舰载机起落架缓冲性能设计优化

摘 要：为提高舰载机起落架的缓冲性能，采用多体系统仿真和多目标参数优化协同仿真分析相结合的方法，以iSIGHT为设计和仿真平台，在优化参数的同时调用多体系统仿真软件进行仿真分析.对前起落架缓冲系统进行受力分析，用MSC Adams/Aircraft建立某型舰载机起落架落震功能虚拟样机，实现可循环迭代求解落震质量的优化；考虑舰载机与陆基飞机起落架缓冲器之间不同的设计要求，以缓冲器效率最大和轴向力最小为优化目标，以缓冲器油针截面积为设计变量，在iSIGHT中集成MSC Adams/Aircraft进行优化仿真，得出油针的最佳截面积，并分析油针形状对起落架缓冲性能的影响.优化结果表明：在飞机下沉速度等于6 m/s时，起落架缓冲器效率提高21.94%，最大轴向力减小24.90%；在飞机下沉速度等于4.5 m/s或3.05 m/s时，起落架都具有良好的缓冲┬阅.

关键词：舰载机； 起落架； 缓冲性能； 落震； 油针形状； 设计优化； MSC Adams； iSIGHT

中图分类号：V226; O241.82; TB115.2 文献标志码：A

Design optimization on shock absorbing performance of carrier-based aircraft landing gear

CUI Junhua1,2, NIE Hong1, ZHANG Ming1, LIU Gang1, LONG Shuangli1

(1.Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense-Advanced Design Technology of Flight Vehicles,

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;

2.91980 Troop, Yantai 264001, Shandong, China)

Abstract： To improve the shock absorbing performance of carrier-based aircraft landing gear, iSIGHT is taken as a design and simulation platform with combining multi-body system simulation and multi-objective parameter optimization co-simulation analysis, and the parameters are optimized while the multi-body system simulation software is called for simulation and analysis. The stress analysis on shock absorbing system of nose landing gear is performed, and the falling vibration mass solving with the loop-iteration method is optimized by a virtual prototype of falling vibration of landing gear, which is established by MSC Adams/Aircraft for a carrier-based aircraft. Considering the different design requirements of the landing gear shock absorbers between carrier-based aircraft and land-based aircraft, the optimization simulation is performed by MSC Adams/Aircraft which is integrated into iSIGHT with the maximum efficiency and minimum axial force of shock absorber as optimization objectives and the sectional area of pin as design variable. Then the optimal sectional area of pin is obtained, and the effect of pin shape on shock absorbing performance of landing gear is analyzed. The optimization results indicate: when the sinking velocity of aircraft is 6 m/s, the shock absorbing efficiency and the maximum axial force are improved by 21.94% and decreased by 24.90% respectively; when the sinking velocity of aircraft is 4.5 m/s or 3.05 m/s, the landing gear features good shocking absorbing performance.

Key words： carrier-based aircraft; landing gear; shock absorbing performance; falling vibration; pin shape; design optimization; MSC Adams; iSIGHT

0 引 言

航空母舰是舰载机起飞和降落的主要基地.虽然航空母舰很庞大，但可供舰载机起飞、降落的跑道长度有限，同时航空母舰在海浪的作用下产生纵向和横向的摇动以及升沉运动，因此在航空母舰上的起降过程直接威胁舰载机的安全.这也使得舰载机具有一些与陆基飞机不同的设计特点.┆［1-2］

起落架的缓冲性能设计是舰载机起落架设计的核心问题.只有具有良好的缓冲性能，才能使舰载机起落架在着陆、滑跑和地面操纵过程中具有较低的疲劳载荷，较好的稳定性、舒适性和较高的可靠┬.┆［3］起落架缓冲性能的好坏主要取决于缓冲器的设计是否合理，而缓冲器参数配置得恰当与否对缓冲性能起着决定性的影响.┆［4］蔺越国等［5］研究定油孔面积对缓冲支柱性能的影响，并在MSC Adams中对定油孔的截面积进行优化；晋萍等［6］在MSC Adams中对缓冲器的初始压力和初始体积、活塞杆的外截面积、油孔面积以及油针最底端截面半径进行参数优化.通过这些优化工作可提高起落架的缓冲性能，但都属于单目标优化，且自动化程度不高.

本文采用多体系统仿真和多目标参数优化协同仿真分析相结合的思想［7］，即以多目标参数优化软件作为设计和仿真平台，在优化参数的同时，调用多体系统仿真软件进行仿真分析.首先通过MSC Adams/Aircraft建立起落架落震功能虚拟样机，然后在iSIGHT多学科优化平台下集成MSC Adams/Aircraft软件，经优化分析，得油针的最佳形状，最后分析在不同工况下起落架缓冲器的性能.

1 舰载机起落架参数设计

1.1 舰载机起落架缓冲器的特殊设计问题

1.1.1 着舰的下沉速度

舰载机与陆基飞机的起落装置质量差别很大，主要是由飞机的下沉速度Vv差别大引起的，而Vv又是影响起落架性能的主要参数.┆［8-9］因此，在设计舰载机时，Vv的选取至关重要.

在航空母舰上着陆，舰载机的进场下滑角比陆上要大，同时需考虑航空母舰的6种运动.依据美军标MIL-A-8863(ASG)，ИVv=0.036(1.1V┆app-20)+V┆zC(1)И式中：V┆app为飞机的进场速度，km/h；V┆zC为航空母舰俯仰速度的垂直分量，与航空母舰的大小及海况有关，我国一般在6级海况下作业，可取1.5~2.0 ┆m/s.本文采用的某型舰载机的V┆app取225 km/h，V┆zC取1.7 m/s.经计算，Vv=6 m/s.

1.1.2 起落架过载

起落架过载定义为着陆阶段缓冲器最大轴向力与停机状态下缓冲器轴向力之比.舰载机起落架过载定义为Иn┆LG=0.9AS/(SWL)(2)И式中：AS为着舰动能，J；S为总压缩行程；缥缓冲器系统效率»WL为着陆质量.

1.2 起落架缓冲系统受力分析

1.2.1 缓冲器轴向力

1.2.2 轮胎垂直反力

2 虚拟样机的建立

2.1 模型的建立

利用MSC Adams/Aircraft，建立舰载机起落架模型.起落架悬架子系统建立流程见图1.

图 1 起落架悬架子系统建立流程

Fig.1 Building process of landing gear suspension

subsystem

首先在Template模式下建立起落架悬架模板和轮胎模板，然后在Standard模式下建立子系统，最后通过建立的子系统建立前起落架落震仿真模型，见图2.

图 2 前起落架落震仿真模型

Fig.2 Falling vibration simulation model of

nose landing gear

2.2 落震试验的填充参数

在落震试验中有2个重要的参数：投放高度和有效投放质量.投放高度H指机轮下缘到模拟平台表面的距离，根据规范规定的下沉速度值［10］进行计算，ИH=V2v/(2g)(10)И式中：g为重力加速度.

落震试验的有效投放重量Mt┆［11］指吊篮、夹具、起落架、配重及其附加重量集合的总落体重量，ИMt=M┆dlH+(1－CL)ycH+yc(11)И式中：CL为升力因数，根据CCAR-25与GJB67.9―1985的规定，CL=1；yc为轮胎压缩量加缓冲器压缩量，即上、下部质量总位移；M┆dl为起落架的当量载荷：对于前起落架，可根据重心前后限计算得到，对于主起落架，为着陆质量的一半.

由于试验前不能精确给出yc，试验中yc随Mt增加而增加，试验时需调整，直至满足式(11)为止，即满足试验落体功量与设计要求的缓冲系统吸收功量偏差不大于规定值为止.本文的优化流程通过Loop循环反复迭代的求解方法，使前、后2次迭代结果计算得到yc之差的绝对值小于0.001 m.

3 优化模型和优化流程的建立

3.1 优化模型

3.1.1 设计变量

以油针的截面积为设计变量，即选取A0～A6为设计变量，见图3.图 3 油针轮廓示意

Fig.3 Sketch profile of pin

起落架采用装有油针的变油孔缓冲器，油针的横截面积为圆形截面，则油孔面积ИAd=A┆d0-Ap(12)И式中：Ad0为定油孔面积；Ap为油针截面积.

优化前油针的形状数据见表1.由表1和式(13)可得油针的实际形状.

3.1.3 约束条件

(1)正反行程总时间.缓冲器应能吸收由重复冲击引起的振动，并防止反行程剧烈反弹引起机轮跳离地面的情况.因此，在正行程与反行程中消耗功量应占缓冲器所吸收功量的80%左右，即正行程与反行程的总时间Иt≤0.8 s(14)И(2)轮胎吸收能量.为防止反行程时由于轮胎的剧烈反弹引起机轮跳离地面的情况，应要求轮胎吸收的能量Etire不超过总冲击能量Esys的25%，一般在10%，即ИE┆tire

以建立的优化模型为例，基于iSIGHT集成MSC Adams/Aircraft建立起落架缓冲性能优化流程，见图4.

图 4 优化流程

Fig.4 Optimization process

在优化流程进行工作时，相关参数需在各模块间传递.为保证参数传递的准确性，需在各模块间建立相关的参数映射.一般而言，变量名相同的参数之间可自动映射；不同名的同级参数若要映射，需通过上一级实现.部分参数映射关系见图5.

图 5 参数映射示意

Fig.5 Parameter mapping

3.3 优化算法

本文采用的多目标遗传算法［13］是模拟生物界自然选择和遗传的启发式随机搜索算法，非常适合求解多目标优化问题.遗传算法的基本特点是多方向和全局搜索，操作对象为一组个体.这种从种群到种群的方法，使得遗传多目标优化算法运行一次就能找到多目标优化问题的几个Pareto最优解，而传统优化方法可能需要进行很多次的运算才能达到这样的效果.本文采用非劣分类遗传算法NSGA-II，其为NSGA的改良版. 相对于NSGA，NSGA-Ⅱ使用快速非支配排序算法，能有效降低计算的时间复杂度，提高算法效率.┆［14-15］

4 优化及结果分析

4.1 最大下沉速度下起落架缓冲器性能

以上述虚拟样机为基础，利用建立的优化模型和流程，以油针的横截面积为设计变量，缓冲器轴向力和缓冲器效率为目标函数，正反行程总时间、轮胎吸收的能量、使用行程为约束条件，采用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化，获得最优解.目标函数的变化趋势见图6和7.

图 6 缓冲器最大轴向力监视器

Fig.6 Monitor of maximum axial force of shock absorber

图 7 缓冲器效率监视器

Fig.7 Monitor of shock absorber efficiency

优化后油针的形状数据见表2.优化前、后最大下沉速度下仿真结果对比见表3.可知，优化后的最大轴向力减少21.94%，且轴向力趋于恒定，有利于延长起落架的寿命，缓冲器的效率提高24.90%.此外，正反行程总时间t=0.725 s≤0.8 s，缓冲器系统吸收的能量Esys=84.10 %，轮胎吸收能量Etire=11.99%，小于0.25Esys，符合约束条件.优化前、后的缓冲器功量图对比见图8，可知优化后的功量图比优化前更加饱满，变化趋势更加平稳，表明起落架缓冲器的缓冲性能明显提高.

4.2 不同下沉速度下起落架缓冲器性能

设计舰载机起落架时，所用的下沉速度是舰载机的最大下沉速度，这样的设计主要出于安全考虑.但是，舰载机实际下沉速度往往达不到最大下沉速度，因此需检验起落架在小于下沉速度情况下是否具有良好的缓冲性能.

在Vv=3.05 m/s和4.5 m/s的情况下，利用iSIGHT优化流程里的Loop循环求出不同Vv对应的投放质量，然后在MSC Adams/Aircraft模块里进行落震仿真，得起落架的功量图，见图9.

图 9 不同下沉速度下缓冲器功量对比

Fig.9 Comparison of energy of shock absorber in

different sinking velocity

由图9可知，在不同下沉速度下，优化前较优化后功量图更加饱满，变化也更为平缓，表明该起落架在不同下沉速度下都具有良好的缓冲性能.由表4可知，在满足约束条件时，不同工况下的最大轴向力明显减少，缓冲器效率明显增加，且随着下沉速度的减少，最大轴向力也在减少：当Vv=3.05 m/s时，缓

5 结 论

建立某型舰载机前起落架模型，以iSIGHT集成MSC Adams/Aircraft的方法建立优化仿真流程，通过Loop循环快而准确地求解落震投放质量，经过优化仿真分析，得以下结论：

(1)进行油针优化计算研究，经仿真得到油针的最佳几何形状，由结果可知，此优化有效降低缓冲器的轴向力，提高缓冲器的效率；

(2)分析舰载机与陆基飞机起落架不同的设计特点，为舰载机起落架的设计提供参考.

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