飞机主起落架力学建模与分析

蔡高存

（中国民航大学航空工程学院，天津 300300）

0 引言

飞机起落架是飞机的重要承力部件，在飞机的起降、滑跑过程中起落架对飞机的安全性担负着重要的使命[1]。起落架设计在我国目前还是一个薄弱环节，国外先进的起落架一般与飞机寿命基本相同，而我国大部分现役飞机的起落架寿命要比飞机寿命低得多[2]。在飞机的着陆与滑跑过程中，起落架和飞机机身都将承受很大的冲击载荷，起落架会来回振动，这种冲击载荷被认为是影响飞机起落架结构疲劳损伤的最重要的因素之一[3]，而冲击载荷的冲击能量需要靠缓冲器吸收，使振动衰减。本文介绍了支柱套筒式，并研究其振动与模态响应，为设计出寿命长、可靠性高的飞机起落架提出建议。

1 飞机起落架

1.1 飞机支柱式主起落架结构

飞机起落架一般为前三点式，采用油气式减震支柱进行减震，通过操纵液压系统进行起落架正常收放。起落架在飞机着陆时承受巨大冲击载荷，其振动与冲击载荷主要靠油气式减震支柱（如图1所示）来吸收，并消耗着陆和滑行时的撞击能量。图1介绍了油-气式缓冲支柱，工作原理主要是在主活塞与次活塞之间形成的空腔形成缓冲支柱，其内部充满液压油与干燥空气或高压氮气，当减震支柱压缩时，气体与油液受到压缩，吸收能量，起到缓冲减震作用[4]。

1.2 支柱式起落架

图2介绍了支柱式起落架基本结构，主要由内、外筒，防扭臂和机轮组成。其中，在内、外筒之间形成缓冲支柱，承受起落架落震冲击；防扭臂工作时，可以防止起落架内、外筒发生相对转动[5]。

图1 油-气式缓冲支柱

图2 支柱式起落架简图

2 支柱套筒式主起落架CATIA建模

2．1 支柱套筒式起落架三维建模

利用仿真技术可以方便地实现起落架系统的运动分析，能够较好地替代实物实验装置，投资少，可大大提高起落架设计的质量，缩短设计周期[6]。本文论述的支柱式起落架基本结构是：在主活塞5与次活塞6之间形成的空腔构成缓冲器，其主要是缓冲装置以及油压液组成（如图3）。飞机着陆时，缓冲器承受冲击载荷，油液在外力作用下流经一个或多个小孔产生阻尼消散起落架的冲击能量。摇臂1和摇臂2组成起落架防扭臂，防止飞机着陆或滑跑主活塞与次活塞出现相对转动。整个装置通过零件8与机身固接。

图3 支柱套筒式主起落架三维模型

2.2 基于CATIA DMU模块运动仿真

计算机仿真可以节省设计者大量时间，同时节约资金[7]。由图1与图2分析，建立CATIA[8]模型（如图3所示）后，基于DMU模块进行运动仿真,其初始状态如图4所示。对建立的模型添加驱动，运动状态如图5所示。基于DMU模块的仿真发现，本次设计的支柱式起落架各机构配合良好，仿真时无运动干涉，因此设计合理。

图4 起落架支柱受载初始状态三维模型

图5 基于CATIA DMU模块运动干涉分析

3 基于ANSYS起落架模型落震状态仿真分析

3.1 起落架模型导入ANSYS及参数设置

将所建模型导入ANSYS软件[9]，以B-737 800为例，其着陆重量大约为66 t。设置参数：1）建立一个新的项目。2）选中Engineering Data模块,修改选择材料为Iron。3)网格划分，选中Mesh模块Details of mesh选项网格参数。其中sizing中的Relevance Center选项设置为Medium,其余采用默认设置。网格划分图像如图6所示。4）施加载荷，选定Fixed support选项，选择需要施加固定约束的面。5）选择Pressure选项，同时在Magnitude选项设置压力为6 MPa。6）选择固定部件为地面与轮胎。7）模型仿真。

3.2 ANSYS仿真

对所建模型仿真，其中等效力云图、等效弹性变形云图与等效总变形云图结果如图7～图9所示。

3.3 仿真结果分析

1）由图7可知，在落震状态时，起落架受力的主要部分是主活塞，且其变形量最大，如图8所示。2）由图9可知，扭力臂除承受防止主活塞与次活塞相对转动的载荷外，还承受冲击载荷引起的变形。

综上所述，由以上仿真结果，在飞机起落架设计时除根据飞机降落时的冲击载荷合理设计主活塞、次活塞与防扭臂结构外，还要充分考虑由于载荷作用下各结构出现的变形，防止飞机降落或滑跑过程中出现机构运动干涉[10]。

图6 起落架模型网格划分

图7 等效力云图

图8 等效弹性形变云图

图9 总变形云图

4 支柱式起落架落震受力分析

4.1 起落架力学模型

假设：1）不考虑起落架的摆振与扭转以及防扭臂的质量，弹性轮胎简化为刚度为K的等效弹簧，缓冲支柱简化为阻尼为C的阻尼器;2）所有的力作用在同一个平面内;3）除缓冲器结构的水平挠度变形外,忽略缓冲器结构的其它变形[11]。则起落架系统可简化为二自由度系统的强迫振动。以缓冲器为研究对象，建立起落架力学模型如图10所示。

4.2 起落架受力分析

起落架受力如图11所示。

由以上假设条件，则主起落架受力模型为二自由度受迫振动。根据牛顿第二定律，缓冲器在冲击载荷F（主起落架作用的整个阶段，假设冲击载荷为简谐冲击载荷，即在F=fsin（ωx+ψ））作用下的运动微分方程为：

式中:x1、x2分 别 代表冲击载荷作用下，缓冲支柱和起落架机轮轮胎的位移;c为缓冲支柱等效阻尼;k为轮胎等效刚度。轮胎与缓冲支柱质量分别为m1、m2。

整理成矩阵形式为

图10 起落架力学模型

图11 支柱套筒式起落架受力分析图

式中：M、C、K别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；x和F分别为位移向量和力振幅向量。

设系统的稳态响应为

4.3 结果分析

1）在假设条件、力学模型与受力分析的基础上以简谐形式的冲击载荷建立了二自由度受迫振动的微分方程，对方程解耦、求解；2）通过计算，求出系统固有频率，在起落架设计时应避免系统固有频率与载荷作用下系统频率相等,以防止发生共振；3）根据计算结果以及的值作出振动的幅频特性曲线与相频特性曲线，依据图线的变化规律，将振动控制在合理的区域内[12-15]。

5 结论

好的起落架设计必须建立在正确的动力学分析的基础上，无论是在设计之初，通过动力学分析寻找符合要求的设计方案，还是通过动力学分析校核起落架系统是否满足设计要求，动力学分析方法都至关重要。

本文基于CATIA建模，由DMU模块进行运动仿真，检查起落架各机构运动干涉。由ANSYS分析起落架受力与变形，对关键部位的设计提出建议。以简谐形式的冲击载荷建立了二自由度受迫振动的微分方程，对方程解耦、求解。求系统固有频率,以防止发生系统共振。作出振动的幅频特性曲线与相频特性曲线，依据图线的变化规律，将振动控制在合理的区域。以上分析结果，对起落架减震、设计具有重要参考价值。依据以上分析与求解的参数，作出主要参数变化的曲线，合理选择振动控制区域，将振动控制在合理的范围内。

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