方程为：

2 B737飞机主起落架收放机构仿真及运动学分析

2.1 主起落架收放机构仿真建模

CATIA V5软件能够对实体进行三维造型的同时，还能直观、准确的体现各零部件间的装配关系[9]。该文通过实际测量中国民航大学工程训练中心大车间的B737-200型飞机主起落架构件参数，同时参照飞机维护手册（AMM）、图解零件目录（IPC）等手册，运用CATIA建模软件建立B737飞机主起落架模型。在对B737飞机主起落架适当简化的基础上，运用CATIA V5软件分别建立缓冲支柱、上扭力臂、下扭力臂、阻力臂、减震支柱、上侧撑杆、下侧撑杆、机轮和轮轴组件等三维零部件模型，并依据各零部件之间的装配关系进行装配，装配完成后的主起落架模型如图5所示。

2.2 主起落架DMU运动仿真与分析

主起落架收放机构DMU运动仿真是对实体模型进行仿真，能在三维模型中實现机构运动过程的可视化，并且实现运动过程的干涉分析[10]。首先按照图3对收放机构模型创建运动副约束、固定构件，然后在已经定义的C点转动副上，定义运动驱动，此时主起落架模拟收放机构自由度F=0，满足运动仿真要求。然后设置主起落架减震支柱的收放极限角度为75°，并且设置其为匀速运动进行仿真，具体仿真运动过程如图6所示。由于收放机构运动过程中，多个构件同时运动，所以，需要检查收放过程中各构件之间是否存在动态干涉。经检查，飞机主起落架收放机构各构件建模无误，各构件之间无干涉。

3 结语

该文对合理简化之后的B737飞机主起落架收放机构进行运动分析与仿真模拟。首先从结构自由度的角度验证得出主起落架确实具有确定的相对运动。然后对主起落架从机构的位置、速度、加速度进行运动分析，得出在其运动过程中各部件随动变化的运动情况。最后对主起落架进行CATIA建模，并运用CATIA的DMU模块进行模型的运动仿真，观察运动过程中实际部件的相关运动情况。以上工作不仅是对起落架收放机构的研究，也可用于实际教学，从而有助于学生对起落架收放机构的理解与相关教学工作的开展。

参考文献

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