计及舰面共振影响的舰载直升机起落架液压缓冲器性能分析

(1.南京航空航天大学 航空学院，江苏 南京 210016； 2.贵州理工学院 航空航天工程学院，贵州 贵阳 550003)

引言

旋翼直升机相比固定翼飞机有其独特的优势，被广泛用在军事和民用的许多领域，而舰载直升机在深海战略中的作用日益增强[1-2]。

与陆基直升机不同，舰载直升机舰面起降时需要承受舰船运动与舰船空气尾流的共同作用，对飞行员来说，舰载直升机起降是最危险的任务[3-4]。与“地面共振”类似，“舰面共振”是舰载直升机起降过程中可能遇到的具有较强破坏性的自激振动现象，此振动一旦出现，需要飞行员在较短的时间内完成相关处置操作，这加大了舰载直升机飞行员的操作难度[5]。因此，在设计阶段必须将舰载直升机“舰面共振”的影响考虑在内。起落架缓冲器是舰载直升机上的主要吸收振动与冲击能量的部件，可以消耗“舰面共振”产生的能量。所以，分析“舰面共振”时起落架缓冲器的工作状态是很有必要的。

由于造成“舰面共振”自激振动现象的因素较多，目前主要从理论分析和数值仿真两个方面研究直升机“舰面共振”动力学问题。胡国才等[6]利用缓冲器和轮胎的等效线性模型，提出了预估刚性机体在起落架上固有频率的计算方法。费景荣等[4]提出应当重点保证起落架缓冲器(油液，填充压力)和旋翼减摆器的阻尼性能来预防卡型直升机“舰面共振”。

刘洋等[7]考虑了舰载直升机起落架的非线性和非对称性的特点，分析了“舰面共振”稳定性。吴婧等[8]提出了满足“地面共振”稳定性要求的起落架刚度和阻尼的优化方法。上述文献均较少地涉及“舰面共振”对起落架缓冲器油液流动和压力状态的影响。

基于此，本研究通过对舰载直升机起落架缓冲器工作原理的分析，建立直升机多体系统动力学模型和起落架缓冲器的AMESim模型，通过仿真分析，获得了主起落架缓冲器高压腔、低压腔压力和油孔油液流量的数据。以此分析“舰面共振”对主起落架缓冲器气腔压力和油液流动的影响。

1 “舰面共振”和液压缓冲器的工作原理

1.1 “舰面共振”产生机理

与陆基直升机“地面共振”振动机理相同，舰载直升机“舰面共振”由旋翼摆振后退型振动与机体模态振动耦合所产生，属于自激振动[4]。此种形式的振动一般发生在铰接式旋翼或摆振柔软的直升机上。“舰面共振”发生时直升机旋翼转速处于不稳定转速区，阻尼装置不能完全消耗振动系统的能量，使振动能量不断积累进而造成直升机破坏。若使直升机额定转速远离不稳定转速区或者保证振动系统有足够的阻尼就可以避免“舰面共振”不稳定现象[8-9]。而直升机振动系统的阻尼主要由起落架缓冲器和旋翼减摆器提供。由于舰船运动尤其是舰船横摇运动的影响，直升机起降时起落架更易产生非对称变形。舰船空气流场对旋翼系统的影响，进一步加强了直升机所受到的扰动[10]。以上两种因素使得“舰面共振”比“地面共振”更容易出现。

1.2 主起落架液压缓冲器工作原理

起落架对舰载直升机的起飞和着舰起着至关重要的作用，而缓冲器是起落架吸收能量的主要部件[11-12]。一般直升机主起落架液压缓冲器采用双腔型式，即液压缓冲器由3部分组成：高压腔、低压腔和油腔，如图1所示。

1．高压腔隔离活塞 2.低压腔隔离活塞 3.油孔 4.高压腔5.低压腔 6.下油腔 7.压缩阻尼腔 8.反弹阻尼腔图1 起落架缓冲器示意图

当起落架支柱开始压缩时，低压腔首先被压缩，同时，油液从下油腔经过油孔被压进压缩阻尼腔和反弹阻尼腔。当低压腔压力与高压腔压力相等且持续增大时，高压腔隔板开始起作用，此时高压腔开始被压缩。通过压缩缓冲器，直升机着陆或着舰的冲击载荷被有效地吸收。

2 直升机多体系统和液压缓冲器建模

2.1 直升机多体系统动力学建模

全机动力学模型是通过三维软件CATIA完成三维实体与曲面建模，然后导入LMS.Virtual.Lab Motion，通过建立运动副、约束将直升机各构件联系起来，根据拉格朗日乘子法建立多体系统动力学模型[13]，影响“舰面共振”的直升机多体系统中各部件的连接关系如图2所示。

图2 直升机多体系统主要部件及其连接关系

2.2 舰船运动参数

舰船在恶劣海况中的运动主要由线性位移和旋转构成，而影响直升机运动状态的舰船运动状态主要有横摇、纵摇、垂荡[14-15]。因此，以上3种运动采用简谐运动形式，并且同时考虑舰船的横摇、纵摇和升沉[16-17]。舰船最大横摇角、纵摇角和垂荡位移分别为7.5°，2°，2 m，舰船运动周期分别为16，20，24 s。

2.3 液压缓冲器数学模型

根据液压缓冲器结构，起落架对缓冲器支柱的作用主要包括缓冲器压缩行程s和压缩速度vn[18]。

缓冲器压缩行程：

(1)

式中，Qb—— 空气弹簧力，N

p0—— 初始充气压力，Pa

V0—— 为初始气体体积，m3

Fb—— 为活塞或活塞杆的面积，m2

缓冲器压缩速度:

(2)

式中，ζ—— 流体阻力系数

ρ—— 油液密度，kg/m3

Fy—— 排挤油液的柱塞面积，m2

Qy—— 油液阻尼力，N

f—— 通油孔面积，m2

2.4 AMESim液压缓冲器仿真建模

多体系统数学建模方法无法观察“舰面共振”时液压缓冲器内部流量特性，本研究采用AMESim对液压缓冲器进行建模仿真[19]。仿真模型根据实际情况选用AMESim中的信号控制库、机械库、液压元件库、气压元件库中的原件进行搭建[20]。

根据液压缓冲器的结构和工作原理建立的AMESim仿真模型如图3所示，仿真参数设置如表1。图4为多体系统与AMESim数据交互示意图。

1.高压腔 2.低压腔 3.下油腔 4.反弹阻尼腔5.压缩阻尼腔 6.主油孔 7.回油孔图3 主起落架液压缓冲器AMESim仿真模型

如图4中所示，在每个时间步长上，AMESim液压模型接收来自多体系统中缓冲器支柱两端的位移和速度，通过计算向多体系统反馈缓冲器支柱两端作用力。

图4 直升机多体系统与AMESim数据交互示意图

表1 AMESim仿真模型参数

3 仿真分析

3.1 旋翼持续加速且跨过不稳定转速区时缓冲器状态分析

通过多体系统动力学“舰面共振”仿真计算可以得出16 s舰船运动周期且直升机旋翼转速跨过不稳定转速区时直升机左右主起落架缓冲器低压腔、高压腔的压力p以及油孔的流量V。结果如图5～图7所示。

图5 缓冲器低压腔和高压腔的压力状态曲线

从图5可以看出左右主起落架缓冲器的高压腔并没有起作用，其压力一直维持在初始状态。在32 s之前两侧低压腔压力变化较平缓，这种变化主要由舰船横摇运动引起。在35～60 s之间变化较剧烈，这说明旋翼转速进入了不稳定转速区。其后低压腔的压力变化开始趋于平缓，这说明跨过了不稳定转速区。此外，从图5还可以看出在不稳定转速区之外左右低压腔最大压力并不一致，这是由舰船横摇运动周期与垂荡周期相同使得一侧起落架的载荷较大所造成的。

从图6可以看出，左右缓冲器主油孔流量在进入不稳定转速区后产生了剧烈地震荡，且振幅远大于处于不稳定转速区之外的振幅。左侧缓冲器主油孔流量振幅大于左侧缓冲器，这也是由舰船横摇与垂荡周期相同引起的左右起落架载荷不对称所造成的，由舰船运动引起的左右缓冲器压缩量和压缩速度的差异在缓冲器低压腔压力和节流孔油液流速上得到了很好的体现。

图6 缓冲器主油孔流量状态曲线

图7中油孔流量与缓冲器支柱压缩速度有关，在进入不稳定转速区时“舰面共振”引起了此油孔的反复开闭，相比主油孔来说此油孔的流量较小。

图7 缓冲器回油孔流量状态曲线

3.2 旋翼转速维持在不稳定转速区时缓冲器状态分析

当直升机旋翼加速至不稳定转速区且维持在“舰面共振”状态时。主起落架缓冲器低压腔压力p、高压腔的压力ph以及两油孔的流量V如图8～图11所示。

图8 缓冲器低压腔压力状态曲线

图9 缓冲器高压腔压力状态曲线

图10 缓冲器主油孔流量状态曲线

图11 缓冲器回油孔流量状态曲线

从图8、图10和图11可以看出，在进入“舰面共振”不稳定转速区后，低压腔压力和两油孔流量均有了大幅增加且出现了持续的强烈震荡状态，在非“舰面共振”状态时，虽然仅由舰船运动引起的左侧主起落架缓冲器低压腔最大压力高于右侧，但在持续“舰面共振”状态下，右侧缓冲器低压腔的最大压力高于左侧，“舰面共振”状态最大压力比非“舰面共振”状态高出近23.8%。从图9可以看出，在“舰面共振”状态持续时间较长时，高压腔产生了压力波动，且右侧缓冲器高压腔压力大于左侧，右侧主起落架缓冲器的高压腔的压力增长了约8.3%。由此，处于“舰面共振”不稳定转速区的直升机，其起落架缓冲器的高压腔在一定条件下将会起作用，这对减弱起落架承受的动载荷有积极的作用。

3.3 舰船运动周期对起落架缓冲器的影响

飞行甲板以基础激励的方式影响舰载直升机的振动状态。因此，需要分析舰船运动周期对起落架缓冲器压缩状态的影响。将直升机旋翼加速至不稳定转速区且维持在“舰面共振”状态，舰船运动周期为16，20，24 s。高压腔压力ph如图12所示。

图12 缓冲器高压腔压力状态曲线

从图12可以看出，在3种不同舰船运动周期下高压腔都起了作用。在舰船运动周期较短时，缓冲器高压腔压力随舰船运动周期的增大略有增大，但是当舰船运动周期过长时，缓冲器高压腔最大压力增长不再明显。由此可判断，相比“舰面共振”由舰船运动周期变化引起的缓冲器内部高压腔最大压力的差异较小。

4 结论

本研究针对舰载直升机建立了多体系统动力学模型和起落架缓冲器AMESim液压模型，根据不同“舰面共振”状态的仿真分析得到了左右主起落架缓冲器低、高压腔的压力状态曲线和阻尼孔流量曲线，根据对比分析得出结论如下：

(1) 在不稳定转速区之外，起落架缓冲器的不对称压缩主要由舰船运动引起；

(2) 旋翼持续加速且在短时间内跨过不稳定转速区时，“舰面共振”积累的能量不足，低压腔压力和阻尼孔流量峰值达到最高后迅速衰减。但在不稳定转速区内，舰船运动引起的左右缓冲器不对称压缩仍然比较明显；

(3) 在旋翼加速较慢时，即直升机长时间处于“舰面共振”状态时，直升机积累了足够的振动所需的能量。此时，缓冲器气腔压力和阻尼孔流量均比快速通过转速区时有显著增加。相比舰船运动，“舰面共振”引起的起落架缓冲器压力和流量的变化更加明显；

(4) 从起落架缓冲器的角度，直升机在起飞和着舰阶段，旋翼转速应尽可能快速地通过不稳定转速区，舰船应尽可能调整浪向角，以避免起落架缓冲器过强的不对称压缩。