基于AMESim的飛機主起落架緩沖器建模與緩沖性能分析

張國健 ， 梁 全，郭金中， 王祥瑞

(沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

飛機起落架主承飛機大部分重量，在飛機的起降、牽引與轉彎中有著不可替代的作用。據(jù)分析，飛機降落產生的載荷75%都是被飛機緩沖器吸收的[1]。

油-氣緩沖器效率高吸收能力好，被現(xiàn)代大多數(shù)飛機所采用，其分為單腔緩沖器與雙腔緩沖器，其中，雙腔緩沖器的應用多一些。

目前，飛機內部的雙腔緩沖器性能還需要再進行優(yōu)化，由于沒有準確的模型，因此需要針對這一點搭建一個雙腔緩沖器模型；緩沖器內部關鍵參數(shù)眾多而且在分析時還會相互影響，這對性能的優(yōu)化產生了很大的影響，所以相關學者通過應用模型來分析影響緩沖性能的主要參數(shù)。

近幾年隨著計算機技術突飛猛進的發(fā)展，許多動力學仿真軟件應運而生，如ADAMS與AMESim就是具有代表性的兩個軟件。劉默涵[2]應用AMESim軟件實現(xiàn)了對緩沖器液壓部分的控制；關理想等[3]利用AMESim軟件建立了精確的起落架數(shù)學模型，為緩沖分析提供了前期的準備；張子豪[4]利用落震模型檢驗出了摩擦力對模型的影響。本文應用AMESim軟件進行搭建雙腔緩沖器模型的嘗試[5]。

1 飛機主起落架雙腔緩沖器結構設計

經過多次分析研究，設計的飛機雙腔緩沖器結構如圖1所示。

圖1 雙腔緩沖器結構原理圖

在緩沖器仿真過程中，需要準確模擬飛機降落過程受到的負載。緩沖器工作時的載荷F主要包括空氣壓縮產生的空氣彈簧力Fa、油液擠壓產生的阻力Fh、緩沖支柱與緩沖器殼體間的摩擦力Ff。

1.1 空氣彈簧力Fa

緩沖器工作時，氣體壓縮可以是等溫的，此時多變指數(shù)γ取值為1；也可以是絕熱的，多變指數(shù)γ取值為1.4；還有一種最復雜的情況——多變的，此時的多變指數(shù)γ取值為1～1.4。油氣緩沖器壓縮時間極短，瞬間就會完成，其熱量來不及散出，故為絕熱過程。但是，油液被擠壓時，會在擠壓力的作用下噴濺進入空氣腔，與空氣腔中的空氣混合，從而發(fā)生強烈的熱交換，在這個過程中，氣體也會沿著通道進入油液腔，由此得出氣體的壓縮為多變過程。所以多變指數(shù)γ在全程壓縮過程中取平均值1.2。通過熱力學公式推出單腔緩沖器空氣彈簧力Fa的計算公式為：

(1)

雙腔緩沖器的工作方式在只有低壓腔工作時與單腔緩沖器的工作方式相一致，當活塞桿走過一定的行程之后，低壓腔的壓力達到高壓腔的最低壓力界限時，推動浮動活塞來啟動[6]。這時，高壓腔與低壓腔的腔體體積合為一體，使得腔體體積在一定程度上加大，間接降低了載荷。根據(jù)雙腔緩沖器的工作原理，可以用分步計算法計算空氣彈簧力，在高壓腔工作的轉折點進行分段，在不考慮油液可壓與體積膨脹的前提下，其空氣彈簧力Fa的計算公式如下：

(2)

1.2 油液阻尼力Fh

飛機阻尼的大小與油液通過油孔的速度相關。在緩沖器工作初期瞬時速度大，油孔需要大一些；等到停機位置附近，瞬時速度比較小，為避免過小的阻尼，需要小油孔。因此，需要通過變油孔調節(jié)過載，以提高起落架的使用壽命[7]，同時應用側油孔來維持高、低壓腔的壓力平衡。應用伯努利方程與局部壓力損失理論，聯(lián)合推導的油液阻尼力Fh的計算公式為：

(3)

1.3 摩擦力Ff

飛機緩沖器的摩擦力來源有兩個，其一為緩沖器內部的摩擦力Ff1，也叫皮碗摩擦力，其計算公式為：

(4)

其中：μm1為皮碗摩擦因數(shù)。

其二為緩沖支柱彎曲引起的緩沖器結構摩擦力Ff2，其計算公式為：

(5)

其中：μm2為緩沖器彎曲摩擦因數(shù)；Nu、Nl分別為緩沖器在產生撓度時上、下支撐點受到的正壓力。

綜上所述，緩沖器總摩擦力的計算公式可以整理為：

Ff=Ff1+Ff2.

(6)

(7)

2 雙腔緩沖器仿真模型搭建

2.1 靜態(tài)模型搭建

搭建緩沖器模型過程中，首先建立靜態(tài)模型，這有助于對建立的模型基本特性進行研究，并通過載荷-行程的緩沖特性來判斷模型的正確性[8]。雙腔緩沖器靜態(tài)特性仿真原理如圖2所示。

圖2 雙腔緩沖器靜態(tài)特性仿真原理圖

施加斜坡力信號后，大、小活塞位移曲線分別如圖3、圖4所示。

由圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，開始壓縮的第一階段，只有大活塞本身被壓縮，轉折點之后是壓縮第二階段，為大、小活塞一起壓縮，最后的階段大活塞基本不動，說明大活塞的行程已達到位移極限。在小活塞位移的初始階段，雖然其位移是在后退，但是相對大活塞卻并沒有移動，在曲線變化緩慢的階段才是小活塞真正開始被壓縮的過程。由此得出的雙腔緩沖器位移-負載曲線如圖5所示。

分析圖5發(fā)現(xiàn)，該緩沖器表現(xiàn)出了兩段壓縮的特性，從側面證明了該雙腔緩沖器模型的正確性。

圖3 大活塞位移曲線 圖4 小活塞位移曲線 圖5 雙作動緩沖器位移-負載曲線

2.2 動態(tài)模型搭建

經計算后確定模型參數(shù)，詳細參數(shù)見表1，搭建的雙腔緩沖器模型如圖6所示。

圖6 雙腔緩沖器模型

表1 模型的主要參數(shù)

3 仿真結果分析

3.1 單、雙腔緩沖器仿真結果對比分析

在單、雙腔緩沖器參數(shù)相同且雙腔緩沖器高壓腔壓力是低壓腔壓力5倍的前提下與單腔緩沖器的壓縮量進行比較，如圖7所示。

分析圖7可知，單腔緩沖器的壓縮量雖小，但是活塞多次回到最初位置，意味著這種情況下，飛機出現(xiàn)多次的彈跳，易導致飛機發(fā)生解體。

圖7 單、雙腔緩沖器壓縮量

單、雙腔緩沖器受到的垂向載荷對比如圖8所示。

由圖8可知，雙腔緩沖器的緩沖性能明顯優(yōu)越于單腔緩沖器，但是巔峰載荷卻2倍于單腔緩沖器，穩(wěn)定載荷4.8倍于單腔緩沖器。

圖8 單、雙腔緩沖器垂向載荷

單、雙腔緩沖器落震加速度如圖9所示。

由圖9可見，雙腔緩沖器落震加速度變化速率快于單腔緩沖器，表明雙腔緩沖器更快變穩(wěn)定。

圖9 單、雙腔緩沖器落震加速度

3.2 雙腔緩沖器仿真分析

初始液壓腔體積對緩沖性能的影響如圖10所示。

由圖10可知，體積增加后，緩沖力的波動迅速變大，表明緩沖性能在快速下降。

圖10 初始液壓腔體積對緩沖性能的影響

低壓腔的壓力取9 MPa，高壓腔壓力分別為18 MPa、36 MPa、54 MPa時，得到不同高低壓腔壓力比對緩沖力的影響，如圖11所示。

圖11 高低壓腔不同壓力比對緩沖性能的影響

從圖11中可以看出：隨著高低壓腔壓力比的增加，緩沖性能越來越好；但是比例過高時，緩沖性能卻不升反降。

4 結論

(1) 由緩沖器模型的對比分析，證明了雙腔緩沖器的緩沖效果要優(yōu)于單腔緩沖器。

(2) 初始液壓腔的體積需適當選取，并不是越大越好。

(3) 高低壓腔壓力比的選取需要控制在4以內，再增加只會對材料徒增壓力，不會提升緩沖性能；模型的批處理功能，非常適合某一參數(shù)的分析。