考慮艇身彈性的起落裝置著陸仿真分析

顧文華，穆媛

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考慮艇身彈性的起落裝置著陸仿真分析

顧文華，穆媛

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

目的研究軟式飛艇著陸時(shí)，艇身彈性對起落裝置的影響。方法建立軟式飛艇艇身和起落裝置的等效模型，并在LMS仿真平臺中建立虛擬樣機(jī)，仿真出考慮艇身彈性時(shí)起落裝置著陸的動態(tài)響應(yīng)。結(jié)果仿真結(jié)果顯示出彈性艇身能夠起到吸收和耗散能量的作用，減輕著陸時(shí)起落裝置的過載和回彈次數(shù)。結(jié)論艇身彈性可以降低起落裝置載荷，延長起落裝置壽命，增加飛艇的安全性。

彈性艇身；飛艇；起落裝置；虛擬樣機(jī)；動態(tài)響應(yīng)

飛艇起落裝置是飛艇重要的承力部件，不具有操縱特性，但在飛艇著陸、地面牽引和錨泊過程中發(fā)揮著重要的作用。目前，對飛艇起落裝置進(jìn)行動力學(xué)分析時(shí)，都是假設(shè)艇身為剛體，這也是目前國內(nèi)外研究工作中普遍采用的簡化方法[1]，這會對分析結(jié)果造成誤差[2]。隨著現(xiàn)代飛艇的發(fā)展，特別是中大型飛艇，僅僅依靠傳統(tǒng)方法不能設(shè)計(jì)出最優(yōu)的起落裝置。

在機(jī)身柔性對起落裝置設(shè)計(jì)的影響研究方面，國內(nèi)外有很多成果。國內(nèi)，史友進(jìn)等通過對緩沖器引入智能半主動控制，以解決機(jī)體儲能著陸功量耗散效率低的難題，認(rèn)為起落架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有必要考慮機(jī)體彈性[3—4]。劉沖沖、牟讓科等通過LMS仿真平臺仿真分析發(fā)現(xiàn)，柔性機(jī)身能夠降低著陸載荷峰值，使功量圖更平緩[5—6]。廖麗涓、賈玉紅等通過在ADAMS/ Aircraft仿真發(fā)現(xiàn)彈性機(jī)體能起到吸收和耗散能量的作用，提高起落架緩沖器效率的作用，延長起落架壽命[7]。國外，Baluch H A，Lyle K H等就機(jī)體柔性對起落架設(shè)計(jì)的影響做了大量的研究[8—11]。

將軟式飛艇艇身柔性引入起落裝置動力學(xué)仿真研究，國內(nèi)尚沒有報(bào)道。文中以某型軟式飛艇單點(diǎn)式起落裝置為分析對象，考慮艇身的柔性，采用仿真軟件LMS Virtual Lab motion建立起落裝置進(jìn)行動力學(xué)模型，并進(jìn)行著陸仿真，根據(jù)仿真結(jié)果分析艇身柔性對起落裝置緩沖性能的影響。

1 動力學(xué)分析模型

1.1 起落裝置模型

傳統(tǒng)的起落裝置性能分析是從牛頓經(jīng)典力學(xué)出發(fā)，推導(dǎo)動力平衡方程[12]。飛艇起落裝置的動力學(xué)分析力學(xué)模型可以假設(shè)為三質(zhì)量模型，即艇體質(zhì)量與附連質(zhì)量、彈性支撐質(zhì)量和非彈性支撐質(zhì)量。由于吊艙與艇身為剛性連接，所以上述的附連質(zhì)量[2]是著陸仿真分析必須考慮的參數(shù)。因此，彈性支撐質(zhì)量是緩沖部件上部的質(zhì)量，包括支柱、過渡框架、支架、緩沖部件等；非彈性支撐質(zhì)量是緩沖部件下部的質(zhì)量，包括搖臂、機(jī)輪等；艇體質(zhì)量包括機(jī)身（包含內(nèi)部氣體）、尾翼、動力裝置等，具體見圖1。文中假設(shè)飛艇垂直著陸速度勻速向下，飛艇水平速度為零。

圖1 起落裝置動力學(xué)分析模型

1.2 艇身動力學(xué)模型

艇身為充氣的彈性體，假設(shè)其動力學(xué)模型為線性模型，其等效剛度和等效阻尼為定值，其建模比較簡單直觀。由于浮空器艇身體積較大，且各個(gè)部位的剛度不同，測量比較困難，因此通過軟件模擬計(jì)算艇身與起落裝置連接處的等效剛度。艇身與起落裝置連接處的壓縮模型如圖2所示，壓縮曲線如圖3所示。

對等效剛度曲線進(jìn)行曲線擬合，艇體的等效剛度約為48 210 N/m。目前，已經(jīng)確定艇囊存在阻尼[2]，但還沒有關(guān)于浮空器囊體等效阻尼的文獻(xiàn)。假設(shè)囊體的等效阻尼為臨界阻尼，即阻尼比=1，通過公式算得囊體等效阻尼=11 290。

圖2 艇身分析模型

1.3 輪胎模型

輪胎模型根據(jù)所選用輪胎的規(guī)格建立，輪胎型號為5.00—5 6 PR TL。由于裝備單點(diǎn)式起落裝置的飛艇只能垂直起降，因此輪胎只考慮垂直力。垂直力根據(jù)輪胎廠家的輪胎特性曲線的第5條得到。假設(shè)輪胎模型為線性模型，通過曲線擬合可估算得到輪胎等效剛度為23 0167 N /m。輪胎阻尼很小，故可忽略不計(jì)。

1.4 緩沖部件模型

該飛艇采用的緩沖部件是6組拉伸彈簧，其并聯(lián)剛度為76 200 N/m，其中阻尼忽略不計(jì)。

2 虛擬樣機(jī)仿真

在不改變起落裝置機(jī)構(gòu)原理且不影響仿真的精度的前提下，需對實(shí)際起落裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，以減少計(jì)算時(shí)間，減輕工作量。綜合考慮，在CATIA中建立起落裝置三維簡化模型，設(shè)定完成幾何參數(shù)和物理參數(shù)，然后直接導(dǎo)入LMS Virtual. Lab motion中建立虛擬樣機(jī)[13—16]，飛艇起落裝置虛擬樣機(jī)模型如圖4所示。

文中不考慮空氣動力，著陸俯仰角為0°。假設(shè)起落裝置落震等效質(zhì)量為880 kg，根據(jù)適航AC-21-09起落裝置載荷相關(guān)規(guī)定，下沉速度為0.9 m/s。在仿真模型中初始條件的各項(xiàng)參數(shù)見表1。

表1 初始條件參數(shù)

3 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果見圖5—圖8。

圖7 輪胎垂直力對比

從仿真結(jié)果可以看出：考慮艇體彈性的影響，輪胎和緩沖裝置所受載荷比假設(shè)艇體是剛性時(shí)的結(jié)果??；考慮艇體彈性時(shí)，緩沖裝置和輪胎的行程比艇體剛性的行程小，且回彈次數(shù)明顯減??；考慮艇體彈性時(shí)，由于艇體吸收部分功量，減小了緩沖器的峰值載荷，使緩沖裝置需要吸收的功量減小。

4 結(jié)論

1）彈性艇體能夠減小輪胎、緩沖部件所受的載荷，延長起落裝置壽命。

2）彈性艇體可以吸收和耗散能量，使得傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法顯得保守，并增加了起落裝置質(zhì)量。因此，在設(shè)計(jì)軟式飛艇起落裝置時(shí)，應(yīng)該綜合考慮艇體彈性。

3）由于彈性艇體的作用，能夠?qū)w艇的著陸勢能轉(zhuǎn)化為機(jī)體的彈性勢能，能有效減小飛艇的彈跳次數(shù)，增加飛艇安全性。

4）利用虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠高效準(zhǔn)確地仿真出多體系統(tǒng)的動力學(xué)響應(yīng)。

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Landing Simulation of Landing Gear with Flexible Fuselage

GU Wen-hua, MU Yuan

(China special Vehicle Research Institute, Jingmen 448035, China)

Objective To study influences of flexible fuselage on landing gear when a blimp airship lands. Methods An equivalent model of blimp airship with landing gear and flexible fuselage was established. An airship model with flexible fuselage using virtual prototype was applied in LMS simulation platform. Dynamic responses in landing of landing gear were simulated when the flexible fuselage was considered. Results Flexible fuselage was able to contribute to absorbing energy of shock absorber, alleviating overload and reducing rebound times during landing appropriately. Conclusion Flexible fuselage can decrease the burdens on landing gear, extend the life of landing gear, and improve the safety of the airship.

flexible fuselage; airship; landing gear; virtual prototype; dynamic response

10.7643/ issn.1672-9242.2017.05.014

TJ83；V274

A

1672-9242(2017)05-0060-04

2016-12-06；

2017-01-06

顧文華（1983—），男，江蘇人，碩士研究生，工程師, 主要研究方向?yàn)楦】掌鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。