[科普中國]-地面載荷

飛機(jī)地面載荷飛機(jī)外載

在飛機(jī)使用和運(yùn)輸過程中，飛機(jī)結(jié)構(gòu)上受到各種載荷的作用。飛行器的外載荷是指飛行器在空中和地面運(yùn)行、起飛、著陸以及運(yùn)輸和裝卸過程中，機(jī)體結(jié)構(gòu)所承受的外力的總稱。外載荷的大小取決于飛機(jī)的類型、飛行性能、外形的氣動特性、飛機(jī)質(zhì)量、起落特性等。為了保證飛機(jī)在使用過程中能夠承受安全可靠的工作，在設(shè)計飛機(jī)的時候必須正確的確定飛機(jī)外載荷。

飛機(jī)的地面載荷包括飛機(jī)在滑跑、起飛降落過程中由地面提供給飛機(jī)的支持力，以及飛機(jī)事故時的不正常沖擊載荷。

飛機(jī)著陸撞擊載荷飛機(jī)在著陸前具有一定速度下沉，接地后在其下沉速度逐漸減小直至為0，飛機(jī)著陸時大質(zhì)量的機(jī)體在垂直方向上迅速的減速會導(dǎo)致極大的慣性力，慣性力是由飛機(jī)的地面載荷來平衡的，地面載荷最后通過起落架傳遞給機(jī)身，由此可以分析得到，在飛機(jī)著陸過程中，由于飛機(jī)在垂直方向的減速會使飛機(jī)起落架會受到巨大的沖擊作用力。

飛機(jī)起落架減震系統(tǒng)在沖擊力的作用下會被壓縮，這個過程中沖擊能量通過油液與油孔的摩擦阻尼而轉(zhuǎn)化為熱能消散，消散的能量與緩沖器一個壓縮行程作的功有關(guān)。

多輪多支柱飛機(jī)地面載荷多輪多支柱起落架在著陸時所受地面載荷包括起落架輪胎受到的垂直反作用力、輪胎的滾動摩擦力、飛機(jī)的迎面阻力、輪胎側(cè)向力以及飛機(jī)轉(zhuǎn)彎法向和切向慣性力，有時還包括與飛機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反的空氣阻尼力矩。飛機(jī)起落架滑行載荷包括飛機(jī)滑跑時，由于跑道不平度引起的顛簸以及滑行操縱時(包括轉(zhuǎn)彎，剎車等情況)引起的水平重復(fù)載荷。

同時，發(fā)達(dá)國家對于多輪多支柱地面載荷的研究開展的也比較早，并取得了一系列的成果。最著名的研究就是:在50年代末，由美國空軍和道格拉斯公司發(fā)起，美國幾家最大的航空公司共同參與的題為一一在半鋪砌道面上運(yùn)行的多輪多支柱起落架飛機(jī)的地面載荷分析的研究。該研究以C-SA大型運(yùn)輸機(jī)為模型，分析了該飛機(jī)半鋪砌道面上著陸、滑跑及地面機(jī)動過程中，飛機(jī)載荷在各個起落架上的分布關(guān)系，并利用當(dāng)時最先進(jìn)的電子設(shè)備一一SC4020計算機(jī)記錄儀實時記錄了分析結(jié)果。隨后，美國波音公司又進(jìn)行了類似的研究，波音公司的研究則是以波音747飛機(jī)為模型，分析了該機(jī)型在著陸和滑跑過程中的動態(tài)載荷響應(yīng)。

目前，國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)對起落架的地面載荷研究則以起落架的落震模型，全機(jī)對稱著陸、滑跑模型為主。當(dāng)然，也對飛機(jī)在非對稱著陸和滑跑過程中的載荷也進(jìn)行了分析，不過這些研究還僅限于普通的前三點(diǎn)式飛機(jī)。因而，我國對于多輪多支柱飛機(jī)起落架的地面載荷的分析和研究仍處于起步階段。而我國當(dāng)前的國情是:一是軍隊裝備的以伊爾76飛機(jī)為代表的大型運(yùn)輸機(jī)數(shù)量在不斷增加，二是對于該類飛機(jī)地面載荷的研究并未真正開始，三是外國在該方面的對中國實行技術(shù)資料封鎖。這就迫切要求我們迅速開展該類起落架飛機(jī)的地面載荷研究，以便為將來的大型運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計工作提供技術(shù)上的支持。1

虛擬樣機(jī)技術(shù)在地面載荷中的應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)是20世紀(jì)80年代隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展在機(jī)械工程領(lǐng)域興起的一種以CAD/CAE為支撐的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真技術(shù).虛擬樣機(jī)技術(shù)可以貫穿于飛機(jī)研制的全過程，其中虛擬樣機(jī)技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計初期階段中的一個重要應(yīng)用就是飛機(jī)地面載荷計算。

在飛機(jī)地面載荷中著陸撞擊載荷由于作用時間短，強(qiáng)度大，因此對機(jī)體結(jié)構(gòu)的損傷也最為嚴(yán)重。所以在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要準(zhǔn)確而有效地計算飛機(jī)著陸撞擊載荷。早期人們對飛機(jī)地面載荷的計算只能依靠簡化的數(shù)學(xué)模型分析和手工編制的程序來進(jìn)行，往往費(fèi)時費(fèi)力，而且還需要建造產(chǎn)品的物理樣機(jī)進(jìn)行驗證.為改善這一狀況，將AD-AMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)地面載荷的計算分析中，利用仿真分析計算代替?zhèn)鹘y(tǒng)的力學(xué)分析和編程計算，從而能快捷有效地計算和分析飛機(jī)地面載荷及其影響因素。

ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Me-chanical Systems)是美國MDI公司開發(fā)的一款虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件，它采用多體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方法進(jìn)行系統(tǒng)動力學(xué)分析。 AD-AMS / Aircraft是ADAMS的一個專門用于飛機(jī)系統(tǒng)建模及仿真的專業(yè)工具模塊，在Aircraft環(huán)境下能夠建立全機(jī)系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，并且利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行全機(jī)仿真或子系統(tǒng)仿真.

用戶首先在專家模式下建立Aircraft中模型各部件的模版，包括幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及部件間作用力；然后在標(biāo)準(zhǔn)模式下調(diào)用建立的部件模版以組成部件的子系統(tǒng)，最后將各部件子系統(tǒng)和仿真控制模版(test rigs)組裝為可直接用于仿真分析的仿真組件。Aircraft下的模型具有幾何形式簡單，高度參數(shù)化的優(yōu)點(diǎn)。

對實測數(shù)據(jù)結(jié)果的要求1，最低要求

(1)飛機(jī)重心處過載記錄，并給出雙參數(shù)計數(shù)，給出載荷幅值、均值聯(lián)合發(fā)生頻次表。

(2) 3個起落架各3個方向載荷紀(jì)錄，并分別進(jìn)行雙參數(shù)計數(shù)，給出載荷幅值、均值聯(lián)合發(fā)生頻次表。

以上各測量值之間，不要求記錄相位關(guān)系。

2，滿意要求

給出重心處垂直過載累積頻率曲線和起落架垂直載荷累積頻率曲線的對比關(guān)系。統(tǒng)計資料表明：滑跑主頻率一般為3/4 Hz，最高2/4Hz。因此，對機(jī)翼一階頻率在7~8Hz以上的小型飛機(jī)，可將其視為剛體，上述對比可能得出明確相關(guān)關(guān)系。對于大型飛機(jī)，由子柔性影響，一般無此種相關(guān)關(guān)系，需要直接進(jìn)行動力分析。2

研究結(jié)論（1）應(yīng)用基于ADAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)著陸撞擊地面載荷分析計算相對于傳統(tǒng)方法而言，確實顯得方便、快捷而且準(zhǔn)確度高，同時還可以得到起落架著陸時的動畫顯示，真實地再現(xiàn)飛機(jī)起落架在飛機(jī)著陸時的工作狀態(tài)，有利于進(jìn)行后續(xù)的起落架機(jī)構(gòu)分析和改進(jìn)。

（2）通過飛機(jī)著陸仿真對飛機(jī)著陸載荷的分析可知，飛機(jī)下沉速度、飛機(jī)重量以及飛機(jī)著陸姿態(tài)都對飛機(jī)著陸載荷有較大影響，特別地，剛性機(jī)身的計算載荷大于彈性機(jī)身的計算載荷。

（3）ADAMS虛擬樣機(jī)可以方便地用于飛機(jī)的滑跑分析，尤其是分析機(jī)身彈性對飛機(jī)起落架載荷的影響，可以大大簡化用戶的建模以及數(shù)學(xué)求解。使用戶從繁瑣的建模分析中解脫出來，而將注意力集中于起落架的結(jié)構(gòu)設(shè)計和緩沖器參數(shù)優(yōu)化上。

（4）通過飛機(jī)滑跑仿真分析可知，飛機(jī)滑跑速度和飛機(jī)重量對飛機(jī)的地面沖擊載荷有較大影響。具體而言：飛機(jī)滑跑速度越大、飛機(jī)越重，飛機(jī)的地面沖擊載荷就越大；飛機(jī)在轉(zhuǎn)向操作時，轉(zhuǎn)向角變化越快，飛機(jī)前起落架所受的橫向載荷也就越大；另外，與飛機(jī)著陸分析的結(jié)果一樣，剛性機(jī)身的計算載荷大于彈性機(jī)身的計算載荷。3