基于MSC.ADAMS/aircraft对某型飞机前起落架摆振仿真分析

2017-03-02 by:CAE仿真在线来源:互联网

本文建立了某型飞机支柱式前起落架的摆振动力学模型,在MSC.ADAMS/aircraft平台上建立该起落架虚拟样机,并进行起落架的摆振仿真分析,通过分析得出对减摆有利的减摆阻尼和轮胎压力,为起落架设计和摆振实验提供理论依据和技术支持。

引言
飞机前轮摆振是飞机研制和使用中屡见的一种严重故障,是飞机结构动力学的一个重要课题。摆振问题的研究在国外已经很成熟,但是在国内,摆振问题还是存在的,尽管研究工作从六十年代就开始了。然而,目前对摆振的研究还只是对摆振稳定性的研究分析,用软件对摆振的仿真分析还是很少的,即使有也是自己编制的软件,仿真结果也不是很精确。而国外在摆振这块已经能够很成熟的运用大型商用软件(如:MSC.ADAMS等。)对起落架摆振问题进行仿真分析。本文建立了某型飞机前起落架的动力学模型,并在MSC.ADAMS/aircraft平台上对该起落架建立虚拟样机并进行仿真分析,最后通过分析得出对减摆有利的减摆阻尼和轮胎压力,为起落架设计和摆振实验提供理论依据和技术支持。
1.起落架的动力学建模
在分析中使用了五个自由度用于描述前轮摆振运动,自由度说明如下:
α 前轮围绕前起落架旋转轴轴线的侧向转动;
θs 前轮围绕支柱轴线的摆动角;
θl 减摆器处围绕支柱轴线的转动角;
φ0 轮胎的侧向偏移;
λ0 轮胎弹性扭转角。

基于MSC.ADAMS/aircraft对某型飞机前起落架摆振仿真分析 - 林子 - 林子清风 CAE/CFD工作室

图1 双轮共转形式的前起落架动力学分析模型

轮胎的弹性变形λ0 和φ0并不是两个独立的自由度,二者均可以用上述的几个自由度线性表示。这里坐标系为向上为Z方向,向上为正;航向为X方向,航向反向为正;侧向为Y方向,正负根据右手定则确定。
2. 仿真建模
通过上面动力学模型的详细分析,在MSC.ADAMS/aircraft模块中根据某型飞机前起落架的具体参数建模,如图2。建模的过程主要是运用软件中的建模功能,建立虚拟样机,主要包括:模拟机身的subframe、上下支柱、防扭力臂、支撑杆、轮轴以及飞机机轮等。这里最复杂的就是建立模拟的缓冲器,本文是采用建立空气弹簧、油液阻尼器以及挡板来模拟单腔的缓冲器,并且输入了诸多的参数来准确模拟真实情形。

图2 某型飞机前起建模以及装配图

为了在MSC.ADAMS/aircraft中实现摆振实验,要对上面的模型进行以下修改。首先,为了模拟支柱的弹性,在支柱的顶部加一轴衬(如图3-a),并且根据静力实验或静力分析得出的X、Y方向线性刚度以及Z方向扭转刚度来修改轴衬的属性文件。其次,为了模拟减摆器的减摆阻尼,在支柱的collar上添加一个变扭矩操纵器(如图3-b),在这个操纵器里面可以修改减摆器的减摆阻尼。最后,为了模拟着落过程有很大的侧向冲击载荷,在起落架下支柱的轴承上加一个侧向冲击载荷,本文采用加载一次冲击载荷来模拟(如图3-c),这和国内摆振实验的方法也是一致的。

(a) (b) (c)

图 3 模型局部细节图

3.仿真分析
3.1 根据实际参数修正数据
虚拟样机建好以后要根据实际的数据修改一些属性文件,比如:要根据静力实验来确定X、Y方向线性刚度以及Z方向扭转刚度,还有其他一些数据可以根据经验公式算出,静强度实验得出的数据如表1。

表1 某型飞机前起落架静强度实验数据表

3.2 仿真分析
在Template Builder中建立好起落架和轮胎模型,并修正好所有数据以及属性文件。然后将模型导入Standard Interface中进行分析。分析的过程中可以采用调节扭转阻尼和轮胎压力大小来测试起落架是否摆振,最后挑选出适合飞行的减摆阻尼和轮胎压力。为此,制定工况如下:

表2 仿真实验工况表

经过实验,可以发现当轮胎压力不变的时候,扭转阻尼对摆振的影响特别大,如图4:

图4 不同扭转阻尼的侧向力与时间曲线对比图图5扭转阻尼为500时发生摆振时的侧向力与时间曲线

图6 模拟冲击载荷与时间关系曲线图7 不同扭转阻尼轮胎偏离触地中心距离与时间关系曲线对比图

可以看出当扭转阻尼为500 N.mm.s/Deg时,发生了频率不高的轮胎型摆振(如图5);当阻尼增加到5000 N.mm.s/Deg,同时受到侧向冲击力的时,机轮发生轻微摆动,最后收敛,没有发生摆振;当阻尼增加到10000 N.mm.s/Deg时,同样发生轻微摆动,最后收敛,不同的是收敛时间比较短,由此,可以得出结论正常飞行的时候建议减摆阻尼设定在5000 N.mm.s/Deg以上。

表3 轮胎压力与最大侧向载荷关系表

实验中,发现轮胎压力对摆振也是有影响的,压力太大,侧向力大,压力太小,侧向力也比较大,容易造成侧滑,使得操纵飞机不稳定。由轮胎压力与侧向力关系表可以看出,0.55MPa是比较适合正常飞行的轮胎压力。
4.结论
摆振在飞机故障中占很大的比例,目前国内对摆振的研究还不成熟,且大多采用实验的方法,耗时耗力。本文就某型飞机前起落架采用MSC.ADAMS软件进行虚拟仿真,通过分析可以得出减摆阻尼应该设定在5000 N.mm.s/Deg以上,轮胎压力应该选择0.55MPa,这些数据为起落架设计人员对该型起落架的设计和实验提供了指导,节省了设计、实验开销,缩短了起落架设计周期,也使起落架的设计进入了数字化时代。

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