大型客机起落架缓冲性能设计技术研究

发布时间：2020-06-23 12:03

【摘要】：飞机起落架的主要功用之一在于吸收并耗散飞机着陆撞击的能量。在大型客机起落架上,实现这一功用的部件是缓冲器。本文从高品质油气式缓冲器设计技术的角度切入,针对大型客机机体弹性的特点,研究了起落架在着陆时垂向和航向的动态特性,完善了在方案设计阶段中缓冲性能设计的研究方法,包括了理论建模、仿真分析和工程估算。本文研究成果对指导起落架缓冲器的设计和分析,提高起落架的缓冲性能具有重要的意义。首先,在起落架的结构动力学的研究领域,机翼和起落架的支柱结构常简化为梁结构,且机翼与机身的连接关系与翼挂结构(如翼吊发动机)均对机翼和起落架的动力学特性有影响。如何解决这类工程问题在先前文献中未见报道。提炼出主要因素,将工程化的问题抽象成理论化的问题。运用了传递矩阵法和参数变异法对Timoshenko梁、Rayleigh梁和Shear梁的横向自由振动模型进行了推导,分析了铰支座、集中质量和转动惯量等复杂边界条件的情形,进而给出了带有复杂边界条件的多跨梁的横向自由振动的一般格式。在其简化的Euler梁的情形下对三个有工程实践意义的模型进行了推导。结果表明,三个模型的频率方程的结果与已有文献的结果相比具有很好的一致性。并运用有限元方法对两个模型进行了算例分析。结果表明,该方法提出的公式计算的一阶频率与有限元方法得出的一阶频率之差小于5%,提出的模型是合理可用的。其次,基于能量法将机体结构等效成Euler梁,通过有限元的建模并分析某大型客机机体的一阶频率,结果表明,二者相差为3.1%。对弹性机体进行了基于等效质量-弹簧-阻尼的建模,对起落架着陆时的受力情况进行了介绍,并对起落架缓冲器内部因密封件引起的摩擦力进行了探讨,进而将起落架着陆模型推广到全机四自由度着陆模型,扩展了原有的着陆动力学模型。将弹性机体的有限元模型导入到动力学仿真程序中进行着陆仿真分析,对机体弹性、模态叠加、安装点位置和翼吊发动机等影响因素进行了分析。结果表明,机体弹性弹性与阻尼吸收在一定程度上耗散了部分飞机着陆功量,令轮胎与缓冲器的吸收功量进一步降低,由此可知,在对弹性机体起落架进行设计的过程中,需要将机体弹性这一因素考虑在内,否则所设计的缓冲器无法全面彰显其作用和性能,极易造成起落架重量增大等相关问题。起落架和外挂如果布置在节线附近,机体的弹性对其工作性能的影响会变小。再次,考虑外筒和轮胎对起转、回弹载荷的影响,建立了起落架航向载荷分析模型,完善了起落架缓冲支柱的刚度计算公式。介绍了起落架的起转、回弹载荷试验,模型计算结果与试验结果比较,二者相差不超5%,验证了模型的正确。研究了起落架起转、回弹载荷的仿真分析方法,对轮胎的径向刚度进行了仿真分析。进行了缓冲支柱的网格划分,进而导入到动力学仿真程序中进行仿真分析,结果表明,随着触台速度或者投放功量的增加,摩擦系数有减小的趋势;不同粗糙度的台面和轮胎规格对起转回弹载荷的大小有影响;随着胎圈着合直径的增大,起转和回弹载荷均有减小。接着对起落架着陆动力学进行了简化建模,通过解析格式对起转、回弹载荷的工程估算方法进行了分析,与目前专业技术手册上的数据进行了对比,其更接近试验数据,说明了其合理性和可用性。然后,围绕起落架缓冲系统参数进行研究,先对现有的起落架缓冲器参数工程估算方法进行了改进。接着对缓冲器参数进行敏感性分析和回归分析,进而基于分析模型进行起落架缓冲性能的多目标的优化分析,结果表明,缓冲支柱力比优化前下降了3.11%;基于代理模型进行起落架航向载荷的优化分析,确定设计参数。此外,基于试验数据对起落架缓冲系统中部分经验参数进行了参数拟合,结果表明,多变指数为1.127,缩流系数为0.839,缓冲系统效率为67.3%,且相应的回归方程的拟合精度很高。最后,将数字化工程的方法,应用到大型客机起落架缓冲系统的方案设计中,开发了参数计算、缓冲性能、二次开发、数据库应用等方面的程序,并给出了在方案设计阶段,大型客机起落架缓冲系统的设计方案。采用程序流图和数据流图对程序进行了说明,运用建模和数据库工具进行了程序建模和数据存储等操作,提高了技术人员在方案设计阶段对缓冲系统的设计效率。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V226
【图文】：

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（4）轮胎动力学先前起转、回弹载荷的研究未涉及轮胎的纵向刚度问题。而轮胎也是缓冲系统的重要组成部分，其性能对起转、回弹载荷有影响。航空轮胎属于特殊轮胎范畴，其单胎负荷远远高于常规汽车轮胎所承受的负荷，在飞机着陆冲击的一刹那，轮胎需要承受非常大的冲击力，在飞机起飞着陆时，不仅要支撑飞机重量，还要实现快速变速。而这就需要航空轮胎具有良好的耐磨性、耐热性以及制动性等性能特征。整体来讲，相对于一般的汽车轮胎，在研发技术、成品标准以及可靠性能等方面，航空轮胎的要求普遍更高一些，不过在发展速度和应用现状等方面，航空轮胎不如一般的汽车轮胎。飞机行业的特殊性对重复使用提出了非常高的标准与要求，此行业的持续发展与变革在一定程度上催生了新结构航空轮胎的出现。1983 年中旬左右，米其林等贵公司率先设计出了新型子午线航空轮胎，这意味着航空轮胎进入了一个新的发展时代。相较于斜交航空轮胎，子午线航空轮胎的结构作了很大改变，具体表现为三点：一是和于子午线方向保持平行关系的胎体存在一个一定夹角的带束层；二是子午线方向的胎体存在一个一定夹角的带束层；三是带束层以及胎体帘线的刚度等部分参数作了一些改变，相对于斜交航空轮胎，子午线航空轮胎不仅质量轻、变形程度小，并且生热低、耐久性能佳等。

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【参考文献】