起落架系統(tǒng)收放時(shí)間仿真及優(yōu)化分析

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起落架系統(tǒng)收放時(shí)間仿真及優(yōu)化分析

0引言

起落架系統(tǒng)一般采用傳統(tǒng)的前三點(diǎn)式布局。它包括一個(gè)向前向上收起的前起落架和兩個(gè)分別向內(nèi)向上收起的左右主起落架，由單一的飛機(jī)液壓源提供液壓作動(dòng)能源。

設(shè)定15s內(nèi)的收上時(shí)間和18s內(nèi)的放下時(shí)間要求(收放時(shí)間不包括艙門(mén)的打開(kāi)和艙門(mén)的關(guān)閉)，結(jié)合起落架系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)的各種相關(guān)數(shù)據(jù)，開(kāi)展起落架收放仿真分析，計(jì)算在現(xiàn)有起落架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)下起落架系統(tǒng)的收放時(shí)間符合性，為驗(yàn)證和優(yōu)化起落架收放設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。

1系統(tǒng)工作原理

起落架收放系統(tǒng)正常工作時(shí)，當(dāng)飛行員通過(guò)起落架控制手柄發(fā)出收放指令后，起落架收上過(guò)程如下：(1)起落架和艙門(mén)選擇閥加電，艙門(mén)作動(dòng)器開(kāi)始作動(dòng)并打開(kāi)艙門(mén)。(2)在艙門(mén)打開(kāi)后，通過(guò)作動(dòng)開(kāi)鎖作動(dòng)器和收放作動(dòng)器，起落架下位鎖開(kāi)鎖，起落架收上。(3)起落架收上到位時(shí)，起落架上位鎖上鎖。(4)艙門(mén)作動(dòng)器關(guān)閉艙門(mén)。(5)起落架和艙門(mén)選擇閥斷電到中立位置，所有壓力管接通回油，釋放壓力。

起落架放下過(guò)程與起落架收上過(guò)程類(lèi)似，不再贅述。在本文的仿真分析中，由于計(jì)算的起落架收放時(shí)間不包括艙門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，且艙門(mén)機(jī)構(gòu)和其他起落架機(jī)構(gòu)是相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，故建模時(shí)省略艙門(mén)機(jī)構(gòu)。

2建模仿真工具

2.1Image.AMESim

Image.AMESim是基于圖形化建模環(huán)境的多領(lǐng)域一維仿真軟件，帶有多種領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)元件庫(kù)，其中液壓庫(kù)中包含了大量常用的液壓元件。該軟件是目前應(yīng)用最廣泛的液壓系統(tǒng)仿真工具，具備與許多三維多體動(dòng)力學(xué)軟件的聯(lián)合仿真接口。本文以AMESim對(duì)某型飛機(jī)起落架收放的液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真與分析。[1]

2.2Virtual.motion

Virtual.Motion是LMS公司Virtual.lab平臺(tái)中用于三維多體動(dòng)力學(xué)仿真分析的工具，適合模擬機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)和載荷。它能夠快速調(diào)用機(jī)構(gòu)CAD模型，設(shè)置約束條件和作用力等參數(shù)后，即可方便的用于起落架收放機(jī)構(gòu)的三維多體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算研究，并通過(guò)接口與液壓相關(guān)部分的仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真計(jì)算。[2]

3系統(tǒng)建模與分析

3.1分析內(nèi)容

按照規(guī)定的仿真條件和輸入?yún)?shù)，對(duì)收放系統(tǒng)的收放過(guò)程進(jìn)行仿真分析，計(jì)算起落架的收上和放下時(shí)間，形成試驗(yàn)結(jié)果曲線；以規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)收上、放下時(shí)間作為輸入，計(jì)算收放系統(tǒng)對(duì)液壓能源系統(tǒng)的最大壓力-流量需求。

3.2分析過(guò)程

分別建立液壓系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)模型，可通過(guò)聯(lián)合仿真進(jìn)行計(jì)算，集AMESim和Motion兩者之所長(zhǎng)作無(wú)縫連接的聯(lián)合仿真，可以使系統(tǒng)模型計(jì)算結(jié)果更加可靠和精確。聯(lián)合仿真接口提供力、位移、速度等參數(shù)的相互傳遞，AMESim模型輸出位移和速度的計(jì)算值，并得到作用力的反饋值。Motion與之相反。

AMESim和Motion的聯(lián)合仿真可以采用Co-Sim和Coupled兩種接口方式。

(1) Co-Sim方式以AMEsim為主，在AMEsim中進(jìn)行仿真過(guò)程控制(設(shè)置仿真時(shí)間、采樣步長(zhǎng)、算法等)，仿真過(guò)程中，AMEsim與Motion各自計(jì)算，在規(guī)定的每個(gè)采樣時(shí)間段內(nèi)相互傳遞數(shù)據(jù)。

(2) Coupled方式以Motion為主，在Motion中進(jìn)行仿真過(guò)程控制，仿真過(guò)程中只調(diào)用Motion的求解算法進(jìn)行計(jì)算(AMESim不參與計(jì)算)。

本文采用Coupled方式聯(lián)合仿真。一般來(lái)說(shuō)，采用Coupled方式，仿真結(jié)果相對(duì)Co-Sim方式更加精確。

3.3液壓系統(tǒng)模型

采用AMESim軟件建立起落架收放系統(tǒng)的液壓回路模型，根據(jù)起落架收放系統(tǒng)的特點(diǎn)，前起落架收放液壓回路和主起落架收放液壓回路是相對(duì)獨(dú)立的，可建立兩個(gè)獨(dú)立的模型系統(tǒng)。下文以主起落架收放系統(tǒng)的液壓回路模型為例，介紹建模思路和簡(jiǎn)化后的液壓回路模型。

在建模中不考慮對(duì)于計(jì)算結(jié)果無(wú)明顯影響的元部件和參數(shù)，如油濾、管路容積效應(yīng)、液阻等；設(shè)置油液溫度恒定為20℃，即不考慮溫度變化對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的影響；選擇恒壓泵作為壓力源，總進(jìn)口油液流量不限制。建立的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1　主起收放液壓回路模型圖

建好模型后，按照該飛機(jī)液壓系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)文件輸入各種參數(shù)，如油液特性、進(jìn)油/回油口壓力，作動(dòng)筒無(wú)桿/有桿腔直徑、活塞桿直徑、作動(dòng)筒自由行程、選擇閥各出口的最大開(kāi)啟面積、節(jié)流緩沖孔直徑等。

3.4起落架機(jī)構(gòu)建模

起落架機(jī)構(gòu)本身很復(fù)雜，本文主要研究?jī)?nèi)容只包括參與收放運(yùn)動(dòng)過(guò)程的主要零件，因此，與收放過(guò)程運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)的零件都沒(méi)有考慮建多體模型，如管路、彈簧、線纜等。

將所有需建模的機(jī)構(gòu)零件的三維Catia數(shù)模直接導(dǎo)入Motion，建立多體動(dòng)力學(xué)模型；添加各零件關(guān)節(jié)之間的約束，運(yùn)動(dòng)副約束設(shè)置示意圖如圖2所示，其他零件間的連接均設(shè)為固定副約束。

運(yùn)動(dòng)副設(shè)置以后，按照設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置重力為1.0G、平均氣動(dòng)載荷力(支柱系統(tǒng)阻力對(duì)起落架轉(zhuǎn)軸的力矩，以阻礙起落架收起為正，單位為N·m)和預(yù)緊彈簧力，選定仿真算法和仿真時(shí)間；最后與AMESim聯(lián)合仿真，以AMESim的力輸出作為開(kāi)鎖作動(dòng)筒和收放作動(dòng)筒驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)行起落架收放過(guò)程模擬。

圖2　主起機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副約束示意圖

4仿真結(jié)果分析

仿真計(jì)算結(jié)束后，查看計(jì)算曲線，檢驗(yàn)起落架收放機(jī)構(gòu)收放時(shí)間是否符合設(shè)計(jì)要求。在主起落架收上過(guò)程中的作動(dòng)筒行程-時(shí)間曲線如圖3所示，所有的仿真參數(shù)為給定的設(shè)計(jì)參數(shù)，主支柱轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)收上上鎖位置，時(shí)間約為8s，符合總體設(shè)計(jì)12s內(nèi)的收上時(shí)間要求。

圖3　作動(dòng)筒行程-時(shí)間曲線

為驗(yàn)證起落架模型及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將仿真計(jì)算結(jié)果和同等條件下的物理試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如表1所示。仿真計(jì)算結(jié)果和物理試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差較小，說(shuō)明仿真模型的建立和仿真方法都具有較高的可信度。

通過(guò)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)在一定可選范圍變化的方式進(jìn)行批量仿真計(jì)算，找到符合設(shè)計(jì)值的最優(yōu)化參數(shù)。例如調(diào)節(jié)收放作動(dòng)筒入口前的節(jié)流孔大小，范圍2.6 L/min～3 L /min，分三次計(jì)算，每次減小0.2 L/min，即分別設(shè)置節(jié)流孔最大流量為3.0 L/min、2.8 L/min、2.6 L/min，得到圖4的扭矩-轉(zhuǎn)角曲線，可見(jiàn)在其他設(shè)定參數(shù)均不改變的情況下，通過(guò)減少節(jié)流孔的最大通油量，從而減小作動(dòng)筒的液壓油推力，收放動(dòng)作更為平穩(wěn)，但將會(huì)顯著延長(zhǎng)收放時(shí)間，權(quán)衡后可找到兼顧性能、安全性和經(jīng)濟(jì)性的理論最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1　起落架仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖4　主作動(dòng)器扭矩-轉(zhuǎn)角曲線

5結(jié)論

通過(guò)該項(xiàng)目的研究，可實(shí)現(xiàn)起落架收放系統(tǒng)的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的收放過(guò)程仿真，檢測(cè)機(jī)構(gòu)零部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和有無(wú)干涉情況，引入液壓系統(tǒng)的模型計(jì)算起落架收放動(dòng)作對(duì)于液壓系統(tǒng)的壓力、流量需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)相關(guān)元部件選型和關(guān)鍵參數(shù)的分析和優(yōu)化。本文模塊化模型的設(shè)計(jì)方法便于靈活更新模型結(jié)構(gòu)和修改參數(shù)，適用于多種型號(hào)的飛機(jī)起落架系統(tǒng)的方案驗(yàn)證和參數(shù)優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]付永領(lǐng)，祁曉野. AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[2]萬(wàn)曉峰，劉嵐. LMS Virtual.Lab Motion入門(mén)與提高[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

Dynamic Simulation and Optimum Analysis of Landing Gear Extension and Retraction System for Civil Aircraft

吳雙王漢斌 /

Wu ShuangWang Hanbin

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210,China)

摘要：

本研究的主要目標(biāo)是建立起落架虛擬仿真分析系統(tǒng)，包括起落架機(jī)構(gòu)、液壓回路等主要模型。該系統(tǒng)充分考慮模擬起落架收放過(guò)程中的運(yùn)行環(huán)境，完成以起落架收放系統(tǒng)正常收放功能、收放時(shí)間計(jì)算為檢測(cè)指標(biāo)的多系統(tǒng)耦合仿真分析，用以驗(yàn)證起落架收放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵參數(shù)，支持后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：起落架；收放時(shí)間；聯(lián)合仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

[Abstract]The aim of this research is building landing gear dynamic simulation system，which includes landing gear and hydraulic system. The system could simulate normal extend and retract action of landing gear and compute the whole time with co-simulation. The design project and key-point parameter could be testified and optimized by computed results.

[Key words]landing gear；extend and retract time；co-simulation；optimum designs

中圖分類(lèi)號(hào)：V226

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A