飞机起落架收放机构的设计与仿真分析.pdf

第 卷第期V o l ,N o 滨州学院学报J o u r n a l o fB i n z h o uU n i v e r s i t y 年月A p r,【航空科学与工程研究】飞机起落架收放机构的设计与仿真分析收稿日期:基金项目:滨州学院科研基金项目(B Z X Y L G )作者简介:王中长(),男,山东滨州人,讲师,硕士,主要从事飞行器设计研究.E m a i l:w a n g z h o n g c h a n g c o m王中长(山东航空学院 机电工程学院,山东 滨州 )摘要:飞机起落架收放机构是飞机起降过程中的关键部件,围绕起落架的结构形式、收放方式两方面开展研究,以安全性能高、结构紧凑且易于收放作为设计目标,以可折叠前三点式作为布置形式,利用三维设计软件对机构进行了建模,通过理论计算对飞机起落架收放收放机构的关键零部件防扭臂、缓冲器、位置锁和收放作动筒等进行了结构设计,并对收放机构的运动过程进行了运动仿真分析,验证了其运行的合理性和可行性,最后对收放作动筒的外筒和内筒进行了有限元分析,得到外筒和内筒的最大应力分别为 MP a与 MP a,均小于材料的屈服极限,符合设计要求.关键词:起落架;收放机构;收放作动筒;位置锁;缓冲器;运动仿真中图分类号:V 文献标识码:A D O I:/j c n k i 飞机起落架是飞机上除发动机以外最重要的一个部件,承担着飞机起飞、滑行、降落、停止等地面运动行为,对飞机的安全性和可操纵性起着至关重要的作用.国外飞机起落架布局设计已有相对成熟的理论及载荷分配计算方法,对于多支柱起落架布局飞机的载荷分配问题也有了深入的研究.大重载飞机起落架站位的合理设计可有效地对飞机地面刹车及纠偏进行控制.使用功能较强的建模软件,把现代设计技术运用到起落架的设计与制造方面,比如美国洛克希德马丁公司与M S C公司合作,通过M S C内的A D AM S/A i r c r a f t、N a s t r a n、F a t i g u e、D y t r a n等多个软件模块对飞机进行设计和分析,并对各组件的安全性进行了研究.D OUG L A S等对一种飞机起落架多学科设计的优化方法开展研究,通过详细运动学设计和刚体结构分析之间的交叉耦合优化对现有方法进行补充,使用O p e n MD AO平台来实现所有结构构件的总质量最小化,同时解决了运动学分析、结构静态分析、碰撞检测分析和结构构件尺寸优化个子问题.R I CHA R D S等对混合翼身飞机起落架的设计开展研究,主要包括起落架位置、重量分布、支腿和车轴尺寸、轮胎选择和油液特性等设计因素,根据这些因素在G e a r S i m软件中为多架HWB飞机绘制了详细的包括各种起落架部件的载荷信息虚拟模型,然后将其与相似尺寸的传统飞机模型进行对比,提出可供未来的起落架和子系统设计参考的方法,便于工程师更好地对HWB飞机起落架进行优化设计.当前航空领域在数字样机建模领域多采用法国达索公司的C AT I A软件,通过建立数字样机模型,能够直观地对所设计的起落架进行仿真分析,从而节约因制造实物样机产生的资金和时间.因为国内飞机多为中小型飞机,起落架总体布局方面也多以前三点式起落架为主,在这类起落架总体布局方面虽已具备相关经验,但在起落架总体设计方案上缺少可依循的系统设计流程.本文通过分析现有飞机起落架第期王中长飞机起落架收放机构的设计与仿真分析收放系统的结构特点和功能特性,运用三维设计软件S o l i d w o r k s对起落架收放机构的缓冲器、防扭臂、上下位锁和收放作动筒进行设计建模,通过内嵌的M o t i o n插件和S i m u l a t i o n插件进行起落架收放过程的运动学仿真和关键部件的有限元分析,设计了一个易于收放、节省空间且安全性能高的小型飞机起落架收放机构,为飞机起落架收放机构的设计提供参考依据.起落架总体设计 设计要求起落架的布置方式为可折叠的前三点式,收放机构的设计采用支柱式,将前第三点起落架安装在机身下面靠近驾驶室一侧位置,并将其向前缩进机身内,从而使机身的空间得到最大程度的利用.飞机起落架结构设计,收放方式和位置布局都需要结合飞机的任务包线、功能参数、重量指标和机体结构等进行综合考虑,本文所设计的飞机前第三点起落架是以某型飞机的基本参数为参考依据,起落架装置总重不得超过 k g.飞机最大起飞重量为 k g,最大着陆重量为 k g,飞机平均气动力弦MA C为 m,前第三点起落架安装点坐标为(,),后两个主起落架安装点坐标分别为(,)、(,),前主轮距为 mm,后主轮距为 mm.前第三点起落架确定其停机角为,着陆角为 ,防后倒立角为 .其中作用点到质心距离e()a,取e a m.前第三点起落架高度的确定为 het a n t a n (m).()轮胎的选择轮胎选择主要包括载荷要求、空间要求、速度要求、尺寸要求、刹车要求和重量要求.前第三点起落架上安装有两个轮胎,其最大制动载荷为 k N,轮胎的制动负载为 k N.查询国家军用标准选择的轮胎参数表,确定了前第三点起落架轮胎规格为 (mm),安全层级为 级,额定载荷为 k g,充气压力为 MP a;后主起落架轮胎规格为 (mm),安全层级为 级,额定载荷为 k g,充气压力为 MP a.起落架结构设计 缓冲器的设计缓冲器的作用是通过减震装置吸收飞机降落时所产生的能量,使飞机产生的加速度降低到飞机所能承受的极限.因为前第三点起落架的最大制动载荷为 k N,在正常情况下,停机时的气腔静压力为 MP a.前第三点起落架缓冲器外径为Dq h c D Fqm a xPq (mm).前第三点起落架缓冲器活塞直径为Dq h c dFqm a xPq (mm).公式()计算所得的起落架高度为 m,考虑到起落架在装配及运动过程中的干涉情况,设计其支架高度为 mm,缓冲器活塞长度为 mm,根据尺寸画三维图并装配.防扭臂的设计防扭臂是飞机起落架上的关键组成部分,一般由上防扭臂和下防扭臂组成.上防扭臂的上端与减震器的支架相连,下防扭臂的下端和减震器内筒相连,上、下防扭臂通过轴相互连接在一起.扭力臂能够连接减震器的内筒和支架,使内筒在支架内来回伸缩,而不能使两者之间发生相对旋转.所以在飞机起飞和滨州学院学报第 卷着陆过程中,扭力臂起着重要的作用.根据起落架缓冲器支架和内筒的长度,设计其防扭臂的参数,最后将上、下防扭臂进行装配.上下锁机构的设计飞机起落架通常是上下可折叠,从飞机起飞和着陆的安全性角度来看,起落架在完全收缩和伸出时要有位置锁将其固定,即当其放下时必须要有一个下锁,当其缩回时必须要有一个上锁.图上位锁结构示意图前第三点起落架的上位锁是挂钩锁,其内部有正常和应急开锁活塞,此外还有锁钩、挂钩、人工开锁拨杆和微动开关等部件.上锁时,挂钩将起落架上的上锁环钩住,并利用锁钩与挂钩的锁定端相啮合,从而将起落架锁定到位.并且在锁钩处设有扭簧,使其在锁定起落架时不会失效.锁环可以通过正常液压开锁,应急液压开锁,紧急手动开锁种方式释放,上位锁的结构示意图如图所示.前第三点起落架下部的锁结构是一种可折叠的撑杆锁,当下位锁上锁时,重力对其运动做正功,液压油推动收放油缸中的活塞使其向外伸出,下位锁打开,使其撑杆完全张开.上、下撑杆和上、下锁杆达到平行状态,处于死点位置,此时下位锁锁住.当下位锁开锁时,锁作动筒内的液压驱动活塞杆移动,活塞杆收缩,消除上下锁杆和上下撑杆的死点位置,下位锁开启.前第三点起落架收放作动筒的设计前第三点起落架的收起和放下是由收放作动筒活塞的收缩、伸展动作来完成的.以Y F飞机的收放作动筒尺寸为参考依据,设计收放作动筒的外筒直径为 mm,长为 mm,内筒活塞直径为 mm,活塞杆直径为 mm,活塞杆长度为 mm,取机翼展弦比 ,机翼面积S m,收缩时飞机落地的重量Gz l N,飞机在起落伸缩过程中的最大速度vsfm a x k m/h,前第三点起落架收放作动筒的过载公式为ns y vsfm a xGz l/S,带入数据得到过载ns y .当前第三点起落架全伸长时,其质量力为PQ ZGq Zns y (N).运动部分的质量力到转轴的距离a m,其力矩为Mq ZPq Za (Nm).长方形的长L m,长方形的高h m,外筒悬臂部分面积按长方形面积进行计算为SLh (m).取 N S/m,则速度压力qVsfm a x (/)(N/m).取迎面阻力系数Cx b ,则其的空气动力的阻力为PqSq Cx b (N).外部套筒的空气动力与旋转轴力之间的距离b m,则外部套筒扭矩为MqPqb (Nm).当减震支柱相对垂直气流平面的角度 时,迎面阻力系数Cx ;当 时,Cx c o s().外筒高H m,外筒直径D m,零部件垂直于气流的投影面积SHD c o s (m).第期王中长飞机起落架收放机构的设计与仿真分析外套筒的空气动力PqSq Cx (N).外套筒的空气动力与旋转轴力之间的距离b m,则外筒力矩MqPqb (Nm).同理,内筒的空气动力PqSq Cx (N).内筒的空气动力与旋转轴力之间的距离b m,则内筒力矩MqPqb (Nm).收放作动筒的力臂d mm,收放作动筒使用载荷PsyMq ZMqMqMqd (N).安全系数取f,设计载荷Ps jfPs y (N).前第三点起落架完全收起状态下收放油缸的负载与放下状态下油缸的计算过程和公式相同,只是参数不同.此时前第三点起落架的质量力和放下是相同,力矩a m,得到Mq z Nm.放作动筒的力臂d mm,收放作动筒使用载荷Fs yMq Zd (N).安全系数f,设计载荷Fs jfPs y (N).图起落架收放机构装配图前第三点起落架收放作动筒压力计算是根据前文所述,确定收放油缸中内筒的尺寸大小,活塞的直径为 mm,活塞杆的直径为 mm,则活塞作用的最大面积Am a xD (mm).收放作动筒压力Ps jm a xFs jAm a x (MP a).在该收放机构中,液压装置的工作压力为 MP a,收放油缸的油压是整个装置压力的.将设计完成的飞机起落架收放机构的各部件进行装配,得到的总装配图如图所示.运动学仿真与有限元分析 起落架收放机构运动学仿真图起落架收起位置示意图将建立的起落架收放机构的模型在S o l i d w o r k sm o t i o n插件中进行运动学仿真分析.起落架收起和放下过程的技术指标为,收起和放下时间t s,收放的角度为 ,收放油缸的行程S mm.对前第三点起落架的收放过程分别在s、s、s、s时的个状态进行分析,观察收放过程中运动参数的变化,最终收起位置的示意图如图所示,运行过程无干涉,平缓稳定.前第三点起落架收放机构有限元分析根据理论分析,飞机起落架收放机构中起落架收放作动筒的载荷较大,且易发生变形,因此需运用滨州学院学报第 卷S i m u l a t i o n插件对其进行有限元分析.前第三点起落架收放油缸极限负载为 MP a,极限负载为工作负载的 倍,则其工作负载为 MP a,爆破压力为额定工作负载的倍,即 MP a.收放作动筒选用 C r M n S i N i A,其弹性模量为 MP a,泊松比为,材料密度为 k g/m,屈服极限为 MP a.外筒爆裂状态设置外筒的材料属性,将外筒的最左端端面固定,施加力 N,压力 MP a,最后得到外筒的应力应变位移云图,如图(a)所示.由应力应变和位移云图可知,其最大应力为 P a,小于材料的屈服极限.内筒极限载荷状态对内筒进行分析,设置内筒的材料属性,将内筒活塞端固定,对内筒施加压力 MP a,施加力 N,最后得到内筒的应力应变位移云图,如图(b)所示.由应力应变和位移云图可知,其最大应力为 MP a,小于材料的屈服极限.(a)外筒(b)内筒图应力应变位移云图结论本文主要对飞机前第三点起落架的收放机构开展设计研究,首先根据飞机起落架的收放原理和设计要求进行了总体设计,确定了起落架的布置方式和轮胎;再对起落架进行了结构设计,包括缓冲器、防扭臂、上下位置锁、收放作动筒的尺寸数据计算和三维绘图;然后通过三维设计软件S o l i d w o r k s中M o t i o n插件对起落架的收放过程分别在s、s、s、s时的个状态进行运动学仿真分析,通过观察收放过程中运动参数的变化,证明起落架运动过程不会发生干涉以及收放的合理性;最后运用S i m u l a t i o n对受载荷较大的收放作动筒内筒和外筒进行有限元分析,得到外筒和内筒的最大应力分别为 MP a与 MP a,均小于材料的屈服极限,确保了收放作动筒的设计符合强度要求.参考文献:孟庆友 Y F型飞机起落架结构设计D哈尔滨:哈尔滨工业大学,D OUG L A SC,E L L I SA,S CHM I D T R K,e ta l M u l t i d i s c i p l i n a r yd e s i g no p t i m i z a t i o no fa i r c r a f tl a n d i n gg e a rJ A I AAa v i a t i o n f o r u m,h t t p s:/d o i o r g/R I CHA R D SPW,T AT EB H y b r i dw i n g b o d ya i r c r a f t l a n d i n gg e a rd e s i g nJ A I AAa v i a t i o n f o r u m,h t t p s:/d o i o r g/汤阿妮,郭正旺,赵华大型飞机多轮多支柱起落架载荷飞行研究J南京航空航天大学学报,():汤阿妮,郭正旺,胡小敏,等大型飞机多支柱交联式起落架一体化载荷校准及建模研究J空军工程大学学报,():第期王中长飞机起落架收放机构的设计与仿真分析田佳杰,贾玉红大型民机起落架收放系统建模与仿真J机械设计与制造,():苏永涛某型飞机起落架收放机构运动可靠性分析与仿真研究D沈阳:东北大学,周德元,吴玉生,李严彪滑跑无人机前第三点起落架收放系统仿真及安全特性分析J科学技术与工程,():侯鑫新,王巍然,姚贺龙,等基于A D AM S的某型飞机起落架收放机构仿真研究J科学技术创新,():石旭东,英福君,张宇,等飞机起落架收放系统性能仿真与故障分析J计算机应用与软件,():尚永锋,袁润东,孙恺,等起落架扭力臂静力学分析与结构优化J中国科技信息,():付才,王涛,邓阳光基于有限元的起落架收放作动筒强度分析和优化J液压气动与密封,():D e s i g na n dS i m u l a t i o nA n a l y s i so fA i r c r a f tL a n d i n gG e a rR e t r a c t i o nM e c h a n i s mWANGZ h o n g c h a n g(C o l l e g e o fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s,B i n z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e l a n d i n gg e a rr e t r a c t i o na n dr e t r a c t i o nm e c h a n i s mi sak e yc o m p o n e n t i nt h ea i r c r a f tt a k e o f fa n dl a n d i n gp r o c e s s R e s e a r c hi sc o n d u c t e da r o u n dt h es t r u c t u r a l f o r ma n dr e t r a c t i o nm e t h o do ft h e l a n d i n gg e a r,w i t hh i g hs a f e t yp e r f o r m a n c e,c o m p a c ts t r u c t u r e,a n de a s yr e t r a c t i o na st h ed e s i g ng o a l s T h e f o l d a b l e f r o n t t h r e ep o i n t l a y o u t i su s e da s t h e l a y o u t f o r m,a n d Dd e s i g ns o f t w a r e i su s e dt om o d e l t h e l a n d i n gg e a rr e t r a c t i o na n dr e t r a c t i o nm e c h a n i s mo f t h ea i r c r a f t T h ek e yc o m p o n e n t so ft h ea i r c r a f t l a n d i n gg e a r r e t r a c t i o nm e c h a n i s m,s u c ha sa n t i t o r s i o na r m,b u f f e r,p o s i t i o nl o c k,a n dr e t r a c t i o na c t u a t o r,w e r ed e s i g n e dt h r o u g ht h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s T h em o t i o np r o c e s so f t h e r e t r a c t i o nm e c h a n i s mw a ss i m u l a t e da n da n a l y z e dt ov e r i f yi t sr a t i o n a l i t ya n df e a s i b i l i t y F i n a l l y,f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a sc o n d u c t e do nt h eo u t e ra n di n n e rc y l i n d e r so f t h er e t r a c t i o na c t u a t o r,a n dt h em a x i m u ms t r e s s e so f t h eo u t e ra n d i n n e rc y l i n d e r sw e r ef o u n dt ob e MP aa n d MP a,r e s p e c t i v e l y,w h i c hw e r el o w e rt h a nt h ey i e l d l i m i to f t h em a t e r i a l a n dm e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s K e y w o r d s:l a n d i n gg e a r;r e t r a c t i o n m e c h a n i s m;r e t r a c t i o na c t u a t o r;p o s i t i o nl o c k;b u f f e rs y s t e m;s p o r t ss i m u l a t i o n(责任编辑:唐立平)