舰载机着陆滑跑动力学模型与仿真

第1章绪论1.1课题研究的背景及意义舰载机是以航空母舰或其他军舰为基地的海军飞机。

能否更安全着陆是舰载机研究的一个重要环节。

舰载机着陆过程中会承受较大的冲击负荷，特别是机轮在着陆滑跑过程中通过诸如拦阻索、甲板信号灯等障碍时，会引起较大的起落架载荷增幅。

过大的载荷会导致起落架缓冲性能失效从而引发严重事故。

因此，准确建立舰载机着陆滑跑过程中的动力学模型，分析起落架缓冲系统对此冲击载荷的影响，对舰载机起落架的研制与试验有着非常重要的意义。

起落架系统作为飞机最重要的承力功能构建，用以飞机起飞、着陆、地面滑跑和停放，并吸收着陆撞击和滑跑冲击的能量。

它的设计师飞机设计中一个非常重要的部分。

它包括的内容多、涉及面广，是一个极其复杂的过程。

因而起落架设计是要经过多次反复设计完成的。

这就导致起落架设计的周期长，设计效率低。

另外在进行起落架分析和设计的时候，通常要建立一定的试验装置。

例如在进行起落架落震实验时，实验装置复杂且能测得的数据少。

我国的落震技术远远落后与西方发达国家，只能测量机轮垂直力、水平力、重心位移、缓冲器位移、轮胎压缩量等几个参数。

机轮的侧向力、机轮的三方向位移和三方向加速度、起落架加速度、起落架主支柱上关键部位的应力都不方便测出。

舰载机对起落架的性能要求比普通飞机更高。

如何研制这种高性能的起落架是发展舰载机的一个重要课题。

建立舰载机着陆滑跑动力学模型，可以直观了解舰载机起落架在着陆滑跑阶段受力变化，再利用仿真技术可以方便地实现起落架系统的运动分析、载荷及应力分析、动力学分析，能够较好地代替实物实验装置。

它有投资少、试验简单方便、测得的数据多、精度高等优点，可以大大提高起落架的设计质量，缩短设计周期。

仿真软件的使用将为我国节省大笔的科研资金投入，另外使用和维护费用低廉。

在飞机设计的极为重要的起落架设计当中，仿真软件的设计可以使设计更为优化。

在设计过程中，根据选择的参数在软件上仿真，根据仿真结果，适当的修改设计参数，从而优化设计提高设计精度和效率，对舰载机及其它领域的发展有着重要意义。

起落架缓冲系统由轮胎和缓冲器两部分组成。

其中，缓冲器承担主要的缓冲任务。

起落架缓冲性能设计是起落架设计的核心问题，因而也是使飞机起落架满足长寿命、高可靠性要求的重要环节。

具有良好缓冲性能的起落架，才能使飞机起落架在着陆、滑跑和地面操控过程中具有较低的疲劳载荷、良好的稳定性、舒适性和较高的可靠性。

1.2相关领域的国内外现状舰载机，目前仅有几个发达国家能够独立研发，主要是因为它在飞机各结构方面的设计比普通战机要求更高。

现在先进的舰载机主要是美国的麦道公司（现已并入波音公司）与诺斯罗普公司一起联合研制 F／A-18“大黄蜂”、俄罗斯的苏霍伊公司研制的Su-33、法国达索公司研制的“阵风”等。

在研制过程中各国都努力减少舰载机着陆滑跑的距离，从而增加航母载机数量，增强航母的作战效应。

在研究舰载机着陆滑跑的过程中，除了考虑阻拦索等因素外，更多的会研究起落架的特性。

通过分析起落架着陆滑跑过程的受力特性，相应地增强起落架的受力负荷。

影响起落架性能的主要是缓冲器。

早在20世纪30年代世界对缓冲器就开始研究，当时出现的变油孔技术让起落架缓冲性能得到很大提高。

70年代美国科学家就对主动和半主动起落架进行了研究。

99年德国科学家设计了一个模糊控制器进行飞机着陆和滑跑状态下的半主动控制研究。

现在各国对磁流变阻尼缓冲器的研究也在进行中。

我国也开展了与起落架现代设计技术密切相关的专题研究，并取得了一大批研究成果，其中有些达到世界先进水平，如变油孔双腔缓冲器设计技术，飞机前轮防摆技术，飞机地面运动动力学分析技术，长寿命、高可靠性起落架设计及寿命评估技术，起落架结构优化设计技术，起落架收放系统仿真分析技术，起落架主动控制技术等，这些成果部分地应用于型号研制中，并取得了一定的效果。

许多学者和研究生在理论方面也开展了一系列研究工作。

《起落架设计与评定技术指南》集中反应了我国近年来在起落架现代设计理论与方法方面的进展情况。

但与国外相比，我国的大量研究成果是分散的，孤立的，没有作为模型、算法或程序模块集成于一套系统中，成为设计师的实用工具，更没有在高水平的硬件与软件平台上形成一套先进、实用、高效的起落架专业CAD/CAE软件系统，因而我国型号研制基本上仍是完全采用传统模式，费时、费力、耗资。

国内起落架的研究软件主要有南京航空航天大学和西北工业大学共同开发的起落架设计分析软件系统LCAE,功能比较强大，能进行结构布局设计、起落架机构运动分析或应力分析、有限元总体应力分析、变形及载荷分析、缓冲性能分析、损伤绒线分析、及破坏危险性分析。

可以实现图形及文本的前处理功能、后处理功能、分析程序的过程处理功能。

另外还有南京理工大学和沈阳飞机研究所的起落架设计专家系统ALGDES,它能进行结构布局设计和强度分析、系统空间位置造型仿真机干涉分析，它建立了起落架设计的知识表示形式和组织形式，即专家系统。

北京航空航天大学和西北工业大学都做过起落架防滑刹车系统的机械装置和仿真软件。

有学者研究了飞机所受到的加速度的计算方法，介绍了最大过载对飞行、起落架和气动力参数的敏感性。

从国外文献上来看，有的从动能的角度研究了起落架摆振，还有的对在各种条件下的起落架性能进行了仿真，主要是在载荷及变形方面给予仿真。

现代设计技术在国外各行业的应用及取得的巨大经济效益是与各行业在“基础技术”基础上结合行业特点发展行业现代设计技术密切相关的。

在起落架行业,国外在大力开展起落架理论与专题研究的基础上，发展和推广应用起落架现代设计技术。

在与现代设计基础密切相关的起落架专业理论研究方面，国外从六七十年代开始，已做了大量专题研究工作。

如DAUTI等公司从六七十年代起对起落架结构进行了大量实验与理论研究，在此基础上形成了一套行之有效的规范和方法。

美国国家研究委员会、利郎研究所在七八十年代就已把有限元、模态分析技术、多体动力学和主动控制技术引入起落架问题研制中。

提出了一系列新理论和分析方法。

在可靠性方面，美、英、德等国的主要起落架生产商已分别拥有了自己的起落架可靠性设计体系，并用于产品研制、生产中。

这些起落架专题研究提供的先进理论成果，为国外起落架现代设计技术的开发与应用提供了专业理论支撑。

在综合运用起落架先进理论研究成果与一般现代设计技术研究成果的基础上，国外早已开发出了一套成熟的起落架现代设计技术及相应的起落架专业CAD/CAE一体化软件工具，并已推广应用于起落架产品研制中，取得了巨大效益。

德国航科宇航研究院在研制起落架中就开发与运用了起落架动态仿真与优化CAD/CAE 集成软件系统SIMPACK。

在研制的初步阶段，根据起落架的初步要求，由起落架的模型库确定起落架的结构形式、收放系统和缓冲系统，并建立起落架着陆、刹车、牵引、转弯等方面的动态力学数学模型，用计算机精确地模拟起落架的上述性能（以往都是大量的试验来确定研制中的起落架的性能），然后再对一些主要部件进行最优化设计。

由于开发与应用了起落架现代设计技术，研制费用与周期大为降低。

意大利DAUTI公司70年代就已建立了起落架CAD/CAE系统，并应用于各种起落架产品的研制中。

从查阅的一些文献来看，在起落架仿真方面的研究主要都是集中在某一个机构或部件上的。

比如缓冲器的缓冲性能分析、滑落摆振分析、防滑刹车的研究，但是在起落架一体化地运动特性仿真研究中，各个分部质量所受到的力、速度、加速度的大小等动力学特性仿真研究却涉及的很少，而这些也是起落架整体特性的关键。

有的虽然在起落架一体化仿真方面做过研究，但都仅限于结构局部设计，机构运动分析。

1.3本文研究的目的本文研究的目的是在掌握基本资料的基础上，对某型舰载机的起落架着陆滑跑过程进行合理详尽的分析，完成对轮胎、缓冲器、起落架走步模型的建立，并利用Adams 软件对这些模型进行仿真。

1.4本文的章节安排和内容介绍本文通过对起落架结构的了解和对其受力特点的分析，建立了舰载机起落架在着陆滑跑阶段的动力学模型，并利用Adams软件对建立的动力学模型进行仿真。

具体安排如下：第一章绪论。

本章首先介绍了起落架在舰载机研究中的重要意义。

分析了舰载机将来的发展趋势和对起落架性能的要求。

最后阐述了本课题的研究意义、目的及论文的主要内容。

第二章起落架结构及受力分析。

本章首先介绍了起F-18舰载机的起落架结构形式，确定受力特点；其次，介绍了起落架的组成及其主要构件，分析各构件的受力特点。

第三章建立起落架着陆滑跑动力学模型。

本章完成了舰载机滑跑阶段，轮胎模型、缓冲器模型和走步模型的建立，查找了各模型的参数。

第四章利用Adams软件对模型进行仿真。

本章首先介绍了Adams软件的功能及其仿真方法，然后对建立的模型进行仿真，并分析仿真的结果。

1.5小结本章介绍了研究舰载机滑跑动力学模型的意义，确定了此次课题研究的目的，阐述了舰载机和起落架研究的发展现状，并指出了本文的主要研究内容。

第2章起落架结构及受力分析2.1 起落架结构和形式起落架由缓冲器、扭力臂、收放作动筒及机轮等组成，缓冲器是其必须具备的重要构建。

机轮主要是由金属轮毂、刹车装置和轮胎组成。

本文研究舰载机着陆滑跑动力学模型主要以缓冲器和轮胎为研究对象，对二者建立力学模型进行分析。

在分析舰载机着陆滑跑过程时，首先会考虑的是舰载机重心位置，这直接影响到舰载机对起落架压力的变化。

起落架形式是指支点数目及相对于飞机重心的位置特征。

它具有四中形式:前三点式起落架、后三点式起落架、自行车式起落架和多支点式起落架。

本文研究的对象是美国的F-18舰载机，它的起落架为前三点式，其最重要的特点是可以缩短着陆滑跑距离，在较强烈地刹车时不会出现翻车和倒立并可以避免发动机喷出的燃气污染跑道。

按起落架结构特点可分为支柱式起落架和摇臂式起落架，F-18舰载机采用的是支柱式起落架。

所谓支柱式起落架即缓冲器与承力支柱合一，由支柱与活塞杆套接起来的缓冲器，机轮直接连接在支柱下端，支柱上端固定在机体上。

此种起落架的支柱由于斜撑杆的支持作用，相当于具有双起点的外伸梁，使支柱所承受的侧向弯矩大为减少。

支柱式起落架传递载荷直接、构造简单、体积小易、于收放，因而被广泛采用。

如果起落架具有足够的高度，而且缓冲器行程及其轴套之间的初始距离不受限制，利用支柱式起落架可以减轻起落架的重量。

图1 支柱式起落架2.2 轮胎轮胎可分为低压轮胎、超高压轮胎和超高压低断面轮胎。

F-18舰载机采用的就是超高压低断面轮胎，它具有很高的充气压力，抗摩擦性能高等特点。

这种轮胎的缓冲性能和承载能力很大。

飞机在着陆时轮胎的受力情况如下图所示：图2 轮胎受力分析2.3 缓冲器起落架是飞机着陆、滑行、停放的承力装置，能够消耗和吸收飞机在着陆时的撞击能量。