基于MATLAB GUI的滑橇起落架着陆性能计算方法

陈吴杰

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

目前，对于滑橇起落架着陆性能的计算和分析，国内外主要采用有限元分析方法。贝尔直升机公司的Cheng-Ho Tho、Chad E.Sparks等人采用LS-DYNA对矩形截面滑橇的着陆性能进行了分析[1]；陶周亮等采用ANSYS和LS-DYNA，通过二次开发搭建了滑橇起落架落震分析系统[2]。除了有限元分析方法，黄生月、张绍仪等采用“位移-增量迭代法”计算滑橇起落架的着陆性能[3]；黄生月、彭宗梁等在前面工作的基础上进行了带减振器的滑橇式起落架耐坠毁研究[4]。除了着陆性能的计算方法之外，滑橇起落架着陆性能分析的另一难点就是多工况下大量数据的处理。如何减少用户计算和数据处理的时间，提高滑橇起落架着陆性能的分析效率，就是本文研究的内容。

基于上述问题，本文在“位移-增量迭代法”的基础上，编写了滑橇起落架着陆性能MATLAB分析程序，并设计了滑橇起落架着陆性能计算GUI界面。该界面为用户提供了一个方便、高效的计算平台，界面简约友好，用户可以比较直观地查看着陆性能数据以及相关的功量曲线图(载荷-位移曲线)；并具备计算结果的批量导出功能，为滑橇起落架的着陆性能计算提供了新的方法手段，大大地提高了工作效率。

1 MATLAB GUI用户界面设计简介

图形用户界面GUI(Graphical User Interface)是使用图形对象(例如按钮、文本框、滚动条和菜单等)创建的用户界面。这些对象对计算机用户而言通常都有明确的含义，例如移动滚动条将会改变数值，按下“OK”按钮将完成并应用用户的设置，同时设置对话框消失。当然，用户必须保证这些不同对象间能够协调地工作。MATLAB用一个包含多种不同风格用户控件对象的图形窗口代表用户界面。用户必须对每一个对象进行编程，使用户在GUI中的行为能够达到相应的目的。

实现一个GUI的过程包括两个基本任务：一是GUI的组件布局，另一个是GUI组件编程。另外，用户还必须能够保存并发布自己的GUI，使得用户开发的图形界面能够真正得到应用[5]。

2 滑橇起落架着陆性能计算原理简介[6]

滑橇起落架的着陆性能分析是一个求解弹塑性大变形的几何、物理非线性问题。本文采用“位移-增量迭代法”计算滑橇起落架的着陆性能，滑橇的计算模型如图1所示。

图1 滑橇计算模型

图1中，首先将滑橇弓形梁划分为有限个梁单元，然后不断增加载荷，让弓形梁通过变形吸收着陆能量，直至飞机的着陆速度为0。具体的计算流程如下：

① 给定直升机的初始下沉速度Vm0；

②将滑橇划分为有限个梁单元并记录各个节点的初始坐标信息；

③ 给定载荷增量ΔP，垂向载荷Py(i)=Py(i-1)+ΔP，侧向载荷Pz(i)=f*Py(i)(f为滑橇与地面的摩擦系数)；

④ 根据公式(1)和(2)计算在载荷Py(i)和Pz(i)作用下的滑橇变形，并更新各个节点的坐标信息(β为表征切面弹塑性程度的系数)；

(1)

(2)

⑤ 计算第i次变形滑橇吸收的总功量Ayz，并根据公式(3)更新直升机的下沉速度；

(3)

⑥ 重复步骤③至⑤直至直升机的下沉速度Vm0等于或接近于零时计算结束。

3 滑橇起落架着陆性能计算界面在实际工程中的应用

某型号直升机在实际飞行中需要对滑橇起落架进行48种着陆工况的着陆性能分析。由于计算的工况较多，需要存储的数据量很大，运用传统的着陆性能计算方法，操作繁琐，且计算效率偏低。因此有必要采用批处理计算方法进行快速、准确的计算。

3.1 计算界面中各控件的设计及其功能

根据起落架着陆性能分析的需要，本界面需要实现的主要功能为：根据着陆工况和结构、材料参数，进行相关着陆性能的计算和分析，得到各着陆工况下的着陆载荷和变形，依此计算出各工况下其他的着陆性能参数，如：重心处垂直载荷、垂直位移、起落架吸收功量、效率系数等，并且可以得到各工况下的载荷-位移曲线。为实现以上计算功能，在界面中设置相应的控件。滑橇起落架着陆性能计算界面中主要控件的作用如表1所列。

表1 主要控件介绍

3.2 计算界面的实际操作

3.2.1 计算主界面

结合滑橇起落架实际的着陆性能分析要求，基于MATLAB GUI平台设计的着陆性能计算主界面如图2所示。该界面主要由输入参数显示区、命令选项区和计算结果区三个部分构成。输入参数显示区显示的是工况信息、材料信息和节点信息；命令选项区分为导入计算参数按钮、批量计算按钮和退出按钮；计算结果区分为上方的性能参数显示区和下方的绘图区。

3.2.2 计算界面的操作

以某型号直升机滑橇着陆性能计算为例，进行操作演示。

1)计算参数的导入。MATLAB GUI具有良好的数据接入端口，能够很好地与各类数据类型文件建立连接。对于本着陆性能计算界面，首先按照计算参数的模板填写相关参数，然后只需点击“导入计算参数”按钮，在弹出的对话框中选择需要打开的项目路径及文件，即可完成计算参数的导入。

2)材料参数的导入。同上所述，点击“材料参数”面板上的“导入”按钮，在弹出的对话框中选择需要打开的项目路径及文件，即可完成材料参数的导入。

3)材料参数的导出。点击“材料参数”面板上的“另存为”按钮，在弹出的对话框中选择需要保存的项目路径及文件名称，即可完成材料参数的导出。

4)批量计算。完成步骤(1)和(2)后，即可点击“批量计算”按钮，待弹出“计算完成！”对话框后，计算完成。

图2 着陆性能计算主界面

5)计算结果查询。在“计算结果”面板中，在上方的下拉框中选择某一工况，然后点击“查看结果”按钮，即可通过下面的文本框查看相关的计算结果。

6)载荷-位移曲线图的绘制。在“计算结果”面板中，在上方的下拉框中选择某一工况，然后点击“plot”按钮，即可通过下面的绘图区查看对应的载荷-位移曲线。如图3、图4和图5所示。

图3 前梁功量图

图4 后梁功量图

图5 前、后梁功量图

7)计算结果的批量导出。点击“计算结果”面板上的“输出结果”按钮，然后在弹出的对话框中选择需要保存的项目路径及文件名称，待弹出“导出完成！”对话框后，即可完成计算结果的批量导出。

8)保存载荷-位移曲线图。点击“计算结果”面板上的“保存图片”按钮，然后在弹出的对话框中选择需要保存的项目路径及文件名，即可保存载荷-位移曲线图。

通过实际应用可以看出，基于MATLAB GUI的滑橇起落架着陆性能计算界面可以很方便地查看各着陆工况和各节点信息。通过可视化界面以及高效的计算能力，大大地简化了对多工况的滑橇起落架着陆性能的计算过程，提高了工作效率。

4 GUI计算界面的优势

1)操作简单，计算效率高。将滑橇起落架着陆性能计算界面化，简化了用户的操作，批处理计算和结果批量导出功能大大提高了计算效率，并且减少了人为操作造成的计算错误。

2)良好的数据接口。MATLAB GUI具有良好的数据接入端口，能够很好地与各类数据类型文件建立连接，方便用户对原始计算参数的处理。

3)计算结果显示简洁、清楚。通过相应的文本框和绘图区，方便用户直观地查看计算结果。

5 结论

多工况下的滑橇起落架着陆性能分析是一个非常复杂繁琐的工作，如何摆脱繁琐的计算数据整理和分析是当前工程项目过程中所急需解决的问题。本文基于MATLAB GUI设计的滑橇起落架着陆性能计算界面，充分地将MATLAB强大的工程计算、图形处理及可视化界面设计能力应用到实际工程中，为工程计算提供了一个方便、高效的集成环境和友好的用户界面，为滑橇起落架着陆性能的自动化分析提供了良好的操作平台。