飞机起落架结构对机轮摆振的影响分析

飞机起落架结构对机轮摆振的影响分析

1起落架结构参数对摆振的影响飞机发动机的转向误差是飞机研发和使用中不可避免的严重故障。由于摆振现象的复杂性,各种参数对飞机机轮摆振的影响规律以及参数在各种使用工况下的变化规律是至今尚未完全解决的重要研究课题。由于起落架结构参数是新机防摆设计和在役飞机防摆维护的关键因素,因此研究起落架结构参数对摆振的影响具有重要工程价值。一般现有的摆振文献没有考虑参数之间的耦合影响,也未区分两种不同类型的摆振,所以直接套用其结论可能对设计产生错误的引导。我们采用考虑支柱弹性,减摆器传动系统弹性和轮胎变形的线性摆振分析模型,针对现有摆振文献的不足,详细研究了三种起落架结构参数对机轮摆振的影响,得到了有意义的结论。2飞机发动机线性动力分析的模型和稳定性分析2.1给药误差较大的误差轮胎力学特性对飞机机轮摆振有重要的影响,因此轮胎力学模型是建立摆振分析模型时的关键问题之一。有些摆振文献在建立考虑支柱弹性的摆振运动方程时,仍采用基于刚固支柱条件下的轮胎力学方程,这对某些支柱变形较大的摆振问题会带来较大的误差。文献建立了反映支柱倾角和支柱运动及变形影响的轮胎滚动特性方程,然后对滚动特性方程进行适当的处理,得到计入支柱运动和变形影响的广义二阶轮胎近似理论公式,即d2yds2+βdyds+[γcosk−βsink−α(H+r)]θs+[γsink+βcosk−αt](θ1+θt)+αy=0(1)d2yds2+βdyds+[γcosk-βsink-α(Η+r)]θs+[γsink+βcosk-αt](θ1+θt)+αy=0(1)式中s为飞机滑跑路程,y为轮胎滚动轨迹的侧向坐标,θs为支柱侧向倾角,θ1为减摆器处围绕支柱轴线的转动角,θt为减摆器传动系统的扭转角。另外,α、β、γ为轮胎滚动特性系数,k为支柱倾角,H、r见图1所示。2.2起落架结构参数以下建立的摆振方程组考虑的因素有:①支柱弹性,②减摆器传动系统的弹性,③轮胎的变形(包括轮胎的侧向变形、扭转变形和侧倾),④结构重量及垂直载荷的影响,⑤机轮陀螺力矩的影响。关于广义坐标θs、θ1、θt的方程为:ILGV2d2θsds2+mHtV2d2ds2(θ1+θt)+IWPV2rdds(θ1+θt)−bsinkdyds+[Ks+a(H+r)2+bsin2k+WLGHcg−FZ(H+r)]θs+[a(H+r)t−bsinkcosk+mgt−FZt](θ1+θt)−a(H+r)y=0(2)ΙLGV2d2θsds2+mΗtV2d2ds2(θ1+θt)+ΙWΡV2rdds(θ1+θt)-bsinkdyds+[Κs+a(Η+r)2+bsin2k+WLGΗcg-FΖ(Η+r)]θs+[a(Η+r)t-bsinkcosk+mgt-FΖt](θ1+θt)-a(Η+r)y=0(2)mHtV2d2θsds2+IV2d2ds2(θ1+θt)−IWPV2rdθsds+bcoskdyds+(at2+bcos2k)θ1+[a(H+r)t−bsinkcosk+mgt]θs+(Kt+at2+bcos2k)θi−aty=0(3)mΗtV2d2θsds2+ΙV2d2ds2(θ1+θt)-ΙWΡV2rdθsds+bcoskdyds+(at2+bcos2k)θ1+[a(Η+r)t-bsinkcosk+mgt]θs+(Κt+at2+bcos2k)θi-aty=0(3)Iβd2θ1ds2+Vhdθ1ds−Ktθt=0(4)Ιβd2θ1ds2+Vhdθ1ds-Κtθt=0(4)式中V为飞机滑跑速度,t、Ks、Kt为起落架结构参数,h为减摆器阻尼系数,其它符号含义参看文献。将方程(1)、(2)、(3)和(4)联立,即得到摆振运动方程组。2.3[k00m]2qds22设q={θs,θ1,θt,y}T,将摆振方程写成矩阵形式Md2ds2q+Cddsq+Kq=0(5)Μd2ds2q+Cddsq+Κq=0(5)上述方程可进一步写成[−K00M]{qdqds}=[CMM0]⎧⎩⎨dqdsd2qds2⎫⎭⎬(6)[-Κ00Μ]{qdqds}=[CΜΜ0]{dqdsd2qds2}(6)令q=φeλs,ψ={φT,λφT}T,并计A=[−K00M]‚B=[CMM0]A=[-Κ00Μ]‚B=[CΜΜ0],则上式可写成:Aψ=λBψ(7)Aψ=λBψ(7)其中A、B均为非对称矩阵。采用双步QR方法求解,按特征值的实部的正负来判定摆振系统的稳定性。3起落架摆动角防止机轮摆振最有效的方法是装置减摆阻尼器,若减摆器阻尼不够,会发生以轮胎的偏摆运动为主的摆振,叫“轮胎型”摆振。但当减摆器阻尼过高时,“轮胎型”摆振变得非常稳定,起落架结构的振动可能会不稳定,这时机轮摆动角主要由起落架支柱或减摆器传动系统弹性变形提供。这种类型的摆振叫“结构型”摆振,与“轮胎型”摆振相比,“结构型”摆振的频率较高而摆幅较小,诱发飞机机轮发生“结构型”摆振的主要原因是起落架支柱扭转刚度不足或减摆器传动系统扭转刚度太小而减摆器阻尼偏大。3.1摆振的影响规律起落架结构参数t(稳定距)、Ks(支柱弯曲刚度)、Kt(减摆器传动系统扭转刚度)中对’轮胎型”摆振有较大影响的有t和Ks。当支柱弯曲刚度足够时,t对“轮胎型”摆振的影响规律如图2所示。由图2可以看出,“中等”稳定距(0.15m～0.25m)对防摆最不利,防止“轮胎型”摆振发生的下临界阻尼值最大。这与Moreland等人所述的试验现象相吻合。当支柱弯曲刚度足够时,增大稳定距有稳定作用,但同时也使机轮摆动系统的转动惯量增大,后者具有不稳定作用。两种相反作用的综合导致了“中等”稳定距最不稳定。当减摆器传动系统扭转刚度足够时,Ks对“轮胎型”摆振的影响如图3所示。可以看出,增大Ks具有稳定作用,降低了发生“轮胎型”摆振的下临界阻尼值。3.2ks和t以及ks之间的耦合作用Ks=54000N·m/rad时,t对“轮胎”摆振的影响如图4所示;Kt=30000N·m/rad时,Ks对“轮胎型”摆振的影响如图5所示。比较图2和图4以及图3和图5可以看出,当Ks过小时,t对“轮胎型”摆振的影响与Ks足够时相差甚远甚至完全相反;同样,Ks对“轮胎型”摆振的影响与Kt有很大的关系,Kt相差较大时Ks对摆振的影响规律也相差很大,这表明Ks与t以及Kt与Ks之间对“轮胎型”摆振有较强的耦合作用,这种耦合作用是现有的摆振文献所未涉及的。由于存在这种耦合作用,一种参数对摆振的影响规律在其它参数不同的组合情况下可能会相差很大,不加限制地说改变一种参数对防摆有利或不利是不全面的。3.3振对动力特性的影响三种结构参数中只有Kt对“结构型”摆振有显著的影响,如图6所示。增大Kt可以显著提高发生“结构型”摆振的上临界阻尼值,对于防止“结构型”摆振很有利。4ks和t以及kt之间的耦合作用1)支柱曲刚度足够时,“中等”稳定距对防止“轮胎型”摆振最不利,所须减摆器阻尼最大。2)减摆器传动系统扭转刚度足