飞机起落架机构设计及安全性分析

2013 届本科毕业设计（论文）飞机起落架机构设计及安全性分析摘要：起落架系统是飞机的关键部件之一，其工作性能直接影响到飞机起飞、着陆性能与飞行安全。因此，开展起落架收放系统的研究具有重大意义。运用仿真技 术分析飞机起落架的运动学和动力学特性，对于降低飞机研发成本，提高飞机性能具有十分重要的工程意义。本文以空客 A320 飞机起落架为对象，分析了 A320 飞机起落架的功能原理及收放运动；通过对其部件的强度计算，误差分析，确定强度是否满足要求。 应用 CATIA建立了 A320 飞机起落架的收放运动学分析模型，基于 CATIA 和 LMS 软件，以A320 飞机起落架为对象进行了动力学仿真分析。关键词：起落架，A320，收放系统，LMS，仿真分析2013 届本科毕业设计（论文）Aircraft landing gear mechanism design and safety analysisAbstract：The landing gear system is the key components of aircraft, whose working performance directly affects the flying security and the performance of aircrafts take off. Thus, its meaningful to study the retraction system. It is very significative in the project for reducing costs of aircraft research and development and improving the performance of the aircraft to analyze the kinematics and dynamics characteristics of aircraft landing gear retraction system by using simulation technology.This paper took the landing gear system of A320 aircraft as the object to analyze the principle of function and retractable movement; Through the strength calculation of its components, error analysis, to determine the strength whether meet the requirements. Application CATIA established the A320 landing gear for kinematics analysis model based on put CATIA and LMS software, to A320 landing gear for targets dynamics simulation. Keywords: landing gear, A320, retraction system, LMS, simulation analysis2013 届本科毕业设计（论文）目 录1 绪论11.1 起落架的概述11.2 飞机起落架的布置形式21.3 国内外研究现状51.4 本文研究的主要内容72 飞机起落架的分布及收放系统设计72.1 起落架的收放72.1.1 主起落架的收放方式72.1.2 前后起落架的收放方式82.2 A320 飞机起落架分析82.2.1 A320 飞机起落架的概述82.2.2 A320 飞机起落架的收放分析112.3 小结133 起落架零件组的强度计算133.1 飞机前起落架的材料属性133.2 飞机前起落架的整体约束和受力分析133.3 起落架的计算情况153.4 计算结果的分析与验证163.4.1 理论计算验证164.运动模拟244.1 A320 起落架运动学仿真 244.1.1 LMS Virtual.lab 简介244.2 A320 起落架多体运动学仿真264.2.1.A320 前起落架运动仿真264.2.2 A320 主起落架运动仿真314.3 小结34参考文献35致谢361.绪论2013 届本科毕业设计（论文）1.1 起落架的概述起落架的结构形式一般有以下几种：有尾部旋转支点的后二点起落架，其主要载荷位于飞机重心前面的两个主轮上；有前旋转支点的前二点起落架，其主要载荷位于飞机重心后面的两个主轮上；左右翼尖下有护翼轮的自行车式起落架，在飞机对称面内重心前后各有一副主起落架。有尾轮的后三点起落架，在螺旋桨飞机上易于配置，便于利用气动阻力使飞机着陆减速，构造简单、重量较轻，其主要缺点是飞机在地面滑跑的稳定性较差，如果操纵不当飞机容易打转。此外，要求飞机三点接地着陆时，操纵比较困难。有前轮的前三点起落架，飞机纵轴线接近水平位置，驾驶员视界好，滑跑阻力小，起飞加速快。此外地面运动的方向稳定性好，滑行中即使重刹车也不容易翻转和倒立，着陆时两主轮先接地也易于操纵，其主要缺点是容易发生前轮摆振。自行车式起落架主要依靠两个主起落架承载和滑行，辅助用的护翼轮可以使飞机在停放时保持稳定。此种形式的起落架是为了解决机翼厚弦比不断减小，尺寸较大的主起落架难于收入机翼内这一困难而发展起来的，由于前面主轮承载较大，起飞离地比较困难。起落架是飞机的起飞着陆装置，主要用于飞机的起飞、着陆、地面滑跑和地面停放。飞机在起飞滑跑、着陆接地和地面运动时会相对于地面产生不同程度的撞击，起落架应能承受并减缓这种撞击，从而减轻飞机受载。起落架还应使飞机在地面运动时具有良好的操纵性和稳定性。为了降低飞机在飞行时的阻力，起落架通常是可折叠收放的。起落架的基本功能可归纳如下：（1)支撑飞机机体，使之便于停放和运动。（2)通过缓冲器吸收撞击能量。（3)通过机轮刹车装置吸收水平方向能量。（4)通过转弯操纵机构或者差动刹车控制飞机转弯和地面运动。（5)减缓飞机滑跑时由于跑道不平导致的振动。（6)为地面操纵(牵引、顶吊)提供附件。其它功能有：通过起落架测量飞机重量与重心，对飞机装载量提供目测指示，通过折叠收放减低气动阻力，在起落架支柱上安装着陆灯，为驾驶员提供收放信号，为舱门机构提供连接凸耳等。总之，起落架的作用是在飞机着陆运动状态时吸收着陆能量、减缓滑行振动以便使乘员不感到不适。2013 届本科毕业设计（论文）起落架减震系统可减少飞机着陆时和在跑道上滑行时机轮所承受的冲击载荷和颠簸载荷。这个系统包括起落架的缓冲器和机轮轮胎。缓冲器可以是油液的、气体的、橡皮的或弹簧的。现在广泛采用的缓冲器是油气式的，因为它能保证冲击能充分的变换成热能，而且还具有结构紧凑和使用可靠的特点。1.2 飞机起落架的布置形式起落架的布置形式是指飞机起落架支柱(支点)的数目和其相对于飞机重心的布置特点。目前，飞机上通常采用四种起落架形式：图 1.1 后三点式起落架后三点式起落架：这种起落架有一个尾支柱和两个主起落架。并且飞机的重心在主起落架之后。后三点式起落架多用于低速飞机上，因此在四十年代中叶以前曾得到广泛的应用。目前这种形式的起落架主要应用于装有活塞式发动机的轻型、超轻型低速飞机上。优点： 在飞机上易于装置尾轮。与前轮相比，尾轮结构简单，尺寸、质量都较小。正常着陆时，三个机轮同时触地，这就意味着飞机在飘落(着陆过程的第四阶段)时的姿态与地面滑跑、停机时的姿态相同。也就是说，地面滑跑时具有较大的迎角，因此，可以利用较大的飞机阻力来进行减速，从而可以减小着陆时和滑跑距离。因此，早期的飞机大部分都是后三点式起落架布置形式。缺点：大速度滑跑时，遇到前方撞击或强烈制动，容易发生倒立现象(俗称拿大顶)。因此为了防止倒立，后三点式起落架不允许强烈制动，因而使着陆后的滑跑距离有所增加。如着陆时的实际速度大于规定值，则容易发生“跳跃”现象。因为在这种情况下，飞机接地时的实际迎角将小于规定值，使机尾抬起，只是主轮接地。接地瞬间，作2013 届本科毕业设计（论文）用在主轮的撞击力将产生抬头力矩，使迎角增大，由于此时飞机的实际速度大于规定值，导致升力大于飞机重力而使飞机重新升起。以后由丁速度很快地减小而使飞机再次飘落。这种飞机不断升起飘落的现象，就称为“跳跃” 。如果飞机着陆时的实际速度远大于规定值，则跳跃高度可能很高，飞机从该高度下落，就有可能使飞机损坏。在起飞、降落滑跑时是不稳定的。如过在滑跑过程中，某些干扰(侧风或由于路面不平，使两边机轮的阻力不相等)使飞机相对其轴线转过一定角度，这时在支柱上形成的摩擦力将产生相对于飞机质心的力矩，它使飞机转向更大的角度。在停机、起、落滑跑时，前机身仰起，因而向下的视界不佳。基于以上缺点，后三点式起落架的主导地位便逐渐被前三点式起落架所替代，目前只有一小部分小型和低速飞机仍然采用后三点式起落架。图 1.2 前三点式起落架前三点式起落架：这种起落架有一个前支柱和两个主起落架。并且飞机的重心在主起落架之前。前三点式起落架是目前大多数飞机所采用的起落架布置形式，与后三点式起落架相比较，前三点式起落架更加适合与高速飞机的起飞降落。优点：着陆简单，安全可靠。若着陆时的实际速度大于规定值，则在主轮接地时，作用在主轮的撞击力使迎角急剧减小，因而不可能产生象后前三点式起落架那样的“跳跃”现象。具有良好的方向稳定性，侧风着陆时较安全。地面滑行时，操纵转弯较灵活。无倒立危险，因而允许强烈制动，因此，可以减小着陆后的滑跑距离。因在停机、起、落滑跑时，飞机机身处于水平或接近水平的状态，因而向下的视界较好，同时喷气式飞机上的发动机排出的燃气不会直接喷向跑道，因而对跑道的影响较小。2013 届本科毕业设计（论文）缺点：前起落架的安排较困难，尤其是对单发动机的飞机，机身前部剩余的空间很小。前起落架承受的载荷大、尺寸大、构造复杂，因而质量大。着陆滑跑时处于小迎角状态，因而不能充分利用空气阻力进行制动。在不平坦的跑道上滑行时，超越障碍(沟渠、土堆等)的能力也比较差。前轮会产生摆振现象，因此需要有防止摆震的设备和措施，这又增加了前轮的复杂程度和重量。尽管如此，由于现代飞机的着陆速度较大，并且保证着陆时的安全成为考虑确定起落架形式的首要决定因素，而前三点式在这方面与后三点式相比有着明显的优势，因而得到最广泛的应用。图 1.3 自行车式起落架自行车式起落架：这种起落架除了在飞机重心前后各有一个主起落架外，还具有翼下支柱，即在飞机的左、右机翼下各有一个辅助轮。优点：解决了部分飞机主起落架的收放问题无论是前三点式起落架还是后三点式起落架，其主轮都是布置在机翼下方，因此飞行时都将主轮收入机翼内。但有一些飞机的机翼非常薄，或者是布置了其它结构设备，因此难于将主起落架收入机翼内，这种飞机（特别是采用上单翼的轰炸机）往往采用自行车式起落架，如美国的“同温层堡垒”B-52 等。由于自行车式起落架的两个主轮都在机身轴线上，飞行时直接收入机身内，而只在左右机翼下各装一个较小的辅助轮。缺点：前起落架承受的载荷较大，而使尺寸、质量增大。起飞滑跑时不易离地而使起飞滑跑距离增大。为使飞机达到起飞迎角，需要依靠专门措施，例如在起飞滑跑时伸长前起落架支柱长度或缩短后起落架支柱长度。不能采用主轮刹车的方法，而必须采用转向操纵机构实现地面转弯等。2013 届本科毕业设计（论文）由于以上的不利因素，除非是不得以，一般不采用自行车起落架。目前仅有少数飞机采用这种起落架布局形式，如美国的“海鹞”AV-8 垂直起降战斗机等。多支柱式起落架图 1.4 多支柱式起落架多支柱式起落架：这种起落架的布置形式与前三点式起落架类似，飞机的重心在主起落架之前，但其有多个主起落架支柱，一般用于大型飞机上。如波音 747 客机、C-5A(军用运输机（起飞质量均在 350 吨以上)以及苏联的伊尔 86 旅客机(起飞质量 206 吨)。显然，采用多支柱、多机轮可以减小起落架对跑道的压力，增加起飞着陆的安全性。在这四种布置形式中，前三种是最基本的起落架形式，多支柱式可以看作是前三点式的改进形式。目前，在现代飞机中应用最为广泛的起落架布置形式就是前三点式。1.3 国内外研究现状起落架的收放机构运动复杂，起落架的收放，上、下位锁开锁和上锁，舱门的打开和关闭等均要正确匹配和协调，否则将会发生飞行事故。我国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，并取得了一定效果。许多学者与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，2013 届本科毕业设计（论文）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 ALGDES5，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。有人研究了飞机接地时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。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。在与现代设计技术密切相关的起落架专业理论研究方面，国外从六十年代开始，己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(NRC)、朗利(Langly)研究所在七、八十代就已把有限元、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与分析方法。在可靠性方面，美、英、德等国的主要起落架生产厂商已分别拥有了自己的起落架可靠性设计体系，并应用于产品研制、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，国外早己开发出了一整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，取得巨大效益。德国航空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，根据起落架的设计要求，由起落架的模型库滑跑、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2013 届本科毕业设计（论文）后再对一些主要部件进行最优设计。由于开发与应用了起落架现代设计技术，研制样品的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研制中。从检索到的文献来看，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的运动特性仿真研究中，各个分布质量所受到的力、速度、加速度的大小等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，但都仅限于结构布局设计，机构运动分析。1.4 本文研究的主要内容本文的研究目的是通过现代 CAD/CAE 技术，建立一个适用于大型飞机起落架收放运动的运动学与动力学模型和虚拟样机；并利用 LMS 仿真软件对其进行动力学仿真分析。其主要内容有:1.总结了起落架的各种结构形式及收放方式，针对 A320 飞机起落架的收放机构进行了功能原理和收放运动分析。2.飞机前起落架的整体约束和受力分析及起落架的计算情况。3.以虚拟样机技术的相关理论和功能虚拟样机的实现过程为基础，运用 LMS 软件的 Motion 模块对该飞机的起落架进行了动力学仿真。2.飞机起落架的分布及收放系统设计2.1 起落架的收放飞行速度大十 250km/h 时的飞机在飞行中起落架要收起，这样可以大大降低飞机的迎风阻力，改善气动性能以及飞行性能。可收放起落架尽管增加了重量，使飞机的结构设计和使用复杂化了，但提高了飞行时的总效率。起落架的收放运动方式和起落架本身及其收放结构越简单，机翼、机身和起落架舱的承力型式也越简单，起落架要求的收放空间就越小，收放起落架就能得到更多的效益。2.1.1 主起落架的收放方式当主起落架固定在机翼上时，它可以沿展向或弦向收放。沿展向收起有以下几种方式：(1)机轮往机身方向运动，这种方式常用于机翼根部结构高度可以容纳机轮的2013 届本科毕业设计（论文）情况。(2)机轮远离机身方向运动，这种方式适合小机轮起落架。当处于收上位置时，质量外移，使飞机的机动性能变坏。这种方式的收放机构也比其他方式要复杂，因此较少使用。(3)机轮往机身方向运动并将机轮收入机身中，这种方式多用于下单翼飞机，更适合于带小车式的主起落架的收放。(4)机轮往机身方向运动，将机轮收入机身中并使机轮转向，这种方式用在高速薄机翼飞机上，因为机轮放不进机翼中。由于带了机轮转向机构，其结构较为复杂。沿弦向方向收起方式有两种:机轮向后运动和机轮向前运动。2.1.2 前后起落架的收放方式前、后起落架支柱通过机轮的向前和向后运动收入机身中，后支柱经常向后运动收入机身尾部整流罩中。在选择前起落架支柱收放方向时除了要考虑总体布局外，还必须考虑尽量减小飞机重心位置改变的要求。2.2 A320 飞机起落架分析2.2.1 A320 飞机起落架的概述空客 A320 起落架，该起落架为常规前三点可收放式，由一个前起落架和两个主起落架组成。起落架可起降 60000 次。生命周期的耐久性设计参照于 FAR 和 JAR(不考虑损伤容限)，主起落架的检修相隔时间是 20000 次着陆或者 10 年。起落架的操控由传感器和两套独立的起落架控制单元电脑(LGCIU)电传操纵。前起落架装有油液氮气式缓冲支柱和一对机轮。机轮为双轮连锁形式。为了改善飞机滑行时的灵活性，前起落架机轮是可操纵的。当起落架离开地面时，机轮在纠偏机构的作用下回到中立位置。每个主起落架装有油液氮气式缓冲支柱和一对机轮，其中每个机轮有一个液压刹车装置。前、主起落架的正常收放用液压系统进行，在飞行中均收到机身内。如图 2-1。图 2-1 A320 飞机起落架总体布局外形2013 届本科毕业设计（论文）空客 A320 飞机飞机起落架具有如下特点：（1）常规前三点式起落架，直接作用式油气缓冲器。（2）主起落架侧向收起，前起落架前向收起。（3）两套起落架交互式控制单元（LGCIU）的电传操纵。（4）具有自由放下液压驱动应急弹下两种模式。（5）对起落架的回收释放进行交互式使用。（6）一套 LGCIU 系统失灵，另一套系统可切换控制。（7）在速度高于 260 节时通过液压来自动使起落架降压以防止变速杆卡在中性位置。（8）利用新型探测器来代替微型开关来进行位置传感。左右轮距：7.59m，如图 2-2。图 2-2 主起落架左右轮距前后轮距：11.04m，如图 2-3。图 2-3 A320 飞机前后轮距A320 飞机起落架系统包括：(1)两个主起落架和它们相应的舱门。2013 届本科毕业设计（论文）(2)一个前起落架和它相应的舱门。(3)两个与起落架和它们的舱门相对应的收放系统。(4)起落架机轮和它们相应的刹车系统。(5)一个前起落架转向系统。(6)一个指示和警告系统。飞机在地面上时由起落架支撑，由减震器吸收飞机的着陆和滑行相关载荷。在飞行过程中，起落架收入飞机腹部的起落架舱内。当起落架放下或者收入的时候其相关的舱门会关上以便使飞机保持较好的气动外形。A.主起落架和舱门主起落架的主作动筒由高强度钢(300M)锻造而成，侧撑杆和连杆锁的材质是轻铝(7010)，轮轴直接与拉杆相连，整体材料为 300M，作防腐蚀处理。由两部分组成的侧撑杆使主起落架保持在放下的位置。连杆锁使侧撑杆稳定在下位锁的位置。每个主起落架包含一个装有减震器的主起落架支柱支柱内装有油气式减震器，采用双缸独立活塞，两个动态密封器(一个备用)安装在主作动筒下方,缓冲液用的是MIL-H5606-B(空气 3520)。一个缓冲器安装在扭矩杆中间，以减缓与吸收横向振动。起落架收入起落架舱内的可用空间。三个舱门关闭各自的主起落架舱空间（图 2-4） 。包括：(1)一个液压操纵的主门。(2)一个机械操纵的铰接门。(3)一个主起落架支柱上的整流罩。图 2-4 主起落架及舱门B.前起落架和舱门2013 届本科毕业设计（论文）前起落架主作动筒和侧支柱上部的材质是轻铝(7010)，侧支柱下部和减震器使用的是高强度钢(300M)。轮轴直接与拉杆相连，整体材料为 300M，防腐蚀处理。侧支柱和一个锁支柱将起落架支柱固定在放下的位置。支柱内装有单腔油气式减震器，没有油氮分离活塞。减摆缓冲器由液压单独驱动，同时该液压作动器提供前轮转向时的驱动力，是起落架支柱内液压转向机构。前起落架向前收入机身的空间内。四个舱门和一个整流罩封闭前起落架舱空间（图 2-5） 。包括：(1)两个液压操纵的前门。(2)两个机械操纵的后门。(3)一个固定在前起落架上的整流罩。图 2-5 前起落架及舱门C.转向系统转向系统由刹车/转弯控制组件控制。当飞机在地面移动时，通过转向系统改变移动方向。转向系统使用液压操纵改变前起落架机轮方向的转向机构。此外，A320 飞机起落架系统还包括收放系统、刹车机轮系统以及指示和报警系统。2.2.2 A320 飞机起落架的收放分析A.主起落架收放运动：在起飞过程中主起落架上的载荷逐渐减少。飞机起飞过程中，减震器会逐渐伸长，使得支柱轴向的长度增加。这使飞机在起飞过程中以大迎角滑行。当起落架要向上收起的时候，液压操纵门会打开，以便起落架收入起落架舱。下位锁作动筒将锁支柱解锁，主起落架作动筒将主起落架收入起落架舱。在起落架2013 届本科毕业设计（论文）收回过程中，刹车/转向控制组件会自动地进行短时间的刹车,这样可以阻止刹车机轮在收入起落架舱前的旋转。在主起落架锁入主起落架舱之后，液压操纵门会关闭。当起落架要放下的的时候，液压操纵门会先打开。收回的作动筒会伸展使起落架支柱放下伸出。侧边支柱和锁支柱会移到正中位置上面使起落架在放下位置锁住。在起落架放下之后门会关上。起落架放下之后减震器吸收着陆载荷。如图 2-6 所示：图 2-6 主起落架收放示意图B.前起落架收放运动：当起飞时前起落架机轮离开地面，减震器会伸长。支柱内的凸轮会确保机轮在正中位置。当减震器完全伸长，刹车/转向控制组件会防止转向机构的转向输出。当起落架要向上收起时，液压操纵门会先打开。前起落架下位锁作动筒使锁支柱解锁。前起落架收回的时候阻力撑杆会折叠起来。当起落架支柱收回的时候，支柱上的轴联器会切断转向系统的液压源。当前起落架进入起落架舱的时候，反旋制动阀会阻止机轮的旋转。在起落架在舱内锁住后，液压操纵门会关上。如图 2-7 所示：如图 2-7 前起落架收放示意图2013 届本科毕业设计（论文）2.3 小结本章首先总结了起落架的各种结构形式，分别概括了主起落架和前起落架的收放方式。然后具体介绍了 A320 飞机起落架的组成，并针对 A320 飞机起落架的收放机构进行了功能原理和运动分析。3.起落架零件组的强度计算3.1 飞机前起落架的材料属性前起落架减震支柱结构为复杂的三维结构（材料为 300M） ，其安全工作许用力为 9471050MPa。材料的弹性模量为 210e3MPa，泊松比为 0.28。3.2 飞机前起落架的整体约束和受力分析任何实际的结构都必须设置和支承于某一基础或者其它结构上，才能承受外载荷，正常和可靠地工作。相应的有限元计算模型必须根据工程实际施加约束，才能保证计算顺利进行，并能使计算结果与实际情况吻合。在传力过程中，约束部分将承受反力，同时也阻止结构在约束方向的位移。根据图 3.1 可以看出，前起落架结构复杂，在实际工作中，地面载荷通过机轮轮胎传递给轮轴，轮轴再传给内筒，然后由内筒将地面载荷传递到外筒上，内、外筒之间的腔内充满高压油气，用来吸收地面冲击能量，外部还有扭力臂相连。整个前起落架的减震支柱外筒是通过圆柱形撑杆与飞机机身相连的。因此，如何才能真实模拟实际约束和受载情况就十分重要了。2013 届本科毕业设计（论文）3.1 前起落架结构图收放撑杆为二力杆，主要承受拉压力的作用，不承受弯矩由于收放撑杆不是我们要考虑的部位，只对其制作了简单的模型，采用圆柱结构。但由于收放撑杆是与坐标轴不平行的斜支撑，不能简单的用坐标轴方向的约束替代，同时还要实现它是二力杆的功能，我们采用了等效杆单元来模拟。等效杆单元法即所谓的“代替杆法” 。它是在斜支座作用点处用一根与斜支座轴线重合的杆件来代替实际约束（图 3.2） ，代替杆的截面面积与实际杆件截面面积相当，代替杆的另一端用铰支座约束。具有这样横截面面积的杆件，其轴向刚度与被代替的约束的轴向刚度相等，其产生的效果同斜支座是等效的。代替杆的轴力也就是斜支座的支反力，这样处理的优点是只需要增加几个额外的杆件和节点，无需对程序等作任何的改变。2013 届本科毕业设计（论文）3.3 起落架的计算情况图 3.2 前起落架减震支柱受力简图 图 3.3 缓冲器压缩量h 示意图前起落架的设计载荷有三种较危险的工况。对于以悬挂点 O 为原点的机身加载坐标系 oxyz，载荷情况如表 1 所列。表 1 中， h 为缓冲器压缩量（如图 3.3 所示） ， 为轮胎压缩量。坐标系的选择为建立与建模坐标系不同的另一局部坐标系作为模型的加载坐标系，x 轴的正向沿顺航向方向，y 轴垂直于地面，向上为正向。作用于机轮轴上的载荷与坐标轴正向一致时，取正值，反之取负值。在这三种工况下，没有 Z 向力作用，故地面载荷2013 届本科毕业设计（论文）表 1 前起落架着陆载荷工况项目Px.max（N） Px.max（N） h (m)最大回弹载荷 40787 49439 0.048 0.036最大垂直载荷 -15449.5 61798.5 0.120 0.046最大起转载荷 -34298.5 46349 0.048 0.0363.4 计算结果的分析与验证3.4.1 理论计算验证1 内筒截面应力计算图 3.4 计算简图 图 3.5 内筒截面示意图以工况 1 为例，取内筒筒身的若干个截面为观察点，各截面中心在建模 坐标系下的坐标依次分别为：O1 （0，743.575，0） ，O2（0，812.717，0） ， O3 （0，828.252，0） ，O4（0，836.770，0） ，O5 （0，847.756，0） ，= 10 , O0（0，1215.5，62.02） 。 计算方程组：Py=Pycos10Pxsin10Px=Pysin 10-Pxcos10M=60.02Py-PxY (3.1.1)2013 届本科毕业设计（论文）43max12dWDM其中，Y 为加载点 Y 向坐标与各截面 Y 坐标的差值， d=70mm,D=82mm。 工况 1：Py=49439N，Px=40787N对比结果:表 3.1 工况 1 内筒应力对比 截面 1 2 3 4 5理论计算 m （MPa） 788.22 672.43 642.17 625.8 604.71仿真计算（MPa） 778.03 670.33 631.85 621.42 604.54 2 外筒筒身截面应力计算图 3.6 外筒截面示意 2013 届本科毕业设计（论文）图 3.7 计算简图 2工况 1：Py=49439N，Px=40787N工况 1 中，在建模坐标系下，外筒截面 6、7 的圆心 O6（0，375，0）,O7（O，510，0） ，同样地， = 10 。计算方程组：Py=Pycos10Pxsin10Px=Pysin 10-Pxcos10M=60.02Py-PxY (3.1.2)43max12dWDM结果对比：其中，Y 为加载点 Y 向坐标与各截面 Y 坐标的差值，d=98mm,D=110mm 工况 1：Py=49439N，Px=40787N表 3.2 工况 1 外筒应力对比截面 6 7理论计算 max （MPa）794.15 658.03 仿真计算 （MPa） 790.26 651.89 3 斜撑杆的内力计算整个前起落架减震支柱受载情况为：左右支臂处的约束反力，斜撑杆内2013 届本科毕业设计（论文）力和外载荷 Px，Py 其运动规律是绕加载坐标系中的 X 轴转动，故对 Z 轴取矩，列出力矩平衡方程：1234YXYPLFLP (3.1.3)式中，Fx、Fy 为斜撑杆内力 F 在 X、Y 方向的分力，L1,L2,L3,L4如图 3.8，3.9 所示图 3.8 Y-Z 面内受力图 图 3.9 杆内力 F 的分解图 3.10 X-Y 面内受力图 图 3.11 Lo 计算简图在0GH 中，a=cos10，b=shi10，L1=a（L0-h） (3.1.4)L0=L01+L02=505+758.5=1363.5mm (图 3.8 所示) (3.1.5)2013 届本科毕业设计（论文）h 为缓冲器压缩量，具体数值见表一在OCF 和CDE 中，c=shi7，CD=211.78mmL2=EF=CF-CE=L0b-CDc (3.1.6)L0=L01+556-h=505+556-h=1061-h (3.1.7)在OAB 中，A 为空间点，坐标为（-75，-440，105）所以 L3=440mm,L4=75mm.图 3.11 所示为斜撑杆内力 F 在三维空间坐标系中的分量形式，立方体中m=505mm,n=504mm,p=542mm22210545748,XYqmpmtnnFFtqt(3.1.8)（1）第一种工况为：Px=40487N,Py=49439N,h 为 48mmL1=(1263.5-48)cos10L2=(1061-48)shi10-211.78shi7L3=440，L4=75 带入方程（3.1.3） PxL1+PyL2=FxL3+PyL4 可得：407871215.5cos10+4943997.64=F369.35，F=145254.12(N)方向余弦为： 542cos0.7681.54cos0.6738ptmnyt5241.1052.98842.97.6521.0389.548XYZqpF Nntqm结合图 3.12 所示的应力分解图可得：Fx=105250.98(N)Fy=102970(N)Fz=20389.95(N)2013 届本科毕业设计（论文）计算机仿真得到的斜撑杆内力结果为：图 3.12 工况 1 杆内力 F 分解图计算机仿真得到的斜撑杆内力结果为： Fy=102970(N)Fz=-21579(N)合力大小: 221508.XYZFFN方向余弦为: 222222cos .726131590.487cos .633XYZzYXZF误差分析：10%5F此时由有限元仿真分析所得的斜撑杆内力大小为 153008.8N，而根据受力分析进行理论计算所得内力结果为 145254.12N，两者的误差为 5%，三个分力的大小和方向也基本吻合，说明仿真分析和理论计算得出的结果在大小和方向上均符合，验证了仿真分析结果的正确性。第二种工况为：Px=-15449.5N,Py=61798.5N,h 为 120mm2013 届本科毕业设计（论文）L1=(1263.5-120)cos10，L2=(1061-120)shi10-211.78shi7，L3=440mm,L4=75mm，带入方程（3.1.3） 1234XYXYPLFLP，可得：-15449.51143.5cos10+61798.5137.6=F369.35,F=-24081.32(N)，因此 F 的分解图如图 3.13 所示图 3.13 工况 2 杆内力 F 分解图52424081.3179.37.6.52024081.338.47XYZqpF Ntntqm计算机仿真得到斜撑杆内力结果为：Fx=-17761(N),SFy=-16570N,Fz=3431.8N合力大小 224531.XYZFFN方向余弦为： 22222276cos=0.24318.45670cos=.XYZXYZF误差分析：1%.8F(3)第三种工况为：Px=-34298.5N,Py=49349N,h 为 48mm，2013 届本科毕业设计（论文）L1=(1263.5-120)cos10，L2=(1061-120)shi10-211.78shi7，L3=440mm,L4=75mm，带入方程（3.1.3） 1234XYXYPLFLP，可得：-34298.51215.5cos10+4634997.64=F369.35F=-98903.38（N） 549803.7165.28.0.7529803.138.54XYZqpF Ntnqmt结合图 3.14 所示的该工况下的内力 F 的示意图可得：Fx=-71665.28(N)Fy=-66640.78(N)Fz=13883.5(N)计算机仿真得到斜撑杆内力结果为：Fx=-67518(N),Fy=-62990N,Fz=13045N合力大小:22XYZFF图 3.14 工况 3 杆内力 F 的分解示意图方向余弦： 2222227165.8cos 0.793.4960.78cos .1593XYZXYZFF2013 届本科毕业设计（论文）误差分析：10%6F三种工况下根据受力分析进行理论计算所得的斜撑杆内力和计算机仿真分析所得斜撑杆内力结果基本相同，误差较小，说明模型所作的简化和用等效杆单元法代替实际约束是可行的。4.运动模拟4.1 A320 起落架运动学仿真 4.1.1 LMS Virtual.lab 简介LMS Virtual.Lab 是世界上第一个功能品质工程集成解决方案，用于振动、噪声、平顺性与操纵稳定性、舒适性、安全性、碰撞、耐久性以及其它关键属性的分析17。是 LMS 公司推出的全球第一个集结构完整性、振动噪声、耐久性、多体动力学、优化为一体的多功能品质仿真平台，真正实现了多属性仿真设计的流程化、一体化。包括所有关健过程步骤及所需的技术，可以早在实物样机出现之前对每个关健属性进行从始至终的评价。同时 LMS Virutal.Lab 作为一个开放的平台，可以与 CAD 模型无缝连接，如 CATIA,I-DEAS、UniGraphics、 ProENGINEER，消除了CAD，CAE 和试验数据的转换瓶颈，为多学科设计分析团队提供一切所需的工具，从而更快地为市场提供更好的产品，同时具备设计流程自动捕捉和管理功能，并完全实现参数驱动。它能成倍提高增值设计时间（Value-Added Time） ，并且将总体开发周期缩短 3050，大大提升了设计效率。本课题所用的 LMS virtual.lab，主要模块如表 4.1 所示：表 4.1 LMS virtual.lab 功能模块序号 模块名称 序号 模块名称1 Motion 多体动力学 2 Acoustics 声学3 NVH 振动噪声分析 4 Durability 耐久性分析5 Correlation 相关性分析 6 Structures 结构分析2013 届本科毕业设计（论文）7 Optimization 优化在本文中，起落架运动分析是在 LMS virtual.lab Motion 多体动力学模块中实现的。下面简单介绍 Motion 模块:LMS Virtual.Lab Motion 基于 LMS Virtual.Lab 这一全球第一个多学科功能品质工程平台，很好地解决了以上现今多体仿真中所遇到的疑难。其优异的性能、广泛深入的行业解决方案、开放的平台，不断对最新技术的拓展，使其成为新一代多体动力学软件的代表。LMS Virtual.Lab Motion 是专门为模拟机械系统的真实运动和载荷而设计的。它提供了有效的方法可以快速创建和改进多体模型，有效地重复使用 CAD 和有限元模型，并能快速反复模拟评价多种设计选择的性能。工程师可以在早期的开发阶段利用灵活可调的模型进行概念上的运动学研究。并在后续阶段中结合试验数据进行更具体的评估。LMS Virtual.Lab Motion 多体动力学作为先进的 MBS 解决方案，结合了具有自动化程序的集成仿真环境和广泛的应用领域，包括：LMS Virtual.Lab Standard Motion 标准动力学LMS Virtual.Lab Powertrain Motion 动力总成动力学LMS Virtual.Lab Suspension Motion 悬架动力学LMS Virtual.Lab Full Vehicle Motion 整车动力学LMS Virtual.Lab Gear Motion 齿轮动力学LMS Virtual.Lab Track Motion 履带动力学LMS Virtual.Lab Motion 多体动力学能够让设计师和工程师真实地仿真整车设计中驾驶的平顺性及操纵的稳定性，新型挖掘机的运转，或者机械开关的可靠性等。此外，仿真结果还可以用于后续的与耐久性或者噪声振动分析相关的研究，例如高精度求解器预测的覆盖整个频率范围的动态内部载荷。4.2 A320 起落架多体运动学仿真下面介绍如何运用 LMS 软件的 Motion 模块的来模拟起落架收放系统的运动。图 4-1 为 LMS Motion 模块启动后界面图。LMS 与 CATIA V5 R18 无缝集成，整个界面分两部分，上面的 Links Manager 部分,连接着 CATIA 模块部分，激活此模块，2013 届本科毕业设计（论文）可以进行 CATIA 里面的一切操作，如零件设计、草图编辑，装配等。下面的Analysis Model 是 LMS 的模块部分，切换到此模块可以进行运动学仿真的一切操作，如添加运动副，加载驱动，生成曲线等。图 4-1 LMS Motion 模块界面图在 LMS 的 Motion 模块中按照 导入模型/装配体定义体添加运动副添加驱动求解结果仿真的步骤来模拟起落架收放系统的运动。4.2.1.A320 前起落架运动仿真首先导入已经建好的起落架零部件模型。不要一次性全部导入，否则可能由于零部件过多造成整个界面的混乱。将插入的零部件再定义成 Motion 里面的体。定义体的时候最好最好按由上自下的方法插入部件，部件最好是跟前面插入的部件存在装配关系，这样可以边插入边装配，避免所有部件插入之后再装配造成的混乱。这里并不在 CATIA 模块进行装配，因为在 CATIA 模块装配的话可能造成约束关系重复，收放运动时应具备的自由度可能就被约束住了。这些约束在装配时可以随意调整各个零件在装配件中的位置，使装配图能够充分反映各个零件的位置和作用。但在运动模拟时，这些“多余”的约束则会影响起落架收放系统运动过程的模2013 届本科毕业设计（论文）拟，使得模拟过程出错。由于装配过程中的约束凌乱而繁多，所以这里选择在创建运动副时再重新生成约束，而不进行单独的装配。根据 A320 前起落架收放系统的运动形式和各零件的之间的关系，定义合适的运动副，其中有旋转副、圆柱副、固定副、平移副等 21 个运动副。所有的运动副都加好后，其自由度应等于 2（DOF2） ，装配过程中的各零件之间的约束也同时生成。约束加载完成后的界面如图 4-