基于LMSVirtual.LabMotion的起落架落震仿真分析.pdf

基于 LMS Virtual.Lab Motion 的起落架落震仿真分析 引言 飞机起落架是供飞机起飞、着陆时在地面上滑行和停放用的，它是飞机的主要部件之一，用于传递地面对机身的载荷，其工作性能的好坏及其可靠性直接影响飞机的使用和安全。近年来，随着计算机技术的发展，虚拟样机技术广泛地应用到动力学系统的仿真分析中来1。飞机起落架仿真技术是集建模、仿真、分析于一体的技术，它具有直观性好，通用性强的特点。本文在 LMS_Motion 软件平台上，建立了某型机前、主起落架虚拟样机模型，并进行了落震仿真分析。1 仿真建模 针对起落架 CATIA 模型中未完成的简化修改，在 LMS 环境下对起落架模型进行进一步处理，将起落架简化为六大部分：机轮、摇臂、支柱（包含支柱转轴）、收放做动杆、缓冲器套筒、缓冲器活塞杆。模型简化遵循以下原则2：1）与运动副和约束无关的局部特征可以被去掉；2）非关键处的倒角和孔可以被去掉；3）与所关注传力路径和运动无关的模型几何特征可以被去掉。起落架模型简化后，根据飞机起落架系统运动形式和各零件之间关系，定义合适运动副，装配过程中零件之间的约束也同时生成。某型机前、主起落架简化后的模型分别如图 1、图 2 所示。图 1 某型机前起落架模型 图 2 某型机主起落架模型 2 缓冲器性能的定义 起落架缓冲性能主要依靠缓冲器来实现，缓冲器对于起落架至关重要，缓冲器的仿真建模也是虚拟样机设计的关键。本文在支柱和活塞杆上分别选择两点，然后建立传感器坐标系，如图 3 所示。通过参数表达式测出这两点的相对运动行程及速度，方向为落震方向。图 3 传感器坐标系的建立 缓冲器轴向力SF可以统一表示为3：SLahfFFFFF （1）2.1 空气弹簧力 某型飞机前、主起落架均采用双气腔缓冲器，其空气弹簧力可表示为：000000000 (S)1/()(S)1/11/aaLaaaLaaaaLaLLatmLHrLLaLLatmstructLHLHLHHrLLaaLHLHatmarLLaaPAPSSA S VPAPkSSSSSFA S VPPAPAAA S V000/(S)HatmrHHLHHaLHHPSSSVSS （2）式中：0LaV低压气腔初始容积；aLA低压气腔有效压气面积；Lr低压气腔压缩多变指数；0aLP低压气腔初始压力；0HaV高压气腔初始容积；Hr高压气腔压缩多变指数；HaA高压气腔有效压气面积；0aHP高压气腔初始压力；LHS低压气腔结构最大行程；0HS高压气腔结构初始行程；001HHmaaatmHstructKAPPSk (3)由公式（2）可以看出，缓冲器空气弹簧力是随行程变化的一条曲线。在 LMS_Motion 环境中，直接从外界分别读入aF随S变化的正反行程曲线，缓冲器行程S通过前面建立的传感器坐标系可以很准确的测出，然后通过加参数表达式查表来准确地找出该行程所对应的空气弹簧力，如图 4 所示。图 4 参数表达式的建立 最后通过加力表达式来完成对空气弹簧力的定义，如图 5 所示。图 5 力表达式的建立2.2 油液阻尼力 当缓冲器工作时，油液通过主油腔和回油腔中的阻尼孔产生油液阻尼力，油液阻尼力hF是缓冲器消耗能量的主要力学元件，油液阻尼力的大小与压油面积、油孔形状以及缓冲器工作过程支柱内筒的运动速度等有关，为了获得满意的耗能效果，许多缓冲器内设计有截面变化的油针用于改变随行程变化时的净油孔面积。油液阻尼力的表达式为：.3232.2222()()22hhhdddsdsA SA SFSng SSng SC AC A （4）其中，()Sng是符号函数，具体形式如下：.1 0 ()1 0 SSng SS （5）整理式（4），可以得到油液阻尼系数的表达式为：.3232222222hhNdddsdsA SA SCC AC A （6）式中，油液密度；hA主油腔有效压油面积；dA正、反行程时主油孔有效过流面积；dC，dsC正，反行程时主油孔流量系数；hA回油腔有效压油面积；dsA回油孔有效过流面积；dsC回油孔流量系数；由公式（4）可以看出，油液阻尼力是随速度的平方变化的一条曲线，但是由于此曲线的正反行程均为非单调曲线，不容易得出规律。所以本文从外部分别读入正反行程时油液阻尼系数随行程变化的曲线。行程S的测定方法和前面加空气弹簧力一样，也是通过传感器坐标测得，然后通过加参数表达式准确找出该行程时对应的油液阻尼系数，再乘以通过传感器坐标系测得的这两点的速度的平方，最后通过加力表达式即可完成对油液阻尼力的定义，参数表达式和力表达式的定义方法均与定义空气弹簧力相同。2.3 结构限制力 00maxmaxmax 0 ()SLLLK SSSFSSSKSSS （7）式中，LK缓冲器轴向拉压刚度；maxS缓冲器最大行程；S缓冲器行程.缓冲器结构限制力根据缓冲器行程施加，本文采取在行程末端加一较大的力来实现。2.4 干摩擦力 缓冲器正反行程干摩擦力一般不超过缓冲器总轴向力的 5%，其表达式为：.fmaSFK FS （8）式中：mK摩擦系数，在 0.10.2 范围内选取；aF空气弹簧力；.S活塞相对外筒速度。本文取空气弹簧力的 0.1 倍，方向与油液阻尼力方向一致。3 起落架落震仿真分析 起落架仿真模型以及缓冲器性能定义好之后，在轮胎与路面间定义轮胎垂直压缩力，通过从外部读入轮胎静压曲线，并定义摩擦系数得到。最后设置落震投放重量、自由落震高度、轮胎转速、仿真时间、步长等参数，并提交求解器计算。软件将按照设定的要求开始分析，并实时显示样机的运动状况，直到仿真分析设定的时间为止。某型机前、主起落架缓冲器行程时间历程曲线与仿真动画同步演示如图 6、图 7 所示：图 6 某型机前起缓冲器行程曲线与动画同步演示 图 7 某型机主起缓冲器行程时间历程曲线与动画同步演示 前、主起轮胎垂直力时间历程曲线与动画同步显示分别如图 8、图 9 所示：图 8 某型机前起轮胎垂直力时间历程曲线与动画同步显示 图 9 某型机主起轮胎垂直力时间历程曲线与动画同步显示 某型机前、主起缓冲系统功量图分别为图 11、图 12 所示：图 11 某型机前起落架缓冲系统功量图 图 12 某型机主起落架缓冲系统功量图 从上面功量图可以看出，前起缓冲器功量曲线的中间部分不饱满，说明正行程流体阻尼较小，而功量图反行程曲线陡峭下降，表明反行程阻尼太大。主起功量图较饱满，但是载荷峰值出现较早，说明缓冲器较刚硬。针对这些仿真分析结果，设计人员可以通过优化油孔尺寸来改进设计。下表 1、表 2为 LMS 软件仿真分析结果与试验结果的对比。表 1 某型机前起落架落震LMS 软件仿真分析与试验结果对比 过载系数 缓冲器行程(mm)轮胎垂直力（kN）仿真结果 2.82 279.85 62.15 试验结果 2.91 285.15 64.48 相对误差 3.2%1.9%3.7%表 2 某型机主起落架落震LMS 软件仿真分析与试验结果对比 过载系数 缓冲器行程(mm)轮胎垂直力(kN)仿真结果 2.64 469.85 100.40 试验结果 2.72 478.45 103.98 相对误差 3.0%1.8%3.6%从表 1、表 2 的数据对比可以看出，起落架的主要性能指标，如缓冲器过载系数、缓冲器支柱行程、缓冲器垂直载荷的仿真值与试验值的相对误差较小，说明仿真模型的建立与仿真方法都具有较高的可信度。而且，动画与曲线同步显示，既直观又明了，能够很形象地重现落震试验事件场景，这也是 LMS 软件做仿真分析优于其他软件的重要原因。3 结论 利用LMS建立起落架虚拟样机模型，能够准确地对起落架着陆动态性能进行分析。今后在起落架动力学仿真方面还需要开展以下工作：（1）建立更准确的起落架轮胎模型及跑道模型，提高虚拟样机建模的可靠性；（2）对大展弦比的飞机，充分考虑柔性机体的影响因素，进行全机着陆滑跑动力学仿真分析；（3）利用 Image Lab AMESIM 软件建立一维的液压控制系统仿真模型，结合起落架三维多体系统仿真模型，建立一维和三维混合仿真模型，更好地模拟真实情况，提高起落架动力学仿真分析的准确性。