DA-42飛機(jī)減震器逆向重建與外載荷計(jì)算

牟 正,賀 強(qiáng)

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院,四川 廣漢 618307)

0 引言

DA-42飛機(jī)是國(guó)內(nèi)中級(jí)教練機(jī)培訓(xùn)中的主流機(jī)型。在DA-42飛機(jī)服役過(guò)程中,不可避免的會(huì)對(duì)飛機(jī)起落架減震器造成損傷,因此需要對(duì)減震器進(jìn)行換件來(lái)保證減震持續(xù)適航[1],而減震器這類(lèi)航材被國(guó)外原始設(shè)備制造商(Original Equipment Manufacturer,OEM)壟斷,購(gòu)買(mǎi)時(shí)會(huì)出現(xiàn)采購(gòu)周期長(zhǎng)、金額高甚至難以購(gòu)買(mǎi)的情況,開(kāi)展DA-42飛機(jī)起落架減震器國(guó)產(chǎn)化替代對(duì)于保證我國(guó)通用航空高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。在國(guó)產(chǎn)化替代過(guò)程中,計(jì)算DA-42飛機(jī)減震器外載荷是設(shè)計(jì)的先決條件[2]。

減震器是一個(gè)包含油、氣、橡膠和不銹鋼等多種材料的系統(tǒng),在機(jī)身和地面之間承接著多種工況下的受力,這使其載荷的計(jì)算復(fù)雜多變。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究很多采用有限元分析、動(dòng)力學(xué)仿真和落震試驗(yàn)等方法。Sonowal等人[3]分別對(duì)不同金屬材料的減震器進(jìn)行受力分析和有限元仿真,得知高強(qiáng)度不銹鋼模型具有更小的應(yīng)力和變形。Ark等人[4]根據(jù)減震器沖程速度和飛機(jī)下沉速度,設(shè)計(jì)減震器模糊控制器系統(tǒng),旨在減少飛機(jī)因著陸沖擊而產(chǎn)生的振動(dòng)。Kang等人[5]提出了一種壓力損失的磁流變減震器設(shè)計(jì)模型,并以某機(jī)型減震器參數(shù)設(shè)計(jì)了磁流變減震器原型,最后結(jié)合落震試驗(yàn),研究了磁流變減震器工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。Ahmad等人[6]根據(jù)適航標(biāo)準(zhǔn),對(duì)一個(gè)全質(zhì)量為1 600 kg飛機(jī)的前起落架減震器組件進(jìn)行設(shè)計(jì),并通過(guò)有限元分析對(duì)減震器的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性驗(yàn)證。Pecora[7]在Matlab環(huán)境中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套關(guān)聯(lián)程序,整合減震器結(jié)構(gòu)參數(shù)與初始條件到動(dòng)態(tài)沖擊方程,并模擬落震試驗(yàn),得到與真實(shí)試驗(yàn)相符的結(jié)果。祝世興等人[8]通過(guò)建立動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型與流固耦合有限元模型,對(duì)比分析了不同激勵(lì)下減震器的動(dòng)力學(xué)特性。齊浩等人[9]建立數(shù)字化樣機(jī),對(duì)無(wú)人機(jī)減震器在著陸過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究。吳衛(wèi)國(guó)等人[10]使用隨機(jī)模擬方法,結(jié)合下沉速度、下沉高度和路面不平度等因素,分析了飛機(jī)著陸起落架減震器的隨機(jī)響應(yīng)特征。王永慶等人[11]對(duì)艦載機(jī)滑躍起飛過(guò)程中減震器的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究,并結(jié)合甲板風(fēng)場(chǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)性能、起落架重量等若干影響因素進(jìn)行討論,得出設(shè)計(jì)所需重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵因素。趙知辛等人[12]基于變密度法和優(yōu)化準(zhǔn)則法對(duì)某機(jī)型前起落架減震器進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),在滿(mǎn)足剛度、強(qiáng)度的條件下實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的優(yōu)化。周進(jìn)[13]利用LMS Virtual.Lab構(gòu)建包含攔阻系統(tǒng)的艦載機(jī)虛擬樣機(jī),并結(jié)合Automation技術(shù),實(shí)現(xiàn)了某艦載機(jī)著艦段自動(dòng)化仿真。

綜上所述,對(duì)DA-42飛機(jī)減震器外載荷的計(jì)算需要通過(guò)理論計(jì)算、仿真模擬和整機(jī)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。本文通過(guò)對(duì)DA-42飛機(jī)減震器逆向重建,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式和Adams軟件對(duì)DA-42飛機(jī)減震器在各著陸工況下進(jìn)行理論計(jì)算、仿真計(jì)算,并討論各工況下減震器最大軸向力變化規(guī)律,最后與整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。

1 DA-42飛機(jī)參數(shù)

1.1 DA-42總體參數(shù)

DA-42飛機(jī)起落架采用前三點(diǎn)式布置,飛機(jī)總體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 飛機(jī)總體參數(shù)

則前起落架停機(jī)載荷Fn和主起落架停機(jī)載荷Fm可由下式計(jì)算:

(1)

(2)

1.2 DA-42減震器逆向重建

對(duì)DA-42飛機(jī)減震器進(jìn)行拆解,測(cè)量結(jié)構(gòu)具體尺寸,并根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)設(shè)置公差,DA-42減震器均為油-氣混合型,DA-42飛機(jī)減震器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 DA-42飛機(jī)減震器結(jié)構(gòu)示意圖

(1)前起落架減震器結(jié)構(gòu)

DA-42前起落架減震器主要由外筒、限油筒、內(nèi)筒、端蓋、底座、防扭臂、密封件(包含密封圈、漲圈、刮油圈、防塵圈)等零部件構(gòu)成,如圖 1(a)所示。

(2)主起落架減震器結(jié)構(gòu)

DA-42主起落架減震器主要由內(nèi)筒、內(nèi)筒端蓋、外筒、外筒端蓋、中心螺栓、節(jié)流閥、密封件(方形密封圈、備用密封圈、內(nèi)筒密封圈、外筒密封圈)等零部件組成,如圖 1(b)所示。

2 DA-42飛機(jī)減震器外載荷計(jì)算

2.1 理論計(jì)算

依據(jù)《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)14》[14],著陸載荷的計(jì)算應(yīng)依減震器壓縮時(shí)間、機(jī)輪起轉(zhuǎn)時(shí)間、起落架自振周期等數(shù)據(jù)進(jìn)行當(dāng)量重量、使用功量、垂直過(guò)載的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定。

主起落架著陸當(dāng)量重量Wm由經(jīng)驗(yàn)公式算得:

Wm=0.5W

(3)

前起落架著陸當(dāng)量重量Wn由下式計(jì)算:

(4)

其中,μ為輪胎與地面摩擦系數(shù)。

前起落架減震器系統(tǒng)吸收的使用功量An和主起落架減震器系統(tǒng)吸收的使用功量Am分別由公式式(5)、公式(6)確定。

(5)

(6)

其中,Vy為下沉速度,取3.05 m·s-1。

起落架垂直過(guò)載ny由下式確定。

(7)

其中:K1為考慮減震系統(tǒng)填充參數(shù)容差影響的放大系數(shù),取1.05～1.1;K2為考慮起轉(zhuǎn)與回彈引起支柱變形影響的放大系數(shù),取1.1;η為減震系統(tǒng)使用功功量曲線(xiàn)效率系數(shù),取0.65～0.7;Su為減震器的使用行程;φu為使用行程的垂直方向位移傳遞系數(shù);δu為輪胎壓縮量。

對(duì)于兩點(diǎn)水平著陸主起落架垂直載荷Py,m和水平載荷Px,m由下式計(jì)算。

Py,m=ny,m·Wm·g

(8)

Px,m=-0.4Py,m

(9)

在飛機(jī)俯仰角為θ姿態(tài)下著陸的主起落架垂直載荷Py1,m和水平載荷Px1,m由下式計(jì)算。

Py1,m=Py,m·cosθ-Px,m·sinθ

(10)

Px1,m=Px,m·cosθ+Py,m·sinθ

(11)

對(duì)于三點(diǎn)水平著陸前起落架垂直載荷Py,n和水平載荷Px,n由下式計(jì)算。

Py,n=ny,n·Wn·g

(12)

Px,n=-0.4Py,n

(13)

在飛機(jī)著陸過(guò)程中,由于機(jī)輪會(huì)吸收一部分能量,減震器所承受的軸向載荷會(huì)略小于起落架垂直載荷,考慮減震器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保留一定的安全余量,本文將減震器軸向受力等同于起落架垂直受力計(jì)算。

2.2 仿真計(jì)算

對(duì)于油-氣混合的減震器,其工作中的軸向載荷Fz主要由空氣彈簧力Fa、油液阻尼力F0、結(jié)構(gòu)間摩擦力Ff和結(jié)構(gòu)限制力Fs組成。

Fz=Fa+F0+Ff+Fs

(14)

其空氣彈簧力Fa可以由下式計(jì)算[15]。

(15)

其中:Aa為減震器壓氣橫截面面積;P0為減震器充氣壓強(qiáng);V0為減震器全伸長(zhǎng)時(shí)空氣體積;sm為減震器離下止點(diǎn)的軸向位移;γ為多變指數(shù);Patm為大氣壓強(qiáng)。

油液阻尼力F0可由下式計(jì)算[16]。

(16)

結(jié)構(gòu)間摩擦力Ff可表示為

Ff=Ff1+Ff2

(17)

(18)

(19)

其中:Ff1為密封件摩擦力;μm為密封件摩擦系數(shù);fa為密封件接觸面正壓力;Ff2為庫(kù)倫摩擦力;μb為庫(kù)倫摩擦系數(shù);對(duì)于前減震器,Nu和Nt分別為內(nèi)筒對(duì)外筒的作用力和內(nèi)筒對(duì)限油筒的作用力,對(duì)于主減震器,Nu為內(nèi)筒對(duì)外筒作用力,Nt為零。

減震器參數(shù)如表2所示。

表2 減震器參數(shù)

減震器在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)適當(dāng)保留一些行程余量,在正常情況下,其結(jié)構(gòu)限制力Fs=0。

2.2.1 動(dòng)力學(xué)仿真場(chǎng)景建立

DA-42動(dòng)力學(xué)仿真場(chǎng)景如圖2所示。將主、前起落架減震器模型在SolidWorks軟件中完成DA-42整機(jī)裝配,利用“Motion”插件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)算例計(jì)算,將結(jié)果以“adm”格式導(dǎo)入Adams軟件中,在Adams/View中添加合適的輪胎和大地模型,調(diào)整大地坐標(biāo)系和飛機(jī)坐標(biāo)系一致,如圖2(a)所示。選擇減震器金屬材料為40CrMnSiMoVa,密封圈材料為聚四氟乙烯,通過(guò)減震器中空氣彈簧力Fa、油液阻尼力F0、結(jié)構(gòu)間摩擦力Ff和結(jié)構(gòu)限制力Fs的計(jì)算,設(shè)置合理的減震器剛度系數(shù)和阻尼系數(shù),為簡(jiǎn)化計(jì)算量,本次仿真采用剛性機(jī)體假設(shè),考慮剛體響應(yīng)中非彈性質(zhì)量分布影響(如內(nèi)筒、防扭臂、機(jī)輪等),對(duì)零件進(jìn)行真實(shí)質(zhì)量的添加并設(shè)置好約束、接觸力、重力等參數(shù),如圖2(b)。調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)以2.5°下滑角接近地面,進(jìn)場(chǎng)速度為130 km·h-1,下沉速度為3.05 m·s-1,模型設(shè)定的仿真時(shí)間到10 s為止。

圖2 DA-42動(dòng)力學(xué)仿真場(chǎng)景

2.2.2 模型仿真與結(jié)果分析

動(dòng)力學(xué)仿真場(chǎng)景搭建完成后,對(duì)飛機(jī)著陸工況下可行的最大范圍內(nèi)俯仰角和滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行組合,選擇三點(diǎn)著陸工況(Pitch angle 0 degrees and roll angle 0 degrees,P0_R0)、俯仰角為2°、6°、10°及與各俯仰角分別對(duì)應(yīng)的右滾轉(zhuǎn)角為0°、1°、2°、3°的工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。 本文僅展示P0_R0、P2_R2、P6_R2、P10_R2工況下右主減震器(MainRight)、左主減震器(MainLeft)和前減震器(Nose)的仿真結(jié)果,包含減震器軸向載荷(Axial Force)隨時(shí)間(Time)變化關(guān)系(圖3(a)、圖4(a)、圖5(a)、圖6(a))、減震器位移(Displacement)隨時(shí)間(Time)變化關(guān)系(圖3(b)、圖4(b)、圖5(b)圖6(b))、減震器功量圖(圖7)。

圖3 P0_R0

圖4 P2_R2

圖5 P6_R2

圖6 P10_R2

圖7 減震器功量圖

在減震器軸向載荷/位移隨時(shí)間變化的關(guān)系中,工況P0_R0(圖3)飛機(jī)前輪、主輪在0.3 s時(shí)刻同時(shí)接地,因此前、主減震器軸向載荷/位移同時(shí)發(fā)生變化,在減震器首次壓縮達(dá)到最大值后開(kāi)始反方向伸展,經(jīng)多次反復(fù)的壓縮伸展,吸收消耗著陸動(dòng)能,最終在停機(jī)載荷/位移附近趨于穩(wěn)定,從圖中可以看出前減震器的停機(jī)載荷和位移分別約為2 034 N和22 mm,主減震器的停機(jī)載荷和位移分別約為8 787 N和42 mm。

工況P2_R2、P6_R2、P10_R2均是以飛機(jī)右主輪先接地,緊接著左主輪和前輪接地,因此,右主減震器、左主減震器和前減震器軸向載荷/位移根據(jù)飛機(jī)著陸姿態(tài)不同先后發(fā)生變化,同樣也在停機(jī)載荷/位移附近趨于穩(wěn)定。

在減震器軸向載荷變化中,前減震器(除了工況P0_R0)會(huì)出現(xiàn)從-150 N至-320 N的載荷,這是由于飛機(jī)主輪先著陸,此時(shí)前減震器內(nèi)筒已伸展至下止點(diǎn),主輪的著陸會(huì)使在前起落架的彈簧下質(zhì)量(輪胎、內(nèi)筒、端蓋、底座、防扭臂、減擺器等)對(duì)前減震器產(chǎn)生一定的沖擊載荷。在減震器位移變化中,前減震器位移為零的點(diǎn)表示飛機(jī)著陸過(guò)程中,前輪未觸地,前起落架減震器內(nèi)筒處于下止點(diǎn)位置。

減震器功量圖(圖 7)是根據(jù)減震器軸向載荷與位移關(guān)系繪制而成,圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)分別對(duì)應(yīng)工況P0_R0、P2_R2、P6_R2、P10_R2的載荷位移關(guān)系,由圖可知,功量圖相對(duì)飽滿(mǎn),表明該工況下減震器具有較好的緩沖性能。

2.3 各著陸工況減震器最大軸向力分析

基于仿真數(shù)據(jù),對(duì)DA-42飛機(jī)在各著陸工況下減震器最大軸向力進(jìn)行整理分析,各工況著陸減震器最大軸向力匯總?cè)鐖D8所示,可以得到以下結(jié)論:

圖8 各工況著陸減震器最大軸向力匯總

(1)DA-42飛機(jī)在較小的俯仰角下著陸時(shí),前減震器所受最大軸向載荷高于主減震器。

(2)對(duì)于同一俯仰角下不同的滾轉(zhuǎn)角著陸工況,前減震器軸向受力基本保持一致。

(3)隨著俯仰角度的增加,前減震器最大的軸向受力呈下降趨勢(shì),而主減震器最大軸向受力則呈上升趨勢(shì)。

(4)在單輪著陸的情況下,首先觸地的主減震器軸向受力會(huì)高于另一側(cè)的主減震器,但其受力與對(duì)應(yīng)俯仰角的兩點(diǎn)水平著陸主減震器受力總體相近。這符合CCAR23規(guī)章23.483條的要求,原因是單輪著陸在未達(dá)到極限載荷之前,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的恢復(fù)力矩,使飛機(jī)傾向于另一側(cè),變成兩點(diǎn)水平著陸情況。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過(guò)對(duì)DA-42飛機(jī)在P2_R0工況下進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn),試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算、仿真計(jì)算的結(jié)果誤差小于10%,三種方式的結(jié)果對(duì)比情況如圖9所示。

圖9 對(duì)比情況

3 結(jié)論

本文面對(duì)DA-42飛機(jī)減震器國(guó)產(chǎn)化需求,通過(guò)理論、仿真的方法分別對(duì)飛機(jī)在三點(diǎn)著陸工況、俯仰角為2°、6°、10°及與各俯仰角分別對(duì)應(yīng)的右滾轉(zhuǎn)角為0°、1°、2°、3°的工況下減震器軸向載荷進(jìn)行計(jì)算,并將計(jì)算結(jié)果與整機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性,為DA-42飛機(jī)起落架減震器國(guó)產(chǎn)化提供一定的支持。