ROMEO DI LEOlowast;, ANGELO DE FENZAlowast;, MARCO BARILElowast; , LEONARDO LECCElowast;
通过多体方法对飞机起落架进行跌落试验仿真
本研究探讨了一种多体方法对固定起落架的动态特性研究的有效性，特别是研究项目涉及到了AP.68 TP-300型飞机的跌落试验。首先，在C.A.D.软件中建立了一个起落架系统的数字模型，然后用有限元分析工具MSC.Patran/Nastran对叶片弹簧的实验结构刚度进行了验证。最后，整个模型已经导入MSC.ADAMS环境，根据认证规定，已经进行了多个改变了坠落的高度和系统的重量的多体仿真。结果表明，数值实验与实验结果具有良好的相关性，证明了多体方法的可行性。当前研究的未来发展很可能是该方法的一种应用，在此基础上，对其他情况进行验证，以便对其预测能力和虚拟认证程序的开发进行更广泛的验证。
1.简介
飞机起落架是一种多自由度机械装置，用于起飞、着陆和滚转机动。本文旨在用多体方法对着陆齿轮进行跌落试验的动态特性进行表征。一个先进的工程工具被用来设计和模拟跌落测试，最终确定飞机的着陆阶段以达到验证目的。
本论文包含在一个具有创建模拟方法的最终目标的研究中，通过扩展和稳健的方式验证，能够帮助飞机制造商开发新的起落架设计，并在认证过程中使用基于虚拟跌落测试的方法帮助他们。一旦定义了飞机类别，起落架的认证是由联邦法规(CFR)第23部分规定的，它定义了两种类型的跌落测试，称为极限跌落试验[1]和备用能量吸收跌落试验[2]。两个跌落测试都需要使用特定的测试设备。
近年来，民用和军用机构都在努力优化起落架及其部件，因为在未来，模拟仿真将发挥越来越重要的作用，尤其是在引入新的想法和系统[3]的工程应用。80年代Doyle [4]给出了飞机和起落架计算机仿真的第一个概览。Shepherd, Catt, and Cowling [5]描述了一个由英国航空航天公司资助的项目，用于分析飞机起落架的相互作用，包括刹车和防滑，转向控制，目的为了模拟标准的硬件钻机测试（功率计和跌落试验）以及飞行试验，涉及到地面接触。Barnes和Yager[6]讨论了使用模拟器进行飞机研究和开发。
Hitch [7] 和Kruuml;ger等 [8]在IAVSD(国际汽车系统动力学协会)发表的作品中以及Pritchard [9]在NASA Langley研究中心的工作中均对飞机起落架动力学做了一个概述，强调了轮胎的重要性及其与地面的相互作用。在1941年，von Schlippe和Dietrich[10]，分析了摆振现象，分析了起落架腿刚度与作用在轮胎上的力的相互作用。PACEJKA[11]使用了基于拉伸弦概念的相似轮胎模型，并开发了以松弛长度和陀螺耦合系数为参数的一阶滞后的简单导数。Bakker和Pajjka[10，12]利用三角函数，建立了一个描述稳态滑动的经验公式，在文献中被称为“魔术公式”。 最近，这个公式被扩展到涵盖了动态轮胎的行为[13]。
关于起落架的动态仿真，Rook等[14]在BF Goodrich航空航天飞机的报告中提出了一种有趣的艺术状态。
参与本研究的飞机是AP.68 TP-300，一个具有9个座位和双引擎的高翼单翼机，由意大利那不勒斯大学航空工程系教授Luigi Pascale设计，并由Partenavia，后来的Vulcanair S.p.a建造。这个版本的AP.68使用固定起落架。这种类型的起落架的使用具有一些优点，因为它特别适用于半准备带和硬工作条件，并且它是降低维护成本的重要因素。
在这一工作中，ADAMS多体软件工具已经被用来创建一个程序，按照标准规定以模拟的方式再现跌落试验。在C.A.D.软件中实现起落架主要部件的数字化建模后，在ADAMS环境中引入了这些部件，并通过适当的接头将整个模型组装起来。在ADAMS环境中，用于跌落试验和机身的降落系统被模拟为刚体，而叶片弹簧和轮胎则被模拟为柔性体。为了达到这个目的，钢板弹簧的C.A.D模型已导入PATRAN软件，用NASTRAN解决方案创建一个模态中性文件。此外，通过对一些静态线性/非线性模拟和当时进行的静态实验测试的数据进行比较，验证了板簧的有限元模型的结构刚度。
轮胎的模型采用了ADAMS轮胎，包括Goodyear公司提供的的几何学，惯性和垂直硬度的信息。在道路数据文件中添加了有关地面的信息。在地面水平的飞机车轮的通信中，模拟了16°或18.5°的导缆孔的存在，因为它们是在实验降落测试中显示的。最后，对整个测试模型进行建模并连接到机身上。
基于实验数据[15]与多体软件动态仿真结果的匹配，验证了ADAMS中创建的多体模型的有效性。对于每一个跌落测试，都进行了两个参数的时间历程的匹配，并通过安装在试验件上的加速度计和位移传感器进行实验测量。实验/数值相关的时间历史记录是关于“跌落试验中产生的负载因素”(如在[1]中定义的“e”段中所定义的)，以及在跌落试验中第一次撞击地面后，“着陆器的偏转”(在[1]的第b段中所示为“d”)。根据CS-23(正常、实用、特技飞行和通勤飞机的认证规范)，数值和实验结果在不同高度和等效质量的载荷因素方面的比较显示出良好的相关性。
2.起落架和实验装置说明
这项工作的目的是重现Ap.68 TP Spartacus的Partenavia SpA试验，根据规范（故障分析报告部分23.723-727）。
在图2中报告了用于测试的坠落系统，而起落架的爆炸视图绘制如图1所示。起落架是由一个与机身连接在两个位置的板簧组成。在板簧的根部，是一个双铰连接；而在根部的50厘米处，板簧通过一个允许弹簧片挠度的框架与机身结合。最后，轮胎被安装在弹簧上的边缘夹上。
图1 起落架的爆炸图 图2 连接到缩放仪的跌落系统的轮廓
为了满足机翼、机头和尾部控制面的缺失，机身上安装了一些平衡块。然后，系统连接到一个缩放仪，以保证一个恒定的下降，以重现操作的着陆条件。
缩放仪是由四个臂组成的金属结构，矩形截面铰接到被固定到地面的结构上。然后，将四个臂铰接到固定于坠落系统的金属笼子上。缩放仪保证了一个近乎完美的垂直降落。
图2显示了连接到缩放仪的复杂的方案。
平衡质量的设置是为了将复合体的质心对准两个起落架对称平面的交点。以这种方式，可以减少在测试期间可能污染数据采集的不期望的滚动和/或俯仰力矩的存在。
为了再现关键的着陆条件（临界下倾），轮胎对两个楔子有16°和18°的倾斜（取决于最大的着陆重量）。为了模拟特殊的抓地力，楔块是用油脂润滑的。对于复杂瀑布的高度，它也依赖于最大的着陆重量(这种依赖是由规范规定的)，它指的是轮胎的下缘与地面之间的距离（或楔子如果存在）。最后，在测试过程中用于获取数据的设备包括:
1. 机身上的三个加速计，用于测量复合物的垂直加速度。确定了3个加速度计的位置，使3个输出信号平均输出，最终的俯仰力矩和滚动的噪声可以很容易地消除。
2．位移敏感电位计用来测量落差的高度。电位计测量连接线和地之间的距离。在初始位置，这个距离是由轮胎的高度加上轮胎半径的总和给出的。
3.板簧的数值试验分析
从弹簧叶片和联轴器的技术图纸出发，使用三维CAD软件，建立了系统的数字模型（图3）。
图3 数字模型弹簧叶片和轴
然后，将CAD模型导入有限元前/后处理器：MSC PATRAN。以下是有限元模型的主要信息：
1.整个模型是使用148806个元素的三维tetra4型网格。网格在模型中不均匀，但在孔附近有一个主要的元素集中。
2.一个3D铰链（球窝接头）（图4a）用来模拟板簧根部的双铰链，如图1所示。刚体元素(RBE2)元素(在图4a中可见为紫色线)连接节点，在该节点上定义了铰链，该节点的所有节点都位于孔的内柱表面，位于板簧的根部。RBE2是一个元素，它在由元素连接的两个端点之间创建一个无限严格的约束。这样就创建了一个多点约束(MPC)。
为了考虑到框架系统的存在，将叶片弹簧连接到机身上，三个节点(图4b中的红色圆圈)，位于叶片弹簧中心区域的矩形表面的主轴上，在坐标的参考系统(如图5所示)的x、y和z方向上的自由度都被锁定。显然，在三个点的每一个点上，集中力(约束力)都指向被抑制的自由度的方向。
3. 在第一个模型中，在叶片弹簧与关键帧之间的界面上定义了一个无限刚性的固定约束。在这种情况下，关键是用弹簧来安排一个身体。
在linchpin(轮胎将被安装在其上的节点)的外极端循环部分的中心节点，通过MPC(图4c)连接到linchpin的极端圆形截面的内表面的节点。在初步分析中，关键字显示了几乎是刚性的行为，因此我们用MPC代替了它，它连接了叶片弹簧和安装轮胎的节点。
图4 有限元模型的细节
4. 叶片弹簧的材料为51CrV4钢[17]，其特点是杨氏模量为210GPa，剪切模量为83GPa，密度为7800Kg/ m3。
为了验证叶片弹簧模型的结构刚度，采用了用Nastran求解器进行非线性静态模拟(采用大位移选择的SOL106)。通过例子，模拟的输出如下图所示。
图5 弹簧的挠度在6810N的负荷下
最后，在表1中给出了不同载荷的静态模拟结果[17]。在图6中，给出了数值与实验刚度的比较。
表1 叶片静态分析的数值/实验比较
通过有限元法计算了叶片弹簧的静态挠度，直到中高载荷，与实验结果吻合较好。增加27kN的负载，FEM模拟变得不那么保守，导致整个起落架的刚度更高。然后，数值叶片弹簧的刚度比实际的高。在高负载条件下结构的不同行为可能是由于实验运动中所使用的边界条件的变化，而文献报道中没有报道[15]。
图6 匹配叶片弹簧的数值/实验刚度
4. 亚当斯模型
根据系统的尺寸和质量分布，建立了ADAMS模型。
为了保证系统的真实质量分布，模型的所有质量集中在与起落架对称面相交的质量点上。在这种情况下，惯性矩可以被忽略，因为在实验阶段，飞机的重心位于起落架对称平面的交点上。此外，为了真实地再现跌落的动态测试，模型被建模。
图7 亚当斯完整模型
下面详细描述了用于多体建模的所有步骤以及随后的跌落测试模拟。
4.1. MSC.ADAMS的叶片弹簧模型
在MSC的叶片弹簧有限元建模后。Patran，一个适当的程序，以某种格式，以MSC接受的格式导出模型。ADAMS(模式中立文件)被跟踪。为了减少模拟计算时间，在ADAMS中引入的FEM模型是用2D CQUAD元素而不是3D tetra4元素构建的。在两种模型的静态分析结果中，这一选择得到了良好的一致性的支持，实际上，在大多数分析的案例中，匹配返回了一个小错误;它也得到了一个良好的相关性，结果的下降试验模拟和实验结果。mnf文件的生成是一个非常复杂的过程，它要求应用超元素方法和对spring叶进行模态分析。实际上，在ADAMS中引入了spring叶，就像一个超级元素，并与模型槽的其余部分连接，在FEM建模过程中定义的边界节点，以及多体工具，使用模态形状来再现叶片弹簧的动态变形。
图8 亚当斯的叶片模型
如上所述，在不同类型的节理中，弹簧叶片连接到两个位置的机身。在MSC亚当斯有好几种关节。通过使用连接器，可以在实际结构中重新创建模型的不同部分之间的连接。
在研究的情况下，弹簧叶片根部的双铰是用三维铰链、球和关节窝(图9)来建模的，在物理结构中，考虑旋转轴与弹簧的距离。
图9 叶片的底部缩放
从叶片弹簧根部到50厘米处的框架支撑被建模为1D铰链，以便只允许叶片弹簧的挠度。
图10在一半的叶片上的缩放
最后，关键字(被建模为刚性元件)与轮胎之间的连接是通过一个1D铰链(圆柱铰链)实现的，它只允许轮胎绕其主轴旋转。
图11 放大左旋和轮胎之间的关节
4.2. 在亚当斯的轮胎和道路的定义
在跌落试验中，起落架的动态特性受到轮胎与地面相互作用的强烈影响，因此对这两部分进行精确的建模是非常重要的。
除了帮助提供平稳的行驶外，气动轮胎的功能是在三个相互垂直的方向上传输力量和力矩，以实现车辆方向的控制。为了理解和预测轮胎的行为，已经开发了大量的测试和数学模型[18]。在文献中，这些模型分为四组:复杂物理模型、简单物理模型、相似方法和基于实验数据的模型[19]。
物理模型是针对模型轮胎性能，而不是其行为与车辆的动态关系。这类模型具有材料、结构、几何、花纹、荷载等参数。特别是复杂的物理模型通常使用有限元建模技术。轮胎的有限元模型在考虑轮胎与路面的不规范之间的相互作用，以及轮胎在轮胎的足迹范围内进行的调查时特别有兴趣[20]。
基于相似方法的模型在早期的轮胎forc模型开发过程中是有用的，但是最近由于其他模型所取代的实用工具被取代，它们的使用较少[19]。
剩下的两个模型分类是简单的物理模型和经验模型。它们将轮胎的物理和运动特性与轮胎与路面之间的接触力的发展联系起来。其中最常用的简单物理模型之一是画笔工具。近年来，笔刷模型得到了改进和发展[21]，但在许多动态仿真程序中还没有找到它们的方法。
剩余的轮胎模型类是经验模型。这种类型的模型使用数学函数，能够模拟轮胎产生的力的高度非线性行为。这些数学函数可以从直线段近似到包含基于实验数据的众多系数的非线性函数。这种类型的模型在车辆动力学仿真软件中很普遍。在经验模型中，纵向轮胎力通常用数学表达式表示为一个称为滑移比的变量的函数。横向轮胎力通常以数学形式表示为一个变量的函数，称为滑移角。第三，这些模型的特点是将这两种力分量适当地结合在一起，以满足组合滑移比和滑移角的条件。经验模型一般忽略了诸如自调转
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