1、西安航空职业学院毕业论文某飞艇吊舱起落架落震动力学仿真分析姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘 要：以某型飞艇吊舱起落架为例，采用 PAM-CRASH 建立了吊舱及起落架的动力学仿真模型，选用 ESI/VPS 计算平台进行了吊舱及起落架落震仿真分析，得到了起落架的着陆载荷和吊舱质心及设备安装板的过载曲线，为结构设计提供了参考依据。关键词：吊舱；起落架；落震；动力学飞艇吊舱起落架是一种着陆装置，相当于地面缓冲器，其运作机理是吸收和消耗吊舱与地面冲击的能量，为吊舱着陆提供安全保证 1。当飞艇着陆时，起落架和吊舱都承受很大的垂直冲击载荷，而这种冲击载荷是造成吊舱及起落架
2、结构发生疲劳与振动破坏的重要因素。因此，如何精确模拟着陆过程中吊舱和起落架的动态响应，并据此设计减小起落架着陆过程中的冲击载荷的方案，一直是飞艇吊舱起落架设计和分析中的重要课题。吊舱起落架着陆是发生在极短时间内的非线性冲击动力学问题，包括轮胎受力过程发生大变形、与地面接触边界非线性以及橡胶材料非线性等，这些非线性问题都会对结构系统的动力学特性产生较大影响，而在以往的起落架分析中对这些非线性环节进行等效线性化处理，这样必然会影响分析结果的准确性。本文首先对非线性算法理论进行介绍，然后针对某型飞艇吊舱起落架着陆过程的动力学问题，建立吊舱及起落架的动力学仿真模型，选用 ESI/VPS 计算平台，开展
3、吊舱及起落架落震动力学仿真分析，得到起落架的着陆载荷和吊舱质心及设备安装板的过载曲线，为结构设计提供参考依据。1 分析方法结构的非线性问题就是指结构的刚度随其变形而改变。在结构力学模拟中有三种非线性来源 2：材料非线性、边界非线性和几何非线性。而吊舱起落架着陆过程的动力学仿真涉及了这三种非线性问题，其中橡胶材料属于材料非线性，轮胎大变形属于几何非线性，轮胎与地面接触属于边界非线性。非线性问题的求解不能像线性问题那样，通过求解一组方程来获得问题的解，而是通过逐步施加给定的载荷，以增量步形式逐步得到最终结果。在具体算法上分为显式非线性算法和隐式非线性算法。两者主要区别为：显式算法基于动力学方程，无
4、需迭代；隐式算法基于虚功原理，需要迭代计算。显式非线性算法包括动态显式算法和静态显式算法。这里采用动态显示算法，其最大的优点是具有较好的稳定性。动态显式算法采用动力学方程的中心差分格式，不用直接求解切线刚度，不需要进行平衡迭代，计算速度快，也不存在收敛控制问题。采用显式非线性算法求解动力学问题，既要把分布空间域进行离散，把连续的微分方程转换成有限阶代数方程，还要在时间域进行离散。算法如下：如果当前系统状态已知的时刻 ，则各物理参数的近似值应满足以下方程：ntextnnMaCvKdF(1)其中， 为结构质量矩阵， 为结构阻尼矩阵， 为结构刚度矩阵， 为外加载荷extnF列阵， 为加速度在 时刻的
5、近似值， 为速度在 时刻的近似值， 为位移在 时刻的nantnvntdt近似值。将(1)式改写为： extnnMaFCvKd(2)1rsiual(3)其中， ， 为 的逆矩阵。加速度可以通过对质量矩阵residualextnnnFvd求逆乘以剩余力矢量求得。在时间推进上采用中心差分法： 1122/nn nvatt(4)dv(5)其中， ， 。假设加速度在一个时间步长内是恒定的。1122nntt1322nntt2 动力学模型2.1 起落架结构从使用功能、结构布局、可靠性、设计制造成本等方面综合考虑，起落架整体采用前三点布局，前起落架采用支柱套筒式结构，采用压缩弹簧、轮胎缓冲减振；主起落架采用复合
6、材料板簧式结构，采用弹性材料靠自身弹性变形、高阻尼树脂以及内部泡沫芯层吸能减振。前起落架采用支柱套筒式结构，主要由立柱、衬套、减振弹簧、硅橡胶阻尼套管、调节螺母、机轮（轮毂、轮胎、转轴、轴承）等组成，如图 1 所示。图 1 前起落架结构示意图主起落架采用板簧式结构，主要由横梁、铰链、板簧、机轮（轮毂、轮胎、转轴、轴承）等组成，如图 2 所示，其中板簧材料采用冲击韧性好的复合材料。图 2 主起落架结构示意图2.2 有限元模型对于起落架的计算分析，以往的有限元计算基于以下简化假设：用虚拟框架代替吊舱，连接起落架系统，并施加运动约束以保证系统运动的等效性；假设缓冲器具有足够的强度，用非线性弹簧-阻尼
7、器单元代替；不计轮胎的吸能作用。但显然这种假设不能满足设计要求 3。为了对起落架落震动力学进行深入仿真分析，基于某型飞艇吊舱的真实结构建立了吊舱的有限元模型，考虑了吊舱对起落架着陆的影响；对前起落架减振系统分别建立了非线性弹簧单元和阻尼套筒；根据实际胎压建立了轮胎模型，考虑轮胎的吸能作用。采用 PAM-CRASH 建立了吊舱和起落架动力学模型如图 3 所示。图 3 吊舱和起落架动力学模型3 落震仿真分析在建立吊舱和起落架的动力学模型后，选用 ESI/VPS 计算平台，进行起落架的落震仿真分析。根据着陆时吊舱的垂直降落速度为 2m/s，模拟了该速度下吊舱和起落架的着陆过程。3.1 起落架计算结果
8、仿真结果得到起落架着陆载荷，前起落架的撞击力时域曲线如图 4 所示，主起落架的撞击力时域曲线如图 5 所示。图 4 前起落架的撞击力时域曲线图 5 主起落架的撞击力时域曲线3.2 吊舱计算结果仿真结果得到吊舱和设备安装板的过载情况，吊舱质心的加速度时域曲线如图 6 所示，设备安装板的加速度时域曲线如图 7 所示。图 6 吊舱质心的加速度时域曲线图 7 设备安装板的加速度时域曲线4 小结本文开展了吊舱和起落架着陆过程中的动力学仿真分析，仿真结果得到了起落架的着陆载荷，可供起落架结构设计参考使用，同时得到了吊舱及设备安装板的过载曲线，可验证吊舱结构及设备安装板设计是否满足动力学环境要求。本次动力学
9、建模考虑了吊舱结构、弹簧及阻尼筒组成的非线性减振系统以及轮胎的吸能作用，仿真模型接近落震试验的真实模型，后续将通过校准模型关键参数来提高仿真精度，实现虚拟样机仿真替代物理样机落震试验，是型号数字化研制模式的一次有益尝试。参 考 文 献1 江博水，符文贞，解鹏飞.某小型飞艇起落架动力学仿真及优化分析.科技论坛，2016，26(12)，8-9.2 阎绍泽，陈鹿民，吴德隆等.空间可展开结构非线性动力学特性试验研究.宇航学报，2002，23(4)，2-3.3 田刚，朱丹，张志坚等.某型无人机起落架落震仿真.飞机工程，2006，28(1)，35-38.致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
