基于MSC.ADAMS/aircraft對某型飛機前起落架擺振仿真分析

2017-03-02 by:CAE仿真在線來源:互聯網

本文建立了某型飛機支柱式前起落架的擺振動力學模型,在MSC.ADAMS/aircraft平臺上建立該起落架虛擬樣機,并進行起落架的擺振仿真分析,通過分析得出對減擺有利的減擺阻尼和輪胎壓力,為起落架設計和擺振實驗提供理論依據和技術支持。

引言
飛機前輪擺振是飛機研制和使用中屢見的一種嚴重故障,是飛機結構動力學的一個重要課題。擺振問題的研究在國外已經很成熟,但是在國內,擺振問題還是存在的,盡管研究工作從六十年代就開始了。然而,目前對擺振的研究還只是對擺振穩定性的研究分析,用軟件對擺振的仿真分析還是很少的,即使有也是自己編制的軟件,仿真結果也不是很精確。而國外在擺振這塊已經能夠很成熟的運用大型商用軟件(如:MSC.ADAMS等。)對起落架擺振問題進行仿真分析。本文建立了某型飛機前起落架的動力學模型,并在MSC.ADAMS/aircraft平臺上對該起落架建立虛擬樣機并進行仿真分析,最后通過分析得出對減擺有利的減擺阻尼和輪胎壓力,為起落架設計和擺振實驗提供理論依據和技術支持。
1.起落架的動力學建模
在分析中使用了五個自由度用于描述前輪擺振運動,自由度說明如下:
α 前輪圍繞前起落架旋轉軸軸線的側向轉動;
θs 前輪圍繞支柱軸線的擺動角;
θl 減擺器處圍繞支柱軸線的轉動角;
φ0 輪胎的側向偏移;
λ0 輪胎彈性扭轉角。

基于MSC.ADAMS/aircraft對某型飛機前起落架擺振仿真分析 - 林子 - 林子清風 CAE/CFD工作室

圖1 雙輪共轉形式的前起落架動力學分析模型

輪胎的彈性變形λ0 和φ0并不是兩個獨立的自由度,二者均可以用上述的幾個自由度線性表示。這里坐標系為向上為Z方向,向上為正;航向為X方向,航向反向為正;側向為Y方向,正負根據右手定則確定。
2. 仿真建模
通過上面動力學模型的詳細分析,在MSC.ADAMS/aircraft模塊中根據某型飛機前起落架的具體參數建模,如圖2。建模的過程主要是運用軟件中的建模功能,建立虛擬樣機,主要包括:模擬機身的subframe、上下支柱、防扭力臂、支撐桿、輪軸以及飛機機輪等。這里最復雜的就是建立模擬的緩沖器,本文是采用建立空氣彈簧、油液阻尼器以及擋板來模擬單腔的緩沖器,并且輸入了諸多的參數來準確模擬真實情形。

圖2 某型飛機前起建模以及裝配圖

為了在MSC.ADAMS/aircraft中實現擺振實驗,要對上面的模型進行以下修改。首先,為了模擬支柱的彈性,在支柱的頂部加一軸襯(如圖3-a),并且根據靜力實驗或靜力分析得出的X、Y方向線性剛度以及Z方向扭轉剛度來修改軸襯的屬性文件。其次,為了模擬減擺器的減擺阻尼,在支柱的collar上添加一個變扭矩操縱器(如圖3-b),在這個操縱器里面可以修改減擺器的減擺阻尼。最后,為了模擬著落過程有很大的側向沖擊載荷,在起落架下支柱的軸承上加一個側向沖擊載荷,本文采用加載一次沖擊載荷來模擬(如圖3-c),這和國內擺振實驗的方法也是一致的。

(a) (b) (c)

圖 3 模型局部細節圖

3.仿真分析
3.1 根據實際參數修正數據
虛擬樣機建好以后要根據實際的數據修改一些屬性文件,比如:要根據靜力實驗來確定X、Y方向線性剛度以及Z方向扭轉剛度,還有其他一些數據可以根據經驗公式算出,靜強度實驗得出的數據如表1。

表1 某型飛機前起落架靜強度實驗數據表

3.2 仿真分析
在Template Builder中建立好起落架和輪胎模型,并修正好所有數據以及屬性文件。然后將模型導入Standard Interface中進行分析。分析的過程中可以采用調節扭轉阻尼和輪胎壓力大小來測試起落架是否擺振,最后挑選出適合飛行的減擺阻尼和輪胎壓力。為此,制定工況如下:

表2 仿真實驗工況表

經過實驗,可以發現當輪胎壓力不變的時候,扭轉阻尼對擺振的影響特別大,如圖4:

圖4 不同扭轉阻尼的側向力與時間曲線對比圖圖5扭轉阻尼為500時發生擺振時的側向力與時間曲線

圖6 模擬沖擊載荷與時間關系曲線圖7 不同扭轉阻尼輪胎偏離觸地中心距離與時間關系曲線對比圖

可以看出當扭轉阻尼為500 N.mm.s/Deg時,發生了頻率不高的輪胎型擺振(如圖5);當阻尼增加到5000 N.mm.s/Deg,同時受到側向沖擊力的時,機輪發生輕微擺動,最后收斂,沒有發生擺振;當阻尼增加到10000 N.mm.s/Deg時,同樣發生輕微擺動,最后收斂,不同的是收斂時間比較短,由此,可以得出結論正常飛行的時候建議減擺阻尼設定在5000 N.mm.s/Deg以上。

表3 輪胎壓力與最大側向載荷關系表

實驗中,發現輪胎壓力對擺振也是有影響的,壓力太大,側向力大,壓力太小,側向力也比較大,容易造成側滑,使得操縱飛機不穩定。由輪胎壓力與側向力關系表可以看出,0.55MPa是比較適合正常飛行的輪胎壓力。
4.結論
擺振在飛機故障中占很大的比例,目前國內對擺振的研究還不成熟,且大多采用實驗的方法,耗時耗力。本文就某型飛機前起落架采用MSC.ADAMS軟件進行虛擬仿真,通過分析可以得出減擺阻尼應該設定在5000 N.mm.s/Deg以上,輪胎壓力應該選擇0.55MPa,這些數據為起落架設計人員對該型起落架的設計和實驗提供了指導,節省了設計、實驗開銷,縮短了起落架設計周期,也使起落架的設計進入了數字化時代。

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