基于ADAMS的舰载机起落架摆阵稳定性仿真分析

何 磊

(安徽农业大学经济技术学院机械工程系，合肥 230011)

0 引言

飞机起落架是确保飞机能够安全起飞和着陆的关键装置，同样也是舰载机能够安全飞行和执行任务的重要部件。在对舰载机起落架进行设计的过程中，必须要解决一个非常关键的问题，就是舰载机起落架的摆振问题。所谓的起落架摆振简单来说就是：舰载机落地起落架的前轮或后轮在跑道上进行滑动时，会偏离起落架的飞机轮中立位置，同时在侧向和扭转方向产生非常强烈的相互耦合运动的振动现象[1]。摆振现象是非常普遍的一种现象，包括汽车的前轮在运动过程中都有可能出现不同程度的摆振现象，由于舰载机起落架独特的结构，所以摆振现象对舰载机的飞行安全性有非常大的危害[2]。

国内针对舰载机起落架的研究起初主要是学习和发展国外的技术。在这个基础上我国国内的学者也开始对舰载机的摆振现象进行深入的研究，并在舰载机摆振方面做出了很大的贡献，也研究出了多种分析方法，能有效缓解一部分民用飞机存在的摆振稳定性问题。然而针对目前国内执行众多任务的舰载机而言还存在严重的摆振问题[3]，至今还不能彻底解除舰载机的摆振现象。国外学者对于飞机机构摆振稳定性的相关研究进行了充足的理论分析以及众多实验研究，进而在飞机摆振稳定性方面产生了大量的文献。在针对摆振性的研究方面，国内和国外的研究是类似的，都出现了各种不同的分析以及实验方法，都在不断地优化减震性能的问题，至今均不能彻底解决飞机起落架摆振稳定性的问题。

本文主要采用目前运用比较广泛的多体动力学仿真软件——CATIA进行舰载机的零件建模操作。在模型建好之后，采用虚拟样机技术对摆振进行仿真研究，结合相关的关于舰载机的摆振稳定性的例文分析和相关的材料文献进行验证，能够为以后针对提高舰载机起落架安全性能和稳定性能方面的后续研究工作提供理论参考。

1 摆振动力学模型的建立

1.1 坐标系定义

为了得到更为真实和准确的仿真结果，建立了一个非常简单的非线性数学模型，这个模型涵盖了一些主要的与舰载机起落架摆振性相关的各种零部件，包括舰载机起落架支柱的扭转特性和轮胎的弹性侧向特性与舰载机起落架的受力状态[4-5]，其受力分析如图1所示。

本文采用的是二阶近似的张线理论建立轮胎的力学理论模型，如图2所示。

图1 前起落架的结构示意

α.前轮围绕旋转轴轴线的侧向转动；Lg.前轮几何稳定的距离；V.飞机在跑道上的滑跑速度；θs.前轮的摆动角度；y0.轮胎接触地面中心点的侧向偏移图2 二阶近似的张线理论

1.2 基于ADAMS的刚—柔耦合多体系统动力学方程

综上所述，最后总结推导出基于ADAMS的刚—柔耦合多体系统动力学方程。在舰载机系统和起落架系统中，每个零部件均具有5个变量和方程。

变量：

(1)

方程：

(2)

基于ADAMS的刚—柔耦合多体系统动力学方程：

本文主要研究舰载机的前起落架，由于舰载机前起落架的结构特别复杂，对强度的要求特别高，对舰载机起落架的结构关系与各构件之间的连接关系分析后，将舰载机起落架系统的零部件进行了简化。

对于舰载机起落架的装配设计环节，运用的是从上往下的装配方式，当然，在舰载机起落架的装配过程中必须经过不停的修改，从而消除零件装配之间的误差，直至装配的舰载机起落架符合要求。

2 基于ADAMS的舰载机起落架摆阵稳定性仿真分析

2.1 舰载机起落架的摆振稳定性分析

舰载机在起飞、降落过程中在地面跑道上进行滑行时，造成舰载机起落架产生摆振现象的因素是多个方面的，包括非线性因素和自由度的复杂系统。建立一个完整的起落架动力学模型，正确地表述起落架在行进过程中的各个运动与受力的关系，是确保起落架在整个动力学分析中的准确性的重要因素之一[6]。其次，对舰载机起落架的支柱结构变形与轮胎的力学性能进行分析也是尤为重要的。起落架在落地时产生的缓冲和漂浮，相对于舰载机起落架的摆振性影响较小[7]，可以忽略。本文主要是针对引起舰载机起落架摆振性的主要原因进行分析，这对于舰载机起落架的分析尤为重要。

本节从研究舰载机摆振稳定性的动力系统出发，对舰载机的工作状态进行了深刻的分析。

2.2 舰载机起落架的分析模型

舰载机起落架关键部件的有限元分析，本文选取了起落架扭力臂和支柱进行了网格的划分和静力学结构分析，如图3～4所示，分析结果显示起落架关键受力部件安全适用。

图3 起落架扭力矩网格的划分

图4 起落架升杆网格的划分

3 基于ADAMS的舰载机起落架摆阵稳定性仿真分析

在CATIA中建立起舰载机起落架的三维模型，然后导入到ADAMS中去，进而进行摆振稳定性分析，再给建立好的模型一个起始偏转角，再不断地增加轮胎的刚度值，最后结合数据得出轮胎刚度值不同情况下的舰载机起落架的摆振分析。图5～7显示的是当舰载机着舰速度为30 m/s时，不同轮胎刚度所对应的时间响应曲线；图8～10显示的是当舰载机着舰速度为30 m/s时，起落架摆振所对应的时间响应曲线。

图5 在轮胎较低刚度下起落架的摆振分析结果

图6 在轮胎中等刚度下起落架的摆振分析结果

图7 在轮胎高等刚度下起落架的摆振分析结果

图8 起落架摆振等幅摆振

图9 起落架收敛摆振

图10 起落架发散摆振

根据上面不同刚度下3个轮胎起落架的摆振分析结果可以得出初步结论，即轮胎的刚度越大，起落架的摆振角就越大，从这点我们可以看出轮胎的刚度对于摆振角的影响是非常巨大的，也是非常关键的。

经过实际的论证，即舰载机起落架在逐渐变大的轮胎刚度下，起落架会逐渐地开始进行幅度相等的摆振，在进入一定时间地收敛之后，摆振会逐渐地平稳下来[9]，可是当我们再一次把轮胎的刚度增大时，起落架的摆振又逐渐变大。

4 对舰载机起落架模型的摆振仿真结果分析

根据上面对轮胎不同刚度情况下的起落架摆振仿真结果分析可以看出以下的结论：在舰载机起落架轮胎刚度较低的情况下，由于起落架支柱的原因，即起落架支柱的刚度较大，而轮胎的刚度不足的时候，随着我们逐步增加轮胎的刚度，起落架的摆振性越来越大，会处于一种发散的状态，直至最后趋于一个等幅度的摆振效果；但是如果一直逐渐增加起落架轮胎的刚度，这样会使起落架支架的刚度相对于轮胎的刚度越来越小，机轮也将发生摆振，此时摆振收敛又会慢慢发散，而当轮胎刚度足够大的时候，舰载机起落架的机轮摆振就会逐渐衰减，进入一个稳定的状态。

5 结语

本研究建立了支柱的耦合角度，结构扭转和侧摆的柔性模型，并结合刚柔耦合理论研究了轮胎的耦合系数和地面作用特性，根据动力学原理，建立了航母舰载机前起落架的摆振动力学方程。并完成了CATIA 3D建模、ANSYS有限元仿真分析和ADAMS动力学仿真分析的数字样机模型。对比了起落架轮胎的刚度、阻尼材料参数的吸振减振效果，得到了不同阻尼模式和不同承载条件下的扭转、侧坡自由度、应力变化的时间响应曲线。比较了各种吸振阻尼材料在刚柔耦合作用下的影响，以及相互组合后的材料对阻尼吸振器的影响。研究结果显示，航母舰载机飞行器的仿真效果平稳、无振动。线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摆振的振动能量，从而不会产生过大的阻尼扭矩，并有助于摆振分析和防摆设计。