飞机起落架系统动力学建模与仿真

飞机地面滑跑时通过起落架系统与地面相互作用,由于作用于飞机的力和 力矩的变化,起落架将产生一定的缓冲,从而导致飞机滑跑过程中姿态角的改变.为了研究 飞机地面滑跑特性,考虑到滑跑过程中飞机姿态和转动的影响,建立了飞机起落架系统的轮 胎模型、空气油液缓冲模型、起落架走步模型和主机轮刹车装置模型.将建立的起落架系统 模型应用到飞机滑跑的六自由度模型中,分别在防滑刹车和前轮操纵两种情况下进行仿真验 证.结果表明,所建立的起落架系统模型是正确的,为进一步研究飞机地面滑跑特性奠定了基 础.      

含单边非完整约束飞机滑跑的建模与仿真方法

当飞机在地面上滑行时,其运动会受到风载荷和不对称刹车力矩的影响.为分析飞机的动力学行为,给出了一种基于非完整非光滑多体系统动力学的建模与数值仿真方法.将飞机视为由机身和前后起落架组成的多体系统,主起落架的轮子为纯滚动,飞机在地面滑跑时考虑前起落架轮子的侧向滑移.飞机在跑道上滑跑的动力学方程由Routh方程导出,用约束稳定化方法抑制约束的漂移.轮与地面间的摩擦模型为库仑摩擦模型并用集值函数描述,以用于判断前轮是否发生侧向滑移.最后通过数值仿真算例分析风载荷和不对称刹车力矩作用下飞机在跑道上滑行的动力学行为.      

基于数字虚拟飞行的民机侧风着陆地面航向操稳特性评估

基于民机的适航要求,建立了一种基于数字虚拟飞行的侧风着陆地面航向操稳特性评估方法。以着陆滑跑过程中最大机体倾斜角和最大航迹偏移量作为评估的关键参数,依据人机闭环数字飞行仿真计算结果,评估了某大型水陆两栖飞机侧风着陆任务的地面航向操稳特性适航符合性。对于20 kts侧风分量,算例飞机着陆滑跑的机身最大机体倾斜角为3.44°,最大侧向航迹偏差为2.51 m,能够满足适航要求。进一步研究表明,侧风分量大小、道面污染情况均影响侧风着陆的安全性。在干道面上当侧风分量超过30 kts时即会出现地面打转现象;道面污染增加滑跑减速所消耗的跑道长度,同时不利于驾驶员对滑行航向的控制。所提评估方法可应用于民机的概念和方案设计阶段,并为后续开展飞行试验验证等提供理论参考。      

基于边界元法的三维结构体滑跳运动数值仿真

利用滑跳运动实现近水面高速机动飞行的击水式飞行器是近年来的热点问题，三维结构体高速斜入水冲击载荷求解是滑跳运动数值仿真的关键步骤。针对滑跳运动开展研究，建立了一种基于边界元法的可以考虑结构弹性效应的三维结构体近水面滑跳运动时域数值仿真方法。高速斜入水冲击载荷由边界元法求得，利用状态方程直接积分法求解得到结构节点位移动力响应，并通过滑跳运动动力学模型更新结构体的质心位置及运动速度。针对钢球高速斜入水冲击现象进行数值仿真并与试验结果对比，验证了所提方法的准确性。开展三维刚性球冠体的近水面滑跳运动时域数值仿真和变参分析，得到了结构质量、初始高度、水平抛出速度和半径大小4种参数对球冠体滑跳运动的影响规律。考虑结构弹性效应后，高速斜入水冲击载荷减小，对球冠体滑跳运动也有一定影响。      

面向狭小空间的起落架收放轨迹智能设计方法

扁平化气动外形是高超声速飞行器获得较高升阻比的优先布局，但该外形严重约束了起落架的收藏空间，常规机构很难满足要求，只能采用复杂机构的三维运动实现起落架的窄空间收放。然而，当前主流的计算机辅助设计迭代试凑法在解决空间机构设计问题方面非常依赖工程经验，耗时耗力且很难得到最优结果。为解决这一问题，创新性地提出基于智能优化算法的起落架复杂机构自主设计方法。首先，分析并建立起落架收放机构的运动学理论模型；然后，建立起落架结构间距离描述及碰撞检测模型，并运用深度神经网络自主设计起落架收放机构的最优运动轨迹；最后，以某狭窄舱段的起落架收放策略设计为例，应用该设计方法进行设计。结果表明:所提设计方法可以快速得到最优的起落架收放机构设计方案，可用于指导高超声速飞行器起落架收放机构的设计。      

高速无人机地面变速滑跑转弯方向稳定性研究

高速起降无人机地面滑跑过程中受到轮胎力、气动力、舵面力等多个非线性因素的影响，容易发生转弯失控，在地面打转甚至冲出跑道等严重事故。目前利用分岔理论分析飞机地面滑跑非线性转弯系统稳定性时，都是基于匀速滑跑的平衡态系统，无法分析加减速对非线性非自治飞机地面滑跑系统稳定性的影响。对此，提出利用达朗贝尔原理将非线性动态系统转化为等效非线性平衡态系统进行分岔特性研究。在MATLAB/Simulink中建立无人机非线性地面变速滑跑动力学模型，并基于达朗贝尔原理在系统模型中引入惯性力，将系统转化为等效平衡态系统，进而利用数值延拓法对系统全局稳定性及分岔特性进行求解，分析了无人机变速滑跑过程中加速度对无人机转弯方向稳定性的影响，并对系统出现的鞍结分岔现象、Hopf分岔现象进行分析。通过对3种典型工况下无人机的运动状态和受力进行分析，揭示了无人机地面变速滑跑转弯时发生方向失稳的本质与机理。同时，在加速度单参数分岔分析的基础上，采用开折方法，将前轮转角作为附加参数引入无人机地面滑跑动力学模型，进行双参数分岔分析，讨论了双参数组合对无人机地面滑跑方向稳定性的影响规律，并就双参数分岔过程中新出现的BT分岔、G...     

基于反步控制方法的菱形翼无人机起飞滑跑控制

小型菱形翼无人机起飞滑跑面临着简陋跑道条件带来的干扰和自身非线性因素影响的问题,现有控制方法对无人机起飞滑跑的滚转控制重视不足。针对该问题,以某型菱形翼无人机的起飞滑跑试验为切入点,分析了该布局无人机起飞滑跑面临的问题和菱形翼布局的特点,设计了一种基于反步控制方法的菱形翼无人机地面起飞滑跑控制器。所提控制方法充分考虑了起飞条件带来的干扰及无人机本身非线性因素的影响,对无人机起飞滑跑的航向和滚转进行了有效控制。仿真和无人机起飞滑跑结果表明了所提控制方法的有效性。      

舰载直升机旋翼/机体耦合动力学稳定性

建立了舰载直升机和舰船运动耦合动力学模型,考虑了舰载直升机起落架非线性和非对称的特点,并将舰船振动自由度与旋翼/机体系统相结合分析了直升机系统耦合动力学稳定性.舰载直升机采用无轴承旋翼,用中等变形梁理论建立桨叶、柔性梁和扭矩套的有限元模型,考虑桨叶多路传力特点和桨叶根部的摆振销与变距拉杆的约束.起落架包括液压作动器和橡胶轮胎,起落架系统具有非线性特点,在不同载荷下其刚度和阻尼都不同.采用所建立的动力学模型分析了舰载直升机的"舰面共振"动力学特性,首先通过算例中的无轴承旋翼直升机"地面共振"频率与阻尼曲线验证了旋翼机体耦合模型的正确性.其次发现舰船在横摇振动情况下,旋翼/机体耦合系统的旋翼不稳定转速区域会提前出现,如果鱼叉系留则会推迟不稳定转速,并且增加系统的阻尼.     

起落架缓冲器卡滞动态临界摩擦探究

为了探究起落架缓冲器卡滞特性设计准则,以某无人机主起落架为研究对象,依据飞机设计手册第14册中缓冲器卡滞特性分析方法,进行了静态和动态临界摩擦分析.分析表明动态临界摩擦在偏航着陆工况和机尾下沉回弹工况下可能发生卡滞.进而结合起落架落震动力响应曲线分析了动态临界摩擦的物理意义,发现现有飞机设计手册第14册中的动态临界摩擦分析方法卡滞判据并不成立,不应在计算临界摩擦系数时计入油液阻尼力.对于起落架缓冲器某状态时刻的卡滞特性分析,以飞机设计手册第14册中静态临界摩擦进行校核更为准确.      

基于结构分区与应变电桥解耦的支柱式主起落架载荷测量

为解决应变法测量支柱式主起落架载荷中的低灵敏度、高耦合度和强非线性等问题,提出了结构分区解耦和应变电桥解耦设计方法。在集中传力的轮轴和活塞杆上优选出不同等效分量载荷作用下的结构变形有效部位,并在对应部位优化布置了弯矩-剪力-扭矩应变电桥阵列,通过某型飞机起落架综合加载校准,得到了简洁可靠的支柱式主起落架载荷测量模型。载荷校准试验表明:轮轴上剪力电桥对垂向载荷的响应灵敏度相比支柱上拉压电桥对垂向载荷的响应灵敏度提高约60%,并与压缩行程变化无关。在该型机着陆试验中,利用所提载荷测量模型和飞行数据计算得到了满足工程精度要求的主起落架着陆载荷和缓冲器功量吸收结果。      

考虑温度影响的干摩擦接触分子动力学研究

基于多尺度方法对干摩擦行为进行预测已成为当前研究热点。对于航空发动机等高温机械系统，温度对干摩擦行为影响至关重要。针对高温影响下微动界面摩擦行为开展分子动力学建模与分析，研究不同温度下微凸体的切向碰撞过程；考虑温度的升高使摩擦界面微凸体黏着作用增强，提出不同于赫兹接触理论预测的真实面积计算方法；基于所建的分子动力学模型和G-W接触模型，研究不同温度下接触面的摩擦系数，与实验测量的摩擦系数结果吻合，验证所提方法的正确性。对于在高温环境下接触、摩擦及微动等界面力学问题的研究提供了可借鉴的方法，同时为高温旋转机械动力学多尺度方法提供了可参考的解决手段。     

采用主动控制提高民用客机的滑跑性能

以机体的垂直加速度和垂直位移为性能指标,通过建立自校正控制起落架的非线性模型和系统的ARMAX模型,应用多步递推预报对控制器进行设计并结合系统结构和参数的辨识,实现了起落架的自校正控制.计算仿真结果表明,此方案有效地提高了民用客机的滑跑性能.      

飞机防滑刹车系统动态特性仿真研究

以国内某现役机种为对象,本文在综合考虑了飞机机体、起落架、轮胎、传感器等特性的基础上,推导了适用于飞机刹车滑跑的动力学模型,该模型重点考虑了起落架和轮胎的动态特性,突出简单、实用和通用性的要求,并加入到相对滑动量控制的电子防滑刹车系统的数字仿真软件中,完善了防滑刹车系统的软件平台,以用来研究飞机系统的动态特性与刹车性能的关系.利用本软件对飞机刹车动态性能作了全面的定量分析,对设计和改进刹车系统有重要的指导意义.      

某RLV飞行器投放轨迹的设计与分析

对于可重复使用发射式飞行器RLV(Reusable Launch Vehicles)设计投放轨迹,并作轨迹特性分析.根据投放几何和飞行器性能约束确定目标轨迹,将轨迹分为四个阶段,分别为:消耗多余能量的S型转弯段;改变飞行器航向并转向航向校正圆柱HAC (Heading Alignment Cylinder)的过渡飞行段;航向校正圆柱段;进一步调整能量以满足终端要求的着陆前飞行段.在各段衔接处设置窗口检查,在轨迹仿真过程中对轨迹进行进一步调整,得到投放轨迹.作为导航和控制的参考轨迹,还对飞行器进行了沿轨迹的操稳性分析和检查.结果表明所建立的轨迹设计方法能够提供满意的精度;轨迹对常值扰动敏感,对高频扰动不敏感.     

斜板滑跳起飞动力学特性研究

综合研究了收音机众航母上斜板滑跳起飞动力学问题，建立了考虑甲板运动，起落架变形运动在内的完整的飞机动力学方程，分析讨论了航母纵摇和垂荡，起落架变形，发动机推力及斜板形状等因素对起飞特性的影响，为飞机采用斜板滑跳起飞可行性提供了理论计算方法。     

一种起落架载荷谱相似性判别方法

起落架结构的寿命监控对保障其安全性与经济性具有重要作用,但由于地面谱复杂的高低载荷非线性交互作用,难以准确计算单机谱的损伤。以当量损伤计算方法为基础,通过对寿命监控中的单机谱进行初步筛选,判别单机谱与基准谱的相似程度,进而分析损伤计算方法的适用性。提出了一种基于时间序列分析中的动态时间弯曲方法的起落架载荷谱相似性判别方法,进行了基准谱与4个单机谱下的疲劳实验,通过分析损伤计算误差与起落架载荷谱相似距离的关系,验证所提载荷谱相似性判别方法的合理性。      

飞机起落架机轮水平载荷的测量方法

通过分析3点支撑落震平台的动态受力情况,确定了起落架机轮投放到落震平台上后,落震平台水平方向的各种载荷情况,从而利用测量落震平台水平载荷的间接测量方法,建立了起落架机轮水平载荷测量方法的数学模型,并采用在落震试验台水平方向上进行试验标定的方法,确定了数学模型中的有关待定系数.根据起落架落震试验结果和该数学模型,可以得到考虑动态效应的起落架机轮水平载荷.应用结果表明,提出的测量起落架机轮水平载荷的方法比原来使用的静力测量方法更合理、更可信.      

滑橇甲板助飞的力学机理分析

针对飞机在滑橇甲板上起飞的特点,基于力多边形的变化过程,以及甲板形状对飞机俯仰转动的作用,分析了飞机性能和品质与甲板参数的适配关系,说明了飞机在低速离舰初期迎角建立的力学机理.迎角的建立综合3个方面的效果:曲面甲板提供正向俯仰角速度,使迎角增加;前轮离舰释放载荷、后轮尚未离舰的过程中,甲板支反力提供低头力矩,使离舰初期俯仰角速度减小;离舰初期升力不能平衡重力,加速度指向前下方,轨迹向下弯曲,速度下偏使迎角增加.对航母/舰载机/起落架多体动力学系统进行数值仿真,结果表明分析合理.      

基于智能图搜索的滑翔式高超声速飞行器路径规划方法

研究了高超声速飞行器在线路径规划问题。首先建立滑翔式高超声速再入飞行器动力学模型,在此基础上综合考虑高超声速飞行器在飞行过程中的动压约束、热流约束、过载约束等,对动力学模型进行解析计算,分析再入走廊,并进一步分析形成滑翔式高超声速飞行器的覆盖区域。基于飞行器覆盖区域并结合工程应用需求,提出速度分段的高超声速飞行器可达区域计算方法,确定在不同终端速度约束下的高超声速飞行器可抵达区域。并以此为基础,以各个速度分段的终端速度为节点,提出基于启发式路径搜索算法的分段路径规划方法,通过变步长图搜索算法可在飞行过程中在线确定各个速度分段区间的终点,完成分段路径搜索规划。最后通过数值仿真验证了所提出路径规划方法的有效性,结果表明,所提出的方法计算效率高,能够有效规划高超声速飞行器的机动飞行轨迹,具有一定的工程应用前景。     

带有拦截时间约束的协同制导方法

针对多飞行器协同拦截机动目标问题，基于有限时间滑模控制方法和一致性理论提出一种考虑拦截时间约束的协同制导方法。基于相对运动学和动力学关系，建立考虑拦截时间和角度约束的协同拦截模型；基于滑模控制理论和超螺旋控制算法分别设计了视线方向和视线法向协同制导律以保证各飞行器拦截时间在有限时间内一致收敛且拦截角度收敛到期望值；基于一致性理论证明了所提方法有限时间一致收敛性能。仿真结果表明：所提方法能够保证各飞行器以期望拦截角同时拦截目标，验证了所提方法的有效性。