基于ADAMS的艦載機起落架擺陣穩(wěn)定性仿真分析

何 磊

(安徽農業(yè)大學經濟技術學院機械工程系，合肥 230011)

0 引言

飛機起落架是確保飛機能夠安全起飛和著陸的關鍵裝置，同樣也是艦載機能夠安全飛行和執(zhí)行任務的重要部件。在對艦載機起落架進行設計的過程中，必須要解決一個非常關鍵的問題，就是艦載機起落架的擺振問題。所謂的起落架擺振簡單來說就是：艦載機落地起落架的前輪或后輪在跑道上進行滑動時，會偏離起落架的飛機輪中立位置，同時在側向和扭轉方向產生非常強烈的相互耦合運動的振動現(xiàn)象[1]。擺振現(xiàn)象是非常普遍的一種現(xiàn)象，包括汽車的前輪在運動過程中都有可能出現(xiàn)不同程度的擺振現(xiàn)象，由于艦載機起落架獨特的結構，所以擺振現(xiàn)象對艦載機的飛行安全性有非常大的危害[2]。

國內針對艦載機起落架的研究起初主要是學習和發(fā)展國外的技術。在這個基礎上我國國內的學者也開始對艦載機的擺振現(xiàn)象進行深入的研究，并在艦載機擺振方面做出了很大的貢獻，也研究出了多種分析方法，能有效緩解一部分民用飛機存在的擺振穩(wěn)定性問題。然而針對目前國內執(zhí)行眾多任務的艦載機而言還存在嚴重的擺振問題[3]，至今還不能徹底解除艦載機的擺振現(xiàn)象。國外學者對于飛機機構擺振穩(wěn)定性的相關研究進行了充足的理論分析以及眾多實驗研究，進而在飛機擺振穩(wěn)定性方面產生了大量的文獻。在針對擺振性的研究方面，國內和國外的研究是類似的，都出現(xiàn)了各種不同的分析以及實驗方法，都在不斷地優(yōu)化減震性能的問題，至今均不能徹底解決飛機起落架擺振穩(wěn)定性的問題。

本文主要采用目前運用比較廣泛的多體動力學仿真軟件——CATIA進行艦載機的零件建模操作。在模型建好之后，采用虛擬樣機技術對擺振進行仿真研究，結合相關的關于艦載機的擺振穩(wěn)定性的例文分析和相關的材料文獻進行驗證，能夠為以后針對提高艦載機起落架安全性能和穩(wěn)定性能方面的后續(xù)研究工作提供理論參考。

1 擺振動力學模型的建立

1.1 坐標系定義

為了得到更為真實和準確的仿真結果，建立了一個非常簡單的非線性數學模型，這個模型涵蓋了一些主要的與艦載機起落架擺振性相關的各種零部件，包括艦載機起落架支柱的扭轉特性和輪胎的彈性側向特性與艦載機起落架的受力狀態(tài)[4-5]，其受力分析如圖1所示。

本文采用的是二階近似的張線理論建立輪胎的力學理論模型，如圖2所示。

圖1 前起落架的結構示意

α.前輪圍繞旋轉軸軸線的側向轉動；Lg.前輪幾何穩(wěn)定的距離；V.飛機在跑道上的滑跑速度；θs.前輪的擺動角度；y0.輪胎接觸地面中心點的側向偏移圖2 二階近似的張線理論

1.2 基于ADAMS的剛—柔耦合多體系統(tǒng)動力學方程

綜上所述，最后總結推導出基于ADAMS的剛—柔耦合多體系統(tǒng)動力學方程。在艦載機系統(tǒng)和起落架系統(tǒng)中，每個零部件均具有5個變量和方程。

變量：

(1)

方程：

(2)

基于ADAMS的剛—柔耦合多體系統(tǒng)動力學方程：

本文主要研究艦載機的前起落架，由于艦載機前起落架的結構特別復雜，對強度的要求特別高，對艦載機起落架的結構關系與各構件之間的連接關系分析后，將艦載機起落架系統(tǒng)的零部件進行了簡化。

對于艦載機起落架的裝配設計環(huán)節(jié)，運用的是從上往下的裝配方式，當然，在艦載機起落架的裝配過程中必須經過不停的修改，從而消除零件裝配之間的誤差，直至裝配的艦載機起落架符合要求。

2 基于ADAMS的艦載機起落架擺陣穩(wěn)定性仿真分析

2.1 艦載機起落架的擺振穩(wěn)定性分析

艦載機在起飛、降落過程中在地面跑道上進行滑行時，造成艦載機起落架產生擺振現(xiàn)象的因素是多個方面的，包括非線性因素和自由度的復雜系統(tǒng)。建立一個完整的起落架動力學模型，正確地表述起落架在行進過程中的各個運動與受力的關系，是確保起落架在整個動力學分析中的準確性的重要因素之一[6]。其次，對艦載機起落架的支柱結構變形與輪胎的力學性能進行分析也是尤為重要的。起落架在落地時產生的緩沖和漂浮，相對于艦載機起落架的擺振性影響較小[7]，可以忽略。本文主要是針對引起艦載機起落架擺振性的主要原因進行分析，這對于艦載機起落架的分析尤為重要。

本節(jié)從研究艦載機擺振穩(wěn)定性的動力系統(tǒng)出發(fā)，對艦載機的工作狀態(tài)進行了深刻的分析。

2.2 艦載機起落架的分析模型

艦載機起落架關鍵部件的有限元分析，本文選取了起落架扭力臂和支柱進行了網格的劃分和靜力學結構分析，如圖3～4所示，分析結果顯示起落架關鍵受力部件安全適用。

圖3 起落架扭力矩網格的劃分

圖4 起落架升桿網格的劃分

3 基于ADAMS的艦載機起落架擺陣穩(wěn)定性仿真分析

在CATIA中建立起艦載機起落架的三維模型，然后導入到ADAMS中去，進而進行擺振穩(wěn)定性分析，再給建立好的模型一個起始偏轉角，再不斷地增加輪胎的剛度值，最后結合數據得出輪胎剛度值不同情況下的艦載機起落架的擺振分析。圖5～7顯示的是當艦載機著艦速度為30 m/s時，不同輪胎剛度所對應的時間響應曲線；圖8～10顯示的是當艦載機著艦速度為30 m/s時，起落架擺振所對應的時間響應曲線。

圖5 在輪胎較低剛度下起落架的擺振分析結果

圖6 在輪胎中等剛度下起落架的擺振分析結果

圖7 在輪胎高等剛度下起落架的擺振分析結果

圖8 起落架擺振等幅擺振

圖9 起落架收斂擺振

圖10 起落架發(fā)散擺振

根據上面不同剛度下3個輪胎起落架的擺振分析結果可以得出初步結論，即輪胎的剛度越大，起落架的擺振角就越大，從這點我們可以看出輪胎的剛度對于擺振角的影響是非常巨大的，也是非常關鍵的。

經過實際的論證，即艦載機起落架在逐漸變大的輪胎剛度下，起落架會逐漸地開始進行幅度相等的擺振，在進入一定時間地收斂之后，擺振會逐漸地平穩(wěn)下來[9]，可是當我們再一次把輪胎的剛度增大時，起落架的擺振又逐漸變大。

4 對艦載機起落架模型的擺振仿真結果分析

根據上面對輪胎不同剛度情況下的起落架擺振仿真結果分析可以看出以下的結論：在艦載機起落架輪胎剛度較低的情況下，由于起落架支柱的原因，即起落架支柱的剛度較大，而輪胎的剛度不足的時候，隨著我們逐步增加輪胎的剛度，起落架的擺振性越來越大，會處于一種發(fā)散的狀態(tài)，直至最后趨于一個等幅度的擺振效果；但是如果一直逐漸增加起落架輪胎的剛度，這樣會使起落架支架的剛度相對于輪胎的剛度越來越小，機輪也將發(fā)生擺振，此時擺振收斂又會慢慢發(fā)散，而當輪胎剛度足夠大的時候，艦載機起落架的機輪擺振就會逐漸衰減，進入一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

5 結語

本研究建立了支柱的耦合角度，結構扭轉和側擺的柔性模型，并結合剛柔耦合理論研究了輪胎的耦合系數和地面作用特性，根據動力學原理，建立了航母艦載機前起落架的擺振動力學方程。并完成了CATIA 3D建模、ANSYS有限元仿真分析和ADAMS動力學仿真分析的數字樣機模型。對比了起落架輪胎的剛度、阻尼材料參數的吸振減振效果，得到了不同阻尼模式和不同承載條件下的扭轉、側坡自由度、應力變化的時間響應曲線。比較了各種吸振阻尼材料在剛柔耦合作用下的影響，以及相互組合后的材料對阻尼吸振器的影響。研究結果顯示，航母艦載機飛行器的仿真效果平穩(wěn)、無振動。線性吸振阻尼和方形吸振阻尼具有更好的阻尼吸振效果，可以更快地吸收和耗散擺振的振動能量，從而不會產生過大的阻尼扭矩，并有助于擺振分析和防擺設計。