基于LMS motion的大型客机起落架缓冲器设计研究

基于LMS motion的大型客机起落架缓冲器设计研究摘要：以某型300座级大型民用客机初步设计为背景，对其起落架缓冲系统进行初步设计，建立缓冲系统的力学模型，在LMS motion软件中进行起落架系统级和全机级的落震试验仿真分析。根据仿真分析结果，对初步设计参数进行优化，最终得到满足缓冲性能需求的设计方案。该研究结果表明，LMS motion能帮助实现大型客机起落架快速设计和分析。关键词：大型客机；LMS；起落架设计；落震试验0引言起落架缓冲设计是起落架设计的核心问题，具有良好缓冲性能的起落架，才能使飞机在着陆、滑跑和地面操纵过程中，具有较低的疲劳载荷、较好的稳定性和较高的可靠性12。起落架缓冲性能的好坏主要依赖于缓冲器的设计是否合理，而缓冲器参数配置的恰当与否，对缓冲性能有着决定性的影响3。起落架落震试验是模拟飞机着陆撞机的一种动力特性试验，目的是通过起落架撞击试验来验证设计参数、结构可靠性是否达到设计要求。与以前不同，目前国内外已经不局限于用真实物理试验，来对起落架进行动态性能分析。ADAMS、LMS Virtual.Lab、SIMPACK等多体系统的运动学、动力学软件已经发展十分完善，其中LMS Virtual.Lab已经被广泛应用与航空、航天、汽车和工程机械等，包括起落架设计和分析领域46。本文的设计背景是一款300座级的干线客机，在总体初步设计已经完成的情况下，本文针对起落架缓冲系统进行了设计和分析。首先依据总体设计要求和工程估算方法6，设计出了初步的起落架的缓冲系统，在CATIA中建立了起落架的三维几何模型，并导入LMS motion软件进行了起落架和全机的落震试验仿真，最后根据仿真结果对设计参数进行优化，得到满意的设计方案。1缓冲系统初步设计飞机起落架的缓冲系统主要包括缓冲器和轮胎两部分，但缓冲性能主要通过缓冲器来实现。该大型客机采用的是大多数现代飞机都使用的油-气缓冲器，它在所有形式缓冲器中具有最好的效率和最好的功量吸收能力。根据总体布置情况可知，前起落架采用双轮支柱式起落架，主起落架采用四轮小车式起落架，起落架和重心的位置关系如图1 所示。图1 起落架和重心布置情况1.1 缓冲器行程的估算假设轮胎和缓冲器可以完全吸收起落架缓冲系统着陆撞击功量，可得公式6： (1)式中：N为过载；nt为轮胎效率；St为N被载荷停机载荷下的轮胎变形；ns为轮胎效率；V为下沉速度；K=L/G，L为升力，G为飞机重力。将总体数据带入计算可得：主起落架缓冲行程为428mm，前起落架缓冲行程为441mm。1.2 缓冲器压缩比的确定压缩比的定义是缓冲器支柱在某位置上的压力，与另一位置的比值。在缓冲器设计中通常要考虑的是全伸长状态比停机状态和全压缩状态比停机状态。大型飞机的压缩比为：停机/全伸长4:1;全压缩/停机3:1。1.3 各行程状态下的载荷计算最大飞机停机载荷根据静平衡方程，由飞机最大重量、起落架位置和重心位置带入计算获得。最大重量为237.4t，主、前起落架最大停机载荷为1068.8kN和和237.4kN。根据上节压缩比的选择，可得各行程状态下的载荷值，如下表所示：表1 缓冲器载荷情况最大载荷全伸长全压缩停机MLG267.23206.41068.8NLG59.4712.2237.41.4 活塞杆面积估算单个起落架缓冲器活塞直径计算公式： （2）一般情况下，停机时为了使用标准压缩机对起落架进行维护，停机时的气腔压力p2取为10.35MPa。由此可知：主起落架活塞杆压气面积为929cm2，前起落架活塞杆压气面积为206cm2。1.5 初始气腔体积和压力计算根据选定的压缩比和已知的p2有：p1=2.58MPa；p3=31.05MPa。缓冲器总行程压气量D=ApistonS；初步假设支柱全压缩的空气体积V3为缓冲器工作行程的10%，全伸长容积V1=D+V3=1.1D。再已知的流体力学公式3，可得到如表2所示的气腔体积和压力表。 （3）表2 各行程状态下压力和体积情况MLG全伸长停机压缩体积mm243737109343976压力MPa2.5810.3531.05载荷kN26710683207NLG全伸长停机压缩体积mm299942499909压力MPa2.5810.3531.05载荷kN29.52377141.6 油孔面积估算油孔面积估算公式为：（4）式中：ny为垂直载荷过载，Mzl为飞机着陆当量，P1为全伸长压力，V1为初始容腔体积，Pa为大气压力。带入计算数据可得：主起落架油孔面积为11.7cm2，前起落架油孔面积为2.8cm2。近代缓冲器的阻尼孔的面积一般可取压气面积的1%2%；当比例是5%8%时，则基本没有阻尼效果。本设计中前、主起落架都比例分布是1.26%和1.36%，属于正常的设计范围，油孔面积变化范围可取9.28cm218.6cm2和2.06 cm24.12 cm2。2 缓冲系统力学模型2.1 缓冲器模型分析缓冲器工作原理，可知缓冲器的轴向力FS主要包括结构限制FL、空气弹簧力Fa、油液阻尼力Fh和摩擦力Ff。它们相互作用构成的缓冲器力学模型，可用式表式为FS=FL+Fa+Fh+Ff。（5）式中：S为缓冲器行程；KL为缓冲器轴向拉压刚度，取值为109；Smax为缓冲器最大行程。（6）式中：Apiston.gas为活塞的有效压气面积，此处等于Apiston；p1为气腔初始压力；V1为气腔初始容积；为气体多变指数；pa为大气压力。 （7）式中：为油液密度860kg/m3；Apiston.oil=0.7Apiston.gas，Ad为油孔面积。Cd为油液缩流系数0.8；为活塞相对外筒速度。 （8）式中：Km为摩擦系数0.05；为活塞相对外筒的速度。2.2 轮胎模型真实的轮胎结构复杂，它的作用就像弹簧那样吸收能量再释放能量，起到缓冲的作用。在气体等温压缩的理想条件下，轮胎在起落架动力学仿真分析中简化为一个非线性弹簧和阻尼。轮胎垂直力与轮胎变形之间的关系可以由轮胎压缩曲线公式来确定，其表达式为：其中，为垂直振动阻尼系数，为轮胎静压曲线。根据轮胎垂直力，可以计算出航向和侧向力。3 起落架落震仿真分析3.1 LMS起落架落震模型利用LMS软件导入之前的飞机前、主起落架几何模型，添加运动学关系、动力学关系和地面参数，得到多体动力学仿真模型，软件中模型外在形式如下所示。图2 LMS起落架落震模型3.2 落震参数的确定1) 确定着陆当量该机型的最大着陆设计重量为190t，分配到主起落架和前起落架上的当量为95t和19t。2) 投放高度落震试验的投放高度值是机轮下沿到试验台的距离，根据落震试验规范的下沉速度决定，计算公式为：H=V2y/2g。根据总体设计要求，最大着陆设计重量载荷下，着陆下沉速度为1.83m/s，则计算可得H=0.475m。3) 有效投放重量落震试验的有效投放重量指起落架、夹具、吊篮及其附加重量集合的总落体质量，根据公式计算后，主起落架和前起落架的有效投放重量为42.9t和12t。3.3 仿真分析结果LMS软件中建模完毕后，即可根据需要的参数进行落震仿真，设置完求解器的分析时间和积分步长即可进行求解。仿真结果中主要选择功量图和行程变化图来判断设计方案的好坏，本次设计中针对初始体积和油孔面积在合理范围内进行修改，很容易便得到满意的取值，具体的取值如表3。表3 缓冲系统参数优化结果V1AdMLG4573710.8cm2NLG109942.38cm2图3 主起落架功量图图4 前起落架功量图从上述两幅功量图可知，优化后的起落架缓冲性能良好。最大压缩量分别是394mm和437mm，接近设计行程；最大载荷分别是134kN和26.7kN，对应过载为1.15和1.13，接近设计时的1.25。图5 全机落震仿真模型图6 重心高度变化曲线对LMS起落架仿真模型和全机CAD模型装配，设置重心、重量和地面等进行设置，得到了如图5所示的全机落震仿真模型，计算得到了如图6所示的高度变化曲线。从曲线和动画等仿真结果中可知本次的缓冲系统设计切实可行。4 结论起落架缓冲系统是帮助飞机实现平稳安全起飞着陆的主要装置，在300座大型客机展开初步设计的背景下，本文对飞机的起落架缓冲系统进行设计和分析。计算出起落架落震试验所需参数，基于多体动力学仿真分析软件LMS建立了起落架和全机落震虚拟样机；依据功量图、行程变化曲线和高度变化曲线等仿真分析结果，对缓冲系统主要参数进行了优化，得到了满足飞机缓冲性能需求的设计方案；为进一步的起落架详细设计和落震试验奠定了基础。参考文献1聂宏，魏小辉. 大型民用飞机起落架关键技术J. 南京航空航天大学学报，2008.2刘向尧，聂宏，魏小辉. 大型民机起落架着陆性能仿真分析与优化设计J. 科学技术与工程，2010.3Curry，NS. Aircraft Landing Gear Design Principles and PracticeM. Washington: AIAA Education Series，1988.4王文强. 飞行器柔性起落架落震性能分析J.机械设计与制造. 2013，8.5崔飞. 基于LMS的起落架动态性能仿真分析J. 计算机辅助工程. 2012，4.6高泽迥. 飞机设计手册第14册起飞着陆装置M.北京:航空工业出版社，2002.