基于adams的小车式起落架仿真分析

基于adams的小车式起落架仿真分析

仿真分析过程飞机布局是飞机布局和地面的支持机构，其工作性能直接影响飞机布局和飞机布局的安全性和舒适度。因此，飞机结构的设计和性能分析在飞机结构设计中发挥着非常重要的作用。但是长期以来，国内起落架的设计还沿用传统的方法，即先根据所研究的起落架建立简化的数学模型，然后利用计算机程序求解所得的微分方程组。这种方法的主要缺点是计算过程复杂，参数优化困难，研制周期长以及程序通用性差和计算精度不高。近年来，随着计算机技术的发展，虚拟样机技术广泛的应用到动力学系统的仿真分析中来利用美国MSC公司的CATIA和ADAMS软件进行起落架的仿真分析，首先建立了小车式起落架的数字样机，然后在ADAMS中进行了起落架收放仿真分析和着陆撞击的动力学仿真分析，并对可能影响小车式起落架缓冲性能和载荷分配的参数进行了设计分析。通过这些分析，实现了起落架设计与分析一体化，证明了基于ADAMS的起落架仿真技术相对于传统方法而言，具有过程简单，可视化强，通用性好和准确度高的优点。1模拟模型的构建1.1起落架收放分析由于小车式起落架的机构造型较为复杂，并且为了便于实现仿真分析与数字样机技术相结合，采用了专门的CAD软件MSC/CATIA进行起落架的建模，建模的过程分为三步：(1)MSC/CATIA环境下建立起落架建模及装配，起落架装配件及其部件如图1所示；(2)利用MSC/SimDesigner插件定义起落架各部件之间的运动约束；(3)将定义好运动约束的CAD模型导入ADAMS/view下完成模型的建立，如图2所示。图2是进行起落架收放分析的模型，模型中除了起落架组件外，另外加入了起落架的固定机架。所有起落架零部件均为钢制部件。其中斜撑杆、吊挂部件分别与机体相连以传递载荷。轮胎直径1000mm，其质量为50KgㄢMSC/SimDesigner是MSC公司为ADAMS和CATIA设计的接口插件，用户可以在SimDesinger中定义起落架各部件间的约束关系，并直接生成ADAMS的*.bin文件，然后就可以将模型导入ADAMS中。1.2轮胎模型的建立ADAMS中提供了专门的Tire模块来为虚拟样机模型定义轮胎但对于起落架冲击载荷，尤其是垂直方向上的力，以上大部分模型，如FIALA、PAC89以及UA轮胎模型，都采用以下的公式计算垂直方向作用力:式中：K—轮胎的垂直方向刚度C—轮胎垂直方向阻尼系数δ—轮胎的变形量—轮胎变形率从公式(1)可以看出，这些轮胎模型对轮胎在垂直方向作用力的计算都是建立在将轮胎假设为一个线性弹簧和线性阻尼的组合体。在研究起落架的撞击时，如果轮胎的非线性对飞机的地面撞击载荷影响不大时，这种假设是可以接受的，因此，本文中的模型最终选择了Fiala轮胎模型。Fiala轮胎是ADAMS中应用最广泛的轮胎模型，在轮胎与地面的接触状态是2D和3D时都能够适用，用户可以在Fiala的轮胎属性文件中定义轮胎的相关属性，通过在ADAMS/Solver中调用TYRSUB子函数计算轮胎的力和变形，又通过ARCSUB子函数计算轮胎与路面的接触点和路面载荷。2起落架仿真模型对起落架作收放过程仿真是为了获得各部件每个时刻的位置、速度和加速度以判断起落架机构在收起和放下过程中，对起落架舱结构有无干涉和碰撞为了模拟飞机机体对起落架的支撑，在模型中设计了一个机架，并让机架在仿真过程中以一定速度上升，以表示飞机的起飞过程，同时在作动杆上加上一个运动约束，让其以一定速度回收，从而将起落架拉起。为了模拟飞机机体对起落架的支撑，在模型中设计了一个机架，并让机架在仿真过程中以一定速度上升，以表示飞机的起飞过程，同时在作动杆上加上一个运动约束，让其以一定速度回收，从而将起落架拉起，图3为起落架收起状态。通过这个仿真过程，可以得到起落架的运动轨迹，用以判别起落架收放过程中是否同机体结构相干涉。同时，还可以得到起落架匀速收起过程中，作动筒的作动力随时间变化的曲线图，如图4所示。根据作动力曲线图，可以设计调整相应的液压系统使得在实际飞行中，起落架能够以一定速度匀速收起，避免冲击。类似地，还可以进行起落架在重力作用下放下的仿真分析，以得到在起落架放下过程中各部件的速度以及受力情况，并对其收放机构进行优化设计。2.2模拟分析中的高距离撞击手的损伤(1)起落架模型的仿真传统的起落架着陆撞击分析方法如果利用ADAMS进行仿真计算，只需要搭建好起落架模型并定义相应的运动约束、作用力以及初始状态后就可以很方便的得到精度较高的仿真结果。由于采用了先进的CAD软件，还可以很好的描述出结构中的细节部分，避免了由于过多模型的简化假设带来的偏差。(2)动力系统仿真图5是建立好的起落架着陆撞击仿真模型，如图所示，起落架缓冲器及小车结构连接在模拟飞机机体的质量块上，机轮采用ADAMS/tire中的fiala轮胎模型，通过修改相应的轮胎参数，可以使轮胎具有所要求的性能，地面为3D的平面地面，机体质量块上定义一水平初速度,并且以一定加速度下沉,在缓冲器外筒和支柱上利用ADAMS子函数定义了油液阻尼力和空气弹簧力。利用ADAMS仿真整个模型由一定高度向下运动直至接地撞击的过程，仿真时间为2s，步长0.004s。可以从仿真的结果中得到缓冲器作用力关于缓冲器压缩行程变化的曲线，如图6所示。图6又称为缓冲器的功量图。从功量图上可以得到缓冲器的最大压缩行程、最大缓冲器作用力以及缓冲器在压缩过程中吸收的能量等信息。由图6可以看出，起落架缓冲器最大行程为380mm，然后回弹到130mm处，缓冲器作用力最大值为2.75e+006N，最大值作用力出现在缓冲器压缩行程最大值处，且曲线较为饱满，说明缓冲器在第一个压缩循环中消耗了绝大部分飞机下沉的能量。使得飞机着陆撞击产生的振动较小。由于没有建造起落架的物理样机进行着陆撞击试验，无法与试验数据进行对比，但是通过参考文献中提供的其它起落架落震试验数据，从缓冲器功量图曲线的变化趋势上可以判断，利用起落架仿真计算所得的结果能够反映起落架缓冲器的工作状态，图7是参考文献3积、空气腔气体初始压力的参数飞机起落架系统的一些参数，例如：油气式缓冲器主油孔面积、空气腔气体初始压强和初始体积、辅助缓冲器以及斜撑杆的刚度，对缓冲器缓冲性能和轮胎的载荷分配都有一定的影响，这些参数选取的好坏是衡量起利用ADAMS的参数化设计3.1油针截面积曲线在前面的仿真模型中，一个重要的模型细节就是缓冲器中主油孔面积。在油气式起落架中通常采用油针来调整主油孔的面积，因此不同的油针截面积变化规律对起落架缓冲器缓冲性能的影响会非常大，在ADAMS中利用系统变量VARVAL(*)以及样条函数AKISPL相接合，可以很方便的定义各种油针截面积变化规律。并将所定义的油针截面积变量引入到油液阻尼力的表达式中，通过改变样条的插值点的值，就能研究不同油针外形对起落架缓冲器缓冲性能的影响。图8描述的是当油针的截面积随压缩行程的增加分别为线性增加和以一定优化过的规律变化时，缓冲器功量图的对比情况。由图8可以看出，当油针截面尺寸随压缩行程变化规律不同时，缓冲器的最大压缩行程，最大缓冲器作用力，最大作用力出现的位置以及功量图的饱和程度都不同，因此，在起落架的设计过程中，油针的优化对于决定缓冲器工作性能有着非常重要作用。3.2起落架参数的优化空气腔的初始压强和初始容积的大小，直接决定着缓冲器的压缩过程中空气弹簧力的大小和飞机在地面静止时缓冲器的压缩量，一般来说，空气腔初始压强越大，初始容积越小，起落架就越“硬”，缓冲器的压缩量就越小，而压缩量的减小又会导致在压缩过程空气弹簧力最大值减小，具体仿真结果如表1，表2所示。从表1，表2还可以看出，空气腔初始压强和初始容积对空气弹簧力的影响程度不一样，相对而言，空气弹簧力对空气腔初始容积的变化相对“敏感”，初始容积的很小改变就能引起空气弹簧力较大的变化，因此在起落架的设计制造过程中对空气腔初始容积的控制要特别注意。3.3缓冲器的应用对于小车式起落架而言，一般有两个缓冲器，一个是主缓冲器，一个是辅助缓冲器。在本模型中主缓冲器是油气式缓冲器，辅助缓冲器是一个线性弹簧和线性阻尼的联合体。辅助缓冲器的引入可以调整小车式起落架前后轮胎载荷的分配，由于辅助缓冲器的刚度不同，会在起落架冲击地面时造成起落架前后轮所分配的载荷不同，并且载荷的分配同辅助缓冲器和缓冲器支柱的刚度匹配相关，通常在一个匹配的值处，前后轮载荷相对均匀，在ADAMS仿真模型中，可以通过调整辅助缓冲器中弹簧的刚度来模拟其刚度变化。辅助缓冲器的刚度变化与前后轮载荷分配的关系如表3所示。由表3可以看出，起落架前后轮载荷分配对辅助缓冲器刚度的改变较为敏感，并且在其刚度为1600N·mm时，分配最为均匀。3.4起落架弹簧刚度与起落架刚度的关系起落架斜撑杆是除了缓冲支柱外，起落架与机体的另一载荷传递途径。起落架斜撑杆的刚度不仅影响斜撑杆上所传递的载荷，而且由于其变形，会影响整个起落架的几何形状，从而影响小车机轮的载荷分配，在起落架的仿真模型中，为了模拟斜撑杆的变形，在斜撑杆与机体连接处定义了一个弹簧，弹簧的刚度和变形分别代表起落架斜撑杆的刚度和变形，从而模拟了起落架的航向刚度，表4是斜撑杆弹簧取不同刚度时，起落架前后轮载荷分配情况。斜撑杆刚度变化对起落架前后轮载荷分配的影响虽然不如小车撑杆刚度的变化的影响那样敏感，但是二者趋势一样，都是在某一个特定值时分配较均匀，分配最均匀时的刚度值取决于撑杆与缓冲器支柱刚度的匹配。4仿真结果与分析从前面的分析中可以得到以下结论：(1)利用ADAMS虚拟样机技术进行起落架的运动学和动力学仿真分析，相对于传统的起落架设计方法而言，具有可视化程度高，通用性强的优点，配合先进的CAD工具，实现了起落架设计分析一体化技术，可以建立较为复杂的起落架样机模型，避免了过去为计算简单而对计算模型进行的过多的简化，提高了计算精度。(2)进行起落架的收放仿真，可以预知起落架复杂机构的各部件的运动关系，判断有无“卡死”出现，以及计算各部件在任意时刻的速度、加速度和为了实现特定的运动而需要外加在起落架机构上了作动力。(4)ADAMS先进的参数化设计功能，为分析起落架各参数对起落架缓冲性能和载荷分配的影响提供了较好的工具，使得分析过程尽可能的得到了简化，方便了用户的设计与计算。通过本文的分析，可以看到对于油气式缓冲器而言，主油孔面积、空气腔气体初始体积和压强都是影响缓冲器缓冲性能的主要因素，而对于多轮多支