A320起落架设计与反设计及收放运动分析 - 图文

本科毕业设计论文

本科毕业设计论文

题 目 A320飞机起落架设计与反设计及收放运动仿真

专业名称 飞行器设计与工程

学生姓名

指导教师

毕业时间

本科毕业设计论文

毕业 任务书

设计 论文 一、题目

A320飞机起落架设计与反设计及收放运动仿真

二、研究主要内容

起落架系统是飞机的关键部件之一，其工作性能直接影响到飞机起飞、着陆性能与飞行安全。在现代飞机起落架的各个工作部件中，收放机构在使用中发生失效的概率高达34.4%。因此，开展起落架收放系统的研究具有重大意义。

本文首先总结了起落架的各种结构形式及收放方式，并针对A320飞机起落架的收放机构进行了功能原理和收放运动分析；然后应用CATIA建立了A320飞机起落架的零部件的三维模型，并进行了装配，完成了该飞机起落架的数字样机模型；接着以虚拟样机技术的相关理论和功能虚拟样机的实现过程为基础，结合多体运动学和多体动力学基本理论，运用LMS软件的Motion模块对该飞机的起落架进行了运动学仿真和动力学仿真，并针对仿真结果进行了相应分析；最后应用CATIA建立了A320飞机全机的三维模型，结合已经建好的起落架模型，利用LMS软件实现A320飞机滑跑过程的仿真。研究结果对飞机起落架的运动学和动力学分析和设计具有实际意义和工程参考价值。

三、主要技术指标

熟悉起落架的各种结构形式及收放方式，尤其是A320飞机起落架的收放机构的功能原理和收放运动过程；

掌握软件CATIA和LMS的应用，熟悉结合多个设计平台的设计方法； 掌握多体运动学和多体动力学的基础理论和基本理论；

根据模型参数，对A320飞机起落架系统进行多体运动学仿真，并对仿真结果进行分析；

根据模型参数，对A320飞机起落架系统进行多体运动学仿真，主要对针对气动阻力的影响进行分析；

根据A320全机尺寸参数及重量参数，进行全机滑跑仿真并获得全机震动曲线。

四、进度和要求

第5周～第6周：查阅相关资料，翻译英文资料，学习CATIA软件；

本科毕业设计论文

第7周～第8周：归纳总结所查阅的资料，了解起落架结构形式及收放方式，其是A320飞机起落架的收放机构的功能原理和收放运动；

第9周～第10周：A320飞机前起落架和主起落架的CATIA模型构建，同时学习LMS软件；

第11周～第12周：A320飞机起落架系统仿真模型的建立及运动学与动力学仿真；

第13周～第14周：针对起落架运动学和动力学仿真结果的分析，全机滑跑仿真模型的建立和仿真及仿真结果的分析；

第15周～第16周：整理分析，得出结论，毕业设计小节。

五、主要参考书及参考资料

[1] 李为吉.飞行器总体设计[M].西安:西北工业大学出版社，2004年.

[2] 飞机设计手册总编委员会编.飞机设计手册第14册起飞着陆系统设计[M].北京:航空工业出版社,2003.

[3] Heiner Dupow,Gordon Blount.A review of reliability prediction[J].Aircraft Engineering and Aerospace Technology,1997,69(4):356~362.

[4] 朱林,孔凡让,伊成龙等.基于仿真计算的某型飞机起落架收放机构的仿真研究[J].中国机械工程,18卷第1期,2007.1.

[5] 史永胜,宋云学.飞机起落架设计专家系统研究[J].飞机设计,1999，13（4）：19-23页.

[6] 林海.飞机接地动态特性研究[J].国外试飞.1995,12(6):28-36页. [7] 宋静波.飞机构造基础[m].北京：航空工业出版社：2004. [8] 诺曼·斯·柯里.起落架设计手册[m].北京：航空工业出版社. [9] 李学志,李岩松.CATIA实用教程[M].北京:清华大学出版社，2006.

[10] 高利,迟毅林,曾谢华.虚拟产品开放中的虚拟样机技术和数字样机技术[J].机械研究及应用18卷第5期，2005.10.

[11] 王裕昌.对我国以往常用起落架载荷谱存在问题的探索[J].航空学报,北京:航

空工业出版社，2003.

[12] 陈琳.飞机起落架收放运动与动态性能仿真分析[D].南京：南京航空航天大

学，2007.6；

[13] http://www.lmschina.com.

学生 ___________ 指导教师 ___________ 系主任 ___________

本科毕业设计论文

摘 要

起落架系统是飞机的关键部件之一，其工作性能直接影响到飞机起飞、着陆性能与飞行安全。在现代飞机起落架的各个工作部件中，收放机构在使用中发生失效的概率高达34.4%。因此，开展起落架收放系统的研究具有重大意义。运用仿真技术分析飞机起落架的运动学和动力学特性，对于降低飞机研发成本，提高飞机性能具有十分重要的工程意义。

本文以空客A320飞机起落架为对象，分析了A320飞机起落架的功能原理及收放运动；通过应用虚拟样机技术研究了起落架收放运动的运动学和动力学特性，并进行了整机滑跑仿真。

应用CATIA建立了A320飞机起落架的数字样机和收放运动学分析模型，并且建立了全机外形三维模型。基于CATIA和LMS软件，以A320飞机起落架为对象进行了收放运动学仿真分析和动力学仿真分析，最后进行了全机滑跑仿真。

分析了起落架在收放运动过程中所受的各项载荷，并根据各载荷影响的大小和仿真的条件对其进行了简化，利用LMS软件重点分析了气动阻力对收放运动的影响，研究结果对飞机起落架的运动学和动力学分析和设计具有实际意义和工程参考价值。

关键词：起落架，A320，收放系统，LMS，仿真分析

本科毕业设计论文

ABSTRACT

The landing gear system is the key components of aircraft, whose working performance directly affects the flying security and the performance of aircraft’s take off. During all the modern aircraft’s components, the disabled probability of the retraction system has been up to 34.4%.Thus, it’s meaningful to study the retraction system. It is very significative in the project for reducing costs of aircraft research and development and improving the performance of the aircraft to analyze the kinematics and dynamics characteristics of aircraft landing gear retraction system by using simulation technology.

This paper took the landing gear system of A320 aircraft as the object to analyze the principle of function and retractable movement; then, in terms of VPT, this paper analyze the kinematics and dynamics characteristics of aircraft landing gear retraction system; at last, carry on the aircraft ground run simulation.

The kinematical model of the aircraft retraction system and the entire aircraft contour three-dimensional model was built in CATIA. Based on CATIA and LMS software, taking the A320 aircraft as the object, the paper carry on the kinematics simulation analysis and dynamics simulation analysis of the retraction and extension movement, finally carry on the entire aircraft ground run simulation.

The loads during the retraction and extension process of landing gear are list and calculated, and then some loads that have more important effect on the system are selected and their effect is analyzed with some function of software LMS. For example, the aerodynamic load. The analysis above is of actual and referenced value for kinematics and dynamics analysis and the design of landing gear retraction system.

Key Word: landing gear, A320, retraction system, LMS, simulation analysis

本科毕业设计论文

目 录

第一章 绪论.................................................................................................................. 6

1.1工程背景.......................................................................................................... 8

1.1.1可收放式起落架及其安全性............................................................... 8 1.1.2起落架现代设计技术........................................................................... 8 1.2国内外研究现状.............................................................................................. 9 1.3本文研究内容................................................................................................ 11 第二章 可收放起落架及其运动分析........................................................................ 12

2.1起落架结构形式简介.................................................................................... 12 2.2起落架收放方式............................................................................................ 13

2.2.1.主起落架收放方式............................................................................. 13 2.2.2前、后起落架收放方式..................................................................... 14 2.3 A320飞机起落架分析 .................................................................................. 14

2.3.1 A320飞机起落架概述 ....................................................................... 14 2.3.2 A320飞机起落架收放运动分析 ....................................................... 17 2.4小结................................................................................................................ 19 第三章 起落架数字样机的建立................................................................................ 20

3.1数字样机技术................................................................................................ 20 3.2 CATIA V5简介 ............................................................................................. 21 3.3起落架数字样机............................................................................................ 22

3.3.1.零件建模............................................................................................. 22 3.3.2.装配..................................................................................................... 28 3.4 小结............................................................................................................... 30 第四章 A320起落架运动学仿真.............................................................................. 31

4.1 多体运动学简介........................................................................................... 31

4.1.1多体运动学基础理论......................................................................... 31 4.1.2 多体运动学基本理论........................................................................ 33

本科毕业设计论文

4.2 LMS Virtual.lab简介 .................................................................................... 34 4.3A320起落架多体运动学仿真....................................................................... 35

4.3.1.A320前起落架运动仿真................................................................... 36 4.3.2A320主起落架运动仿真.................................................................... 42 4.5小结................................................................................................................ 46 第五章 A320起落架动力学仿真.............................................................................. 47

5.1 多体动力学基本理论................................................................................... 47 5.2 A320起落架多体动力学仿真 ...................................................................... 48

5.2.1.............................................................................................................. 48 5.2.2载荷加载............................................................................................. 53 5.3动力学仿真分析............................................................................................ 56

5.3.1前起落架动力学仿真分析................................................................. 56 5.3.2主起落架动力学仿真分析................................................................. 58 5.4小结................................................................................................................ 60 第六章 A320全机滑跑仿真...................................................................................... 61

6.1 A320飞机全机外形建模 .............................................................................. 61

6.1.1A320飞机全机外形建模.................................................................... 61 6.1.2全机装配............................................................................................. 62 6.2起落架轮胎力及减震器设置........................................................................ 63

6.2.1起落架轮胎力设置............................................................................. 63 6.2.2起落架减震器设置............................................................................. 64 6.3全机滑跑模拟................................................................................................ 66 6.4小结................................................................................................................ 68 第七章 总结与展望.................................................................................................... 69

7.1工作总结........................................................................................................ 69 7.2研究展望........................................................................................................ 69 参考文献...................................................................................................................... 71

本科毕业设计论文

第一章 绪论

1.1工程背景

1.1.1可收放式起落架及其安全性

为了减小飞行中的阻力，现代飞机的起落架通常是可收放的。即在起飞后，将起落架收入飞机内部（机翼或机身内）并关闭起落架舱；着陆前，再放下起落架，将之固定在一定的位置并可靠地锁住。主起落架收放的基本形式有沿翼展方向收放和沿翼弦方向收放两种[1]，而前起落架一般沿机身方向顺风收起。收放任务由收放执行机构完成，它的作用是按指定的运动形式，将起落架准确地收或放到飞机上的指定部位，收放机构一般采用四连杆机构。

在我国，飞机结构的合理性、安全性一直受到包括飞机行业政府部门、飞机生产企业和普通乘客在内的共同关注。一方面，政府部门制定了强制性的飞机设计安全法规；另一方面，广大乘客在乘坐飞机时，将其安全性作为重点考虑的内容。

现代飞机起落架系统在飞机的所有工作部件中起着至关重要的作用，其工作状态直接影响到飞机起飞、着陆性能的实现与飞行安全。由于现代飞机空地循环周期缩短，寿命期内地面运动距离增长，因而致使起落架结构所承受的动载荷较大，造成系统工作环境复杂，出现故障较多。在现代飞机起落架的各个工作部件中，收放机构在使用中发生失效的概率是比较高的。现代飞机起落架收放机构常见故障有：收放机构（特别是连接部位）出现疲劳裂纹；减震装置密封损坏而漏油泄气，使减震性能下降而载荷增大；收放机构变形过大导致卡阻；位置锁失效而无法上锁等等。例如：1998年9月10日。中国东方航空公司MD-11型2173号飞机在前起落架无法放下的情况下，在上海虹桥机场喷洒泡沫灭火剂的跑道上实施迫降，飞机损坏。经调查研究发现：因为收放机构中的构件损伤而导致起落架放不到位，致使飞机迫降事故发生的概率为34.4%[2][4]。另据资料统计，1993-2003年十年间，各类飞机因起落架系统故障引起的飞行不正常事件占不正常飞行事件总数的15%，而其中因起落架收放系统故障引起的事故就占到了23%[3]。基于上述现状，进一步加深对起落架收放系统的研究显迫切而重要。

1.1.2起落架现代设计技术

我国飞机起落架型号的研制，大多仍采用传统的仿制和测绘改型设计方法,尤其在收放系统设计中，干涉、动力学分析等因素显得不太重要，因而基本不予

本科毕业设计论文

考虑。近年来，伴随着我国新机种的设计，国内开始自行设计起落架系统，尤其是大型飞机的起落架系统。但目前起落架型号研制从设计、试验、定型，到通过试飞条件下的极其严格的考核，平均需五至十年，要经过许多次设计修改循环，而目前美欧国家新型起落架型号平均只需二至三年，一种起落架改型甚至只要六个月就可基本完成，造成这种研制周期的差异的主要原因是国外普遍采用了起落架现代设计技术。

现代设计技术是由设计方法学、优化设计技术、有限元技术、控制技术、系统仿真技术及CAD技术等基础技术组成的。CAD技术经过了三十多年的开发，已越来越成熟,像CATIA、UG、PRO/E那样的大型集成CAD支撑系统已能实现三维造型、有限元分析、优化计算、绘图、数控加工编程一体化，使设计、分析、试验和制造的全过程中的所有工作能同时完成。更有了像LMS Virtual.lab、ADAMS那样的机械系统运动学/动力学模拟与仿真、优化软件包，可分析、优化机械产品性能。根据国际权威人士对机械工程领域产品性能试验和研究开发手段的统计和预测，传统的机械系统实物试验研究方法，将在很大程度上会被迅速发展起来的计算机数字化仿真技术取代。起落架现代设计技术是以“起落架现代设计理论与现代设计方法(例如动态优化设计、有限元、仿真、可靠性技术、控制技术等)”为基础，以“计算机及CAD”为工具，以“实现起落架设计自动化、优化起落架整体性能为目标”的综合技术。

发达国家对于起落架收放系统的研究比较成熟，设计过程采用了一些功能强大的仿真软件，因而能够对起落架收放系统分析得较为全面。例如世界上最大的起落架系统供应商Goodrich公司与LMS美国的工程咨询部合作，为空客A380的Goodrich起落架实现模态试验。起落架装置模态振型的选取中，通过LMS Test.Lab显示所有的测量FRF的求和，能够快速了解模态共振的情况。根据采集获取的数据，使用LMS独特的LMS PolyMAX能够提取相互独立的模态参数，然后这些模态参数通过计算能够拟合出频响函数。在测量的频响函数和拟合频响函数之间具有很好的相关性，LMS模态分析方法能够精确地重建测量获得FRF。由LMS公司对起落装置系统进行试验模态分析，这使得Goodrich公司能够验证相当复杂的机械系统的有限元模型。

关于收放系统的设计和分析，现阶段在我国主要还是采用传统的方法，尚未有通过LMS软件建立对应真实物理部件的动力学仿真模型。目前国内的许多科研院所也开始引进LMS，应用于解决起落架及其它动力学系统的工程设计及分析。

1.2国内外研究现状

起落架的收放机构运动复杂，起落架的收放，上、下位锁开锁和上锁，舱门的打开和关闭等均要正确匹配和协调，否则将会发生飞行事故。

本科毕业设计论文

我国开展了与起落架现代设计技术密切相关的专题研究，并取得了一大批研究成果，其中有些达到世界先进水平，如变油孔双腔缓冲器设计技术，飞机前轮防摆技术，飞机地面运动动力学分析技术，长寿命、高可靠性起落架设计及寿命评估技术，起落架结构优化设计技术，起落架收放系统仿真分析技术，起落架主动控制技术等，这些成果部分地应用于型号研制中，并取得了一定效果。许多学者与研究生在理论方面也开展了一系列研究工作。《起落架设计与评定技术指南》集中反应了我国近年来在起落架现代设计理论与方法方面的进展情况。但与国外相比，我国的大量研究成果是分散的，孤立的，没有作为模型、算法或程序模块集成于一套系统中，成为设计师的实用工具，更没有在高水平的硬件与软件平台上形成一套先进、实用、高效的起落架专业CAD/CAE软件系统，因而我国型号研制基本上仍是完全采用传统模式，费时、费力、耗资。

国内起落架的研究软件主要有南京航空航天大学和西北工业大学共同开发的起落架设计分析软件系统LCAE，功能比较强大，能进行结构布局设计、起落架机构运动分析或应力分析、有限元总体应力分析、变形及载荷分析、缓冲性能分析、损伤绒线分析、及破坏危险性分析。可以实现图形及文本的前处理功能、后处理功能、分析程序的过程处理功能。另外还有南京理工大学和沈阳飞机研究所的起落架设计专家系统ALGDES[5]，它能进行结构布局设计和强度分析、系统空间位置造型仿真机干涉分析，它建立了起落架设计的知识表示形式和组织形式，即专家系统。北京航空航天大学和西北工业大学都做过起落架防滑刹车系统的机械装置和仿真软件。有人研究了飞机接地时所受到的加速度的计算方法[6]，介绍了最大过载对飞行、起落架和气动力参数的敏感性。从国外文献上来看，有的从动能的角度研究了起落架摆振，还有的对在各种条件下的起落架性能进行了仿真，主要是在载荷及变形方面给予仿真。

在起落架行业，国外在大力开展起落架理论与专题研究的基础上，发展和推广应用起落架现代设计技术。在与现代设计技术密切相关的起落架专业理论研究方面，国外从六十年代开始，己做了大量专题研究工作[10][11]。如DAUTI等公司从六、七十年代起对起落架结构进行了大量实验与理论研究，在此基础上形成了一套行之有效的规范和方法。美国国家研究委员会(NRC)、朗利(Langly)研究所在七、八十代就已把有限元、模态分析技术、多体动力学和主动控制技术引入起落架问题研制中，提出了一系列新理论与分析方法。在可靠性方面，美、英、德等国的主要起落架生产厂商已分别拥有了自己的起落架可靠性设计体系，并应用于产品研制、生产中。这些起落架专题研究提供的先进理论成果，为国外起落架现代设计技术的开发与应用提供了专业理论支撑。在综合运用起落架先进理论研究成果与一般现代设计技术研究成果的基础上，国外早己开发出了一整套成熟的起落架现代设计技术及相应的起落架专业CAD/CAE一体化软件工具，并已推广应用于起落架产品研制中，取得巨大效益。德国航空宇航研究院在研制起落架中

本科毕业设计论文

就开发与运用了起落架动态仿真与优化CAD/CAE集成软件系统SIMPACK。在研制的初步阶段，根据起落架的设计要求，由起落架的模型库滑跑、刹车、牵引、转弯等方面的动态力学数学模型，用计算机精确地模拟起落架的上述性能(以往都是大量的试验来确定研制中的起落架的性能)，然后再对一些主要部件进行最优设计。由于开发与应用了起落架现代设计技术，研制样品的费用与周期大为降低。意大利DAUTI公司70年代就已建立了起落架CAD/CAE系统，并应用于各种起落架产品研制中。

从检索到的文献来看，在起落架仿真方面的研究主要都是集中在某一个机构或部件上的。比如缓冲器的缓冲性能分析、滑落摆振分析、防滑刹车的研究，但是在起落架一体化的运动特性仿真研究中，各个分布质量所受到的力、速度、加速度的大小等等动力学特性仿真研究却涉及的很少，而这些也是起落架整体特性的关键。有的虽然在起落架一体化仿真方面做过研究，但都仅限于结构布局设计，机构运动分析。

1.3本文研究内容

本文的研究目的是通过现代CAD/CAE 技术，建立一个适用于大型飞机起落架收放运动的运动学与动力学模型和虚拟样机；并利用LMS仿真软件对其进行运动学和动力学仿真分析。

其主要内容有：

1.总结了起落架的各种结构形式及收放方式，针对A320飞机起落架的收放机构进行了功能原理和收放运动分析。

2.应用CATIA建立了A320飞机起落架的零部件的三维模型，并进行了装配，完成了该飞机起落架的数字样机模型.

3.以虚拟样机技术的相关理论和功能虚拟样机的实现过程为基础，结合多体运动学和多体动力学基本理论，运用LMS软件的Motion模块对该飞机的起落架进行了运动学仿真和动力学仿真，并针对仿真结果进行了相应分析。

4.应用CATIA建立了A320飞机全机的三维模型，结合已经建好的起落架模型，利用LMS软件实现A320飞机滑跑过程的仿真。

5.总结本文的工作，并提出进一步研究的方向。

本科毕业设计论文

第二章 可收放起落架及其运动分析

2.1起落架结构形式简介

起落架的结构形式一般有以下几种：有尾部旋转支点的后二点起落架，其主要载荷位于飞机重心前面的两个主轮上；有前旋转支点的前二点起落架，其主要载荷位于飞机重心后面的两个主轮上；左右翼尖下有护翼轮的自行车式起落架，在飞机对称面内重心前后各有一副主起落架。有尾轮的后三点起落架，在螺旋桨飞机上易于配置，便于利用气动阻力使飞机着陆减速，构造简单、重量较轻，其主要缺点是飞机在地面滑跑的稳定性较差，如果操纵不当飞机容易打转[1]。此外，要求飞机三点接地着陆时，操纵比较困难。有前轮的前三点起落架，飞机纵轴线接近水平位置，驾驶员视界好，滑跑阻力小，起飞加速快。此外地面运动的方向稳定性好，滑行中即使重刹车也不容易翻转和倒立，着陆时两主轮先接地也易于操纵，其主要缺点是容易发生前轮摆振。自行车式起落架主要依靠两个主起落架承载和滑行，辅助用的护翼轮可以使飞机在停放时保持稳定。此种形式的起落架是为了解决机翼厚弦比不断减小，尺寸较大的主起落架难于收入机翼内这一困难而发展起来的，由于前面主轮承载较大，起飞离地比较困难。

起落架是飞机的起飞着陆装置，主要用于飞机的起飞、着陆、地面滑跑和地面停放。飞机在起飞滑跑、着陆接地和地面运动时会相对于地面产生不同程度的撞击，起落架应能承受并减缓这种撞击，从而减轻飞机受载。起落架还应使飞机在地面运动时具有良好的操纵性和稳定性。为了降低飞机在飞行时的阻力，起落架通常是可折叠收放的。

起落架的基本功能可归纳如下：

（1)支撑飞机机体，使之便于停放和运动。 （2)通过缓冲器吸收撞击能量。

（3)通过机轮刹车装置吸收水平方向能量。

（4)通过转弯操纵机构或者差动刹车控制飞机转弯和地面运动。 （5)减缓飞机滑跑时由于跑道不平导致的振动。 （6)为地面操纵(牵引、顶吊)提供附件。

其它功能有：通过起落架测量飞机重量与重心，对飞机装载量提供目测指示，通过折叠收放减低气动阻力，在起落架支柱上安装着陆灯，为驾驶员提供收放信号，为舱门机构提供连接凸耳等。

总之，起落架的作用是在飞机着陆运动状态时吸收着陆能量、减缓滑行振动

本科毕业设计论文

以便使乘员不感到不适。

起落架减震系统可减少飞机着陆时和在跑道上滑行时机轮所承受的冲击载荷和颠簸载荷。这个系统包括起落架的缓冲器和机轮轮胎。缓冲器可以是油液的、气体的、橡皮的或弹簧的。现在广泛采用的缓冲器是油气式的，因为它能保证冲击能充分的变换成热能，而且还具有结构紧凑和使用可靠的特点。根据多年的使用经验，不论起落架是属于哪种形式，可对缓冲器提出下列要求:

（1）使作用于飞机结构组件上的载荷降低到最小值，正行程(工作行程)时要使冲击能变换成热能。

（2）在正行程终点之前达到最大值的时候，载荷要均匀平稳的增加。 （3）缓冲器的反行程的时间要短。

应当记住，缓冲器所吸收的能量积蓄成压缩介质的能量时，在卸载之后，会使缓冲器迅速地松开。在这种情况下，起落架元件承受着附加载荷，它对飞机结构是有影响的。因此为减少这些载荷，应使缓冲器所承受的大部分能量能够变换成热，且要被消散掉。

2.2起落架收放方式

飞行速度大十250km/h时的飞机在飞行中起落架要收起，这样可以大大降低飞机的迎风阻力，改善气动性能以及飞行性能。可收放起落架尽管增加了重量，使飞机的结构设计和使用复杂化了，但提高了飞行时的总效率。起落架的收放运动方式和起落架本身及其收放结构越简单，机翼、机身和起落架舱的承力型式也越简单，起落架要求的收放空间就越小，收放起落架就能得到更多的效益。 2.2.1.主起落架收放方式

当主起落架固定在机翼上时，它可以沿展向或弦向收放。

沿展向收起有以下几种方式[7][8]：

(1)机轮往机身方向运动，这种方式常用于机翼根部结构高度可以容纳机轮的情况。

(2)机轮远离机身方向运动，这种方式适合小机轮起落架。当处于收上位置时，质量外移，使飞机的机动性能变坏。这种方式的收放机构也比其他方式要复杂，因此较少使用。

(3)机轮往机身方向运动并将机轮收入机身中，这种方式多用于下单翼飞机，更适合于带小车式的主起落架的收放。

(4)机轮往机身方向运动，将机轮收入机身中并使机轮转向，这种方式用在高速薄机翼飞机上，因为机轮放不进机翼中。由于带了机轮转向机构，其结构较为复杂。沿弦向方向收起方式有两种:机轮向后运动和机轮向前运动。

本科毕业设计论文

2.2.2前、后起落架收放方式

前、后起落架支柱通过机轮的向前和向后运动收入机身中，后支柱经常向后运动收入机身尾部整流罩中。在选择前起落架支柱收放方向时除了要考虑总体布局外，还必须考虑尽量减小飞机重心位置改变的要求。

2.3 A320飞机起落架分析

2.3.1 A320飞机起落架概述

空客A320起落架，该起落架为常规前三点可收放式，由一个前起落架和两个主起落架组成。起落架可起降60000次。生命周期的耐久性设计参照于FAR和JAR(不考虑损伤容限)，主起落架的检修相隔时间是20000次着陆或者10年。起落架的操控由传感器和两套独立的起落架控制单元电脑(LGCIU)电传操纵。

前起落架装有油液氮气式缓冲支柱和一对机轮。机轮为双轮连锁形式。为了改善飞机滑行时的灵活性，前起落架机轮是可操纵的。当起落架离开地面时，机轮在纠偏机构的作用下回到中立位置。每个主起落架装有油液氮气式缓冲支柱和一对机轮，其中每个机轮有一个液压刹车装置。前、主起落架的正常收放用液压系统进行，在飞行中均收到机身内。如图2-1。

图 2-1 A320飞机起落架总体布局外形

空客A320飞机飞机起落架具有如下特点： （1）常规前三点式起落架，直接作用式油气缓冲器。 （2）主起落架侧向收起，前起落架前向收起。

（3）两套起落架交互式控制单元（LGCIU）的电传操纵。 （4）具有自由放下／液压驱动应急弹下两种模式。 （5）对起落架的回收释放进行交互式使用。

（6）一套LGCIU系统失灵，另一套系统可切换控制。

本科毕业设计论文

（7）在速度高于260节时通过液压来自动使起落架降压以防止变速杆卡在中性位置。

（8）利用新型探测器来代替微型开关来进行位置传感。 左右轮距：7.59m，如图2-2。

图2-2 主起落架左右轮距

前后轮距：11.04m，如图2-3。

图2-3 A320飞机前后轮距

A320飞机起落架系统包括： (1)两个主起落架和它们相应的舱门。 (2)一个前起落架和它相应的舱门。

(3)两个与起落架和它们的舱门相对应的收放系统。 (4)起落架机轮和它们相应的刹车系统。 (5)一个前起落架转向系统。 (6)一个指示和警告系统。

飞机在地面上时由起落架支撑，由减震器吸收飞机的着陆和滑行相关载荷。在飞行过程中，起落架收入飞机腹部的起落架舱内。当起落架放下或者收入的时候其相关的舱门会关上以便使飞机保持较好的气动外形。

本科毕业设计论文

A.主起落架和舱门

主起落架的主作动筒由高强度钢(300M)锻造而成，侧撑杆和连杆锁的材质是轻铝(7010)，轮轴直接与拉杆相连，整体材料为300M，作防腐蚀处理。由两部分组成的侧撑杆使主起落架保持在放下的位置。连杆锁使侧撑杆稳定在下位锁的位置。

每个主起落架包含一个装有减震器的主起落架支柱支柱内装有油气式减震器，采用双缸独立活塞，两个动态密封器(一个备用)安装在主作动筒下方,缓冲液用的是MIL-H5606-B(空气3520)。一个缓冲器安装在扭矩杆中间，以减缓与吸收横向振动。起落架收入起落架舱内的可用空间。 三个舱门关闭各自的主起落架舱空间（图2-4）。包括： (1)一个液压操纵的主门。 (2)一个机械操纵的铰接门。 (3)一个主起落架支柱上的整流罩。

图2-4 主起落架及舱门

B.前起落架和舱门

前起落架主作动筒和侧支柱上部的材质是轻铝(7010)，侧支柱下部和减震器使用的是高强度钢(300M)。轮轴直接与拉杆相连，整体材料为300M，防腐蚀处理。侧支柱和一个锁支柱将起落架支柱固定在放下的位置。

支柱内装有单腔油气式减震器，没有油氮分离活塞。减摆缓冲器由液压单独驱动，同时该液压作动器提供前轮转向时的驱动力，是起落架支柱内液压转向机

本科毕业设计论文

构。前起落架向前收入机身的空间内。

四个舱门和一个整流罩封闭前起落架舱空间（图2-5）。包括： (1)两个液压操纵的前门。 (2)两个机械操纵的后门。

(3)一个固定在前起落架上的整流罩。

图2-5 前起落架及舱门

C.转向系统

转向系统由刹车/转弯控制组件控制。当飞机在地面移动时，通过转向系统改变移动方向。转向系统使用液压操纵改变前起落架机轮方向的转向机构。 此外，A320飞机起落架系统还包括收放系统、刹车机轮系统以及指示和报警系统。

2.3.2 A320飞机起落架收放运动分析 A.主起落架收放运动：

在起飞过程中主起落架上的载荷逐渐减少。飞机起飞过程中，减震器会逐渐伸长，使得支柱轴向的长度增加。这使飞机在起飞过程中以大迎角滑行。

当起落架要向上收起的时候，液压操纵门会打开，以便起落架收入起落架舱。下位锁作动筒将锁支柱解锁，主起落架作动筒将主起落架收入起落架舱。在起落架收回过程中，刹车/转向控制组件会自动地进行短时间的刹车,这样可以阻止刹车机轮在收入起落架舱前的旋转。在主起落架锁入主起落架舱之后，液压操纵门会关闭。

当起落架要放下的的时候，液压操纵门会先打开。收回的作动筒会伸展使起

本科毕业设计论文

落架支柱放下伸出。侧边支柱和锁支柱会移到正中位置上面使起落架在放下位置锁住。在起落架放下之后门会关上。起落架放下之后减震器吸收着陆载荷。如图2-6所示：

图2-6主起落架收放示意图

B.前起落架收放运动：

当起飞时前起落架机轮离开地面，减震器会伸长。支柱内的凸轮会确保机轮在正中位置。当减震器完全伸长，刹车/转向控制组件会防止转向机构的转向输出。

当起落架要向上收起时，液压操纵门会先打开。前起落架下位锁作动筒使锁支柱解锁。前起落架收回的时候阻力撑杆会折叠起来。当起落架支柱收回的时候，支柱上的轴联器会切断转向系统的液压源。当前起落架进入起落架舱的时候，反旋制动阀会阻止机轮的旋转。在起落架在舱内锁住后，液压操纵门会关上。如图2-7所示：

本科毕业设计论文

如图2-7 前起落架收放示意图

2.4小结

本章首先总结了起落架的各种结构形式，分别概括了主起落架和前起落架的收放方式。然后具体介绍了A320飞机起落架的组成，并针对A320飞机起落架的收放机构进行了功能原理和运动分析。

本科毕业设计论文

第三章 起落架数字样机的建立

3.1数字样机技术

当今新产品更新换代迅速，新产品研制周期大幅度缩短，各种新产品开发技术应运而生。信息技术和领域知识相结合的数字样机(Digital Mock up—DMU)开发支持技术在产品创新设计中的大量应用，推动了全球制造业和新产品开发技术的迅速发展。

数字样机技术是建立在采用信息技术完成产品整个开发过程基础之上的一套综合技术。工程师完全在计算机上建立数字化产品模型，从工业设计开始到产品工程化设计、工艺工装设计的全过程，采用三维数学模型进行产品的设计、评估、修改和完善，并采用数字样机尽可能多地来代替原来的实物样机试验，在数字状态下仿真计算，然后再对原设计重新进行组合或者改进。因此，这样常常只需要制作一次最终的实物样机，就可使新产品开发获得一次成功[12]。

数字样机技术的技术构成特点主要包括以下几个方面： 1.三维CAD建模技术进行虚拟产品开发

首先要用几何形体来描述零部件的结构特征和装配关系，这就是三维CAD建模，也称数字样机的几何表达。在数字样机几何表达的过程中，不仅要关心零部件几何形体表示的最终结果，还要关心几何建模的过程和三维数据的存储结构。数字样机的几何表达是一个基于产品层次结构的树状关系模型，它描述整个产品的装配信息、功能信息、运动关系信息、配合关系信息及产品中各零部件的设计参数、工程语义约束。 2.数字样机的数字仿真分析技术

仿真分析有广义和狭义之分。广义的分析包括产品的运动学、静力学、动力学、热力学、流体力学、声学及电磁场等多物理场偶合方面的仿真分析，并用试验结果加以验证。狭义的仿真分析简单的指对主模型进行运动学、静力学分析、干涉检查、装配过程分析、机构运动仿真等；狭义的仿真分析用一般的三维CAD系统就能实现，广义的仿真分析则必须采用与CAD系统独立的CAE系统来完成。

3.数字样机的设计过程数据管理

在数字样机设计过程中，人们更关注产品及零部件的设计流程。这一过程在CAD系统中通过设计历史树来实现，历史树记录每一步设计的过程，设计过程与生成的三维数据储存结构相结合，形成专门的数据生成管理系统(DCS)。

本科毕业设计论文

4.可视化协同设计

随着各零部件三维模型的生成，装配模型的规模会迅速增大，以至于给计算机的性能提出更高的要求。为了减轻大型复杂产品的装配设计对硬件的压力，数字样机技术就采用一种支持大装配的可视化协同设计技术，即将分布在异地的零部件3D数据，通过“剥皮”技术将零部件表面的几何信息提取用于装配设计，可压缩原来的3D数据，同时它还能基本保证3D数据的不失真。 本文中将使用CATIA V5 R18进行起落架的零件建模与装配。

3.2 CATIA V5简介

CATIA是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子/电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。其主要用户群为全球70%的航空业、汽车及运输业(克莱斯勒、大众等)、普通消费品(可口可乐、索尼)及电子电器、造船及厂房设计等。

CATIA V5版本是IBM和达索系统公司长期以来在为数字化企业服务过程中不断探索的结晶。CATIA V5是在Windows NT平台和UNIX平台上开发完成的，并在所有所支持的硬件平台上具有统一的数据、功能、版本发放日期、操作环境和应用支持。CATIA V5可以使企业与其用户更加紧密地进行交流与协作，并随着PLM整个过程所涉及更大范围的功能的增加，将会缩短企业的产品上市时间，降低成本，提高企业的竞争力。

CATIA的操作简单易学，熟悉Office的人都可以在CATIA的工作界面下找到相似的地方，例如用户可以很方便的运用鼠标对对象进行移动、复制、粘贴等。在CATIA的开发过程中应用了很多先进技术，比如C++、Java、STEP-SDAI、Visual Basic等，能够自行开发设计出各种功能[9]。

本课题所用的CATIA V5 R18版本，共有13个模块，如表3.1所示：

表 3.1 catia V5 R18 功能模块

序号 1 3 5 7 9 模块名称 基础结构模块 曲面造型模块 AEC工厂 数字模拟 数字制造工艺 序号 2 4 6 8 10 模块名称 机械设计模块 分析与仿真 NC制造 设备与系统 VNC 本科毕业设计论文

11 13 人体工学设计与分析 ENOVIAV5VPM 12 知识工程 在本文中，建立起落架模型时主要使用了机械设计模块中的Part Design和 Assembly Design模块。下面简单介绍这两个模块： 1.零件设计(Part Design)功能

零件设计提供二维草图延伸到三维实体的各种功能，如Loft、旋转成形或扫掠等方式，让平面图形成为三维实体。在可在成形的三维实体上进行挖洞、转孔或倒角等工作。还可建立不同于XY、X、、ZX基准平面的新平面，作为草图所在的平面。

2.装配设计(Assembly Design)功能

一个产品通常都是由多个以上零件组成，简单的产品可能是许多零件组成的单一的装配件，复杂的产品由许多次装配组成，而这些装配有时由其他次装配或零件所构成。装配设计单元的作用就是将零件通过约束条件组合，建构完整的产品，并且可以对此产品进行标注与放置几何特征的操作。装配的重点在于如何适当地利用约束，并掌握自由度（Degree of Freedom）的概念，建立起一个正确装配的产品。

3.3起落架数字样机

目前，数字化产品开发技术已经在航空、汽车、船舶以及一般工业等领域得到了广泛的应用。数字化产品开发技术涉及并行工程、虚拟制造、知识工程和计算机仿真等领域知识。特别是，目前我国的各航空研究所已经在飞机的数字化设计技术领域迈出来一大步。

由于起落架系统相对于飞机全机、汽车等产品较为简单，所包括的零件数量相对较少，所以只需在CATIA V5的平台上建立零件模型，再利用CATIA软件自身所带的Assembly对起落架收放系统进行虚拟装配，下一章中再将起落架的CATIA模型导入LMS,在LMS中进行运动学与动力学仿真分析。

3.3.1.零件建模

A. A320前起落架建模

以A320前起落架为参考建立模型。由于起落架结构的复杂性，通过对起落架各个构件的分析及结合本课题的内容，将前起落架收放系统模型进行简化，由于资料的缺乏，A320起落架的具体参数不得而知，我们只能利用仅有的资料尽可能模拟各个构件都真实的尺寸和形状。具体的模型零部件名称如表3.2:

表3.2 前起落架零部件列表

本科毕业设计论文

序号 1 4 7 10 13 名称 外筒 斜支柱1 接头2 前轮轴 前机轮 序号 2 5 8 11 名称 活塞杆 斜支柱2 锁支柱1 上扭力臂 序号 3 6 9 12 名称 主支柱 接头1 锁支柱2 下扭力臂 在CATIA软件的环境下，进入零件设计模块，根据起落架各个组成部分图纸的设计要求，对各个构件进行建模。建立的起落架的零件如图3.1：

1.外筒 2.活塞杆

图 3.1 前起落架零件图

3.主支柱 4.斜支柱1

5.斜支柱2 6.接头1

本科毕业设计论文

7.接头2 8.锁支柱1

9.锁支柱2 10.前轮轴

图 3.1 前起落架零件图(续)

11.上扭力臂 12.下扭力臂

13.前机轮

图 3.1 前起落架零件图（续）

本科毕业设计论文

B.A320主起落架建模

将主起落架收放系统模型简化成以下几个部分，具体的模型零部件名称如表3.3:

表 3.3主起落架零部件列表

序号 1 4 7 10 13 16 19 名称 外筒 中接头 斜支柱2 锁支柱2 锁接头 下扭力臂 后机轮 序号 2 5 8 11 14 17 名称 活塞杆 转轴1 转轴2 锁外筒 后轮轴 上扭力臂2 序号 3 6 9 12 15 18 名称 支柱 斜支柱1 锁支柱1 锁活塞杆 上扭力臂1 小撑杆 在CATIA软件的环境下，进入零件设计模块，根据起落架各个组成部分图纸的设计要求，对各个构件进行建模。建立的起落架的零件如图3.2：

1.外筒 2.活塞杆

3.支柱 4.中接头

本科毕业设计论文

5.转轴1 6.斜支柱1

7.斜支柱2 8.转轴2

图 3.2 主起落架零件图（续）

9.锁支柱1 10.锁支柱2

11.锁外筒 12.锁活塞杆

本科毕业设计论文

13.锁接头 14.后轮轴

15.上扭力臂 1 16.下扭力臂 图 3.2 主起落架零件图（续）

17.上扭力臂2 18.小撑杆

19.后机轮

本科毕业设计论文

图 3.2 主起落架零件图（续）

3.3.2.装配

在CATIA环境下，进入菜单开始中的Assemble Design，插入已有的上述零件的元件，选择参考面，通过对起落架空间几何关系的分析，对模型中各个元件间设置约束关系，形成一个起落架实体模型。

在起落架收放系统的设计过程中，采用的是自下而上的装配方法。主要思路为在装配设计模块下依次导入设计好的各个零件，边导入边装配，通过添加装配约束将各个零部件组合成装配体。然而，虽然每个零件模型的建立都尽量依据真实的尺寸和形状，在装配过程中还是可能会出现各类问题。比如可能由于尺寸不匹配导致的零件与零件之间发生干涉，装配过程中还可能会出现其它问题如空间位置过约束引起的零件无法安装等，都要对零件进行重新设计、重新装配，出现问题再进行修改。如此重复下去，直到每个零件都符合要求。装配好的起落架模型如图3.3、图3.4、图3.5、图3.6所示。

图 3.3 前起落架装配图

本科毕业设计论文

图 3.4 前起落架装配完成效果图

图 3.5 主起落架装配图

本科毕业设计论文

图 3.6 主起落架装配完成效果图

真实的起落架系统是一个很复杂的系统，在系统组成上还包括刹车/转向系统，收放系统，指示和报警系统等，出于简化的考虑，建模过程中并未建立这些系统的模型，实际上也不可能完全去模拟整个系统。所以上面只针对起落架的机械结构部件进行建模，起落架上的传感器、液压源、电子元器件等均未画出。前起落架的锁结构比较复杂，包含了传感器、弹簧、弹簧片等一系列部件，所以也没有画出。

由于起落架的一些构件的造型还是比较复杂的，比如前起落架和主起落架的主支柱，要尽可能模拟真实的尺寸和形状，并非易事。首先要仔细观察原部件的造型，测量尺寸，然后要确定作图的先后顺序，先拉伸再开槽，还是先开槽再拉伸，得出的造型效果是不一样的，如果处理不当，可能就不是自己想要的效果。进行造型时部件的特征都是基于草图的，所以草图的建立也是很重要的，在哪个面建草图，尺寸多少，什么形状，都是需要自己琢磨的，否则得出的特征就会不尽如人意。在前起和主起的主支柱造型中，笔者着实吃了不少苦头，这两个部件不仅有普通的圆柱体，还有一些曲面，不规则的开槽，圆柱体与长方体的融合，需要自己慢慢试探，不满意重新做，最后才有了一个满意的结果。

3.4 小结

本章论述了数字样机技术的相关理论及特点，并以A320飞机起落架为研究对象，在第二章的基础上，应用CATIA建立了该飞机起落架零部件的三维模型，并在CATIA中完成了该飞机前起落架和主起落架的装配，完成了该飞机的数字样机模型。

本科毕业设计论文

第四章 A320起落架运动学仿真

4.1 多体运动学简介

4.1.1多体运动学基础理论

机构是由运动副将若干个构建连接起来，并通过运动副使构件之间产生相对运动的多体系统，可实现运动、传递力与能量[不过13]。当构件看作刚性时，机构即为多刚体系统；当考虑构件变形时，机构即为多柔体系统。

在国际上，1977年IUTAM“多体动力学研讨会”（Munich FRG）、1983年NATO-NSF-ARD“机械系统动力学计算机分析与优化讲习会”（Iowa，USA）以及1985年IUTAM/IFTOMM“多体系统动力学研讨会”（UDINE，Italy），这三次会议为多体动力学的发展奠定了基础。我国从1986年多刚体系统动力学研讨会（北京），特别是1988年柔体多体系统动力学研讨会（长春）以来，取得长足的进展，并在1922年多体系统动力学理论、计算方法和应用学术会议（上海）奠定了发展的里程碑。目前，柔体多体动力学在航空、航天、机械、车辆和机器人等领域得到了广泛的应用和深入发展。

由于机构是通过运动副连接组成的可动系统，可通过构件及其之间的连接方式来讨论机构的组成特征。根据运动副的自由度可以将其进行分类：

表4-1 运动副类型

运动副自由度 运动副类别 运动副名称 转动自由度 转动副（R） Ⅰ类副 移动副（P） 螺旋副（H） 圆柱副（C） Ⅱ类副 球销副（S’） 平面副（E） Ⅲ类副 销轴圆柱副 球面副（S） 1 0 移动自由度 0 1 螺旋的转动和移动线性相关，为一个自由度 1 2 1 2 3 1 0 2 1 0 本科毕业设计论文

Ⅳ类副 球槽副（SG） Ⅴ类副 球平面副（SE） 3 3 1 2 柱平面副（CE） 2 2 若干构件通过运动副的连接而组成可动构件系统，称为运动链。把运动链中的一个构件固定，该运动链构成机构[13]。机构自由度与机构中活动构件的数目、低副数目和高副数目有关，其公式如下：

F?3n?2pl?ph (4-1)

式中 n为机构中可动构件数目；pl为低副数目；ph为高副数目。 对于空间闭链机构，其自由度为各可动构件自由度之和减去各类运动副提供的约束之和:

pF?6?n?p???i?1fi (4-2)

p其中 n为机构中可动构件数目；p为各类运动副数总和；?fi为各类运动

i?1副自由度数目总和。

对于空间开链机构，可动构件数目与运动副数目相等，即n?p，其自由度为

pF??i?1fi (4-3)

对于单环闭链机构，构件数目等于运动副数目，即N?p，活动构件数目为

n?N?1，则自由度为

pF??i?1fi?6

(4-4) ，其自由度为

(4-5)

对于多环闭链机构，又是可能出现虚约束

pL?0F?L?i?1fi???i?fp?ft??0

i?1式中，??i为各闭环中末杆自由度；fp为消极自由度；ft为局部自由度。

i?1机构学中的一个基本的原理就是机构所采取输入的数目要与机构的自由度

本科毕业设计论文

数目相等，这样机构就能实现确定的运动。当输入数目小于自由度数时，机构不能实现确定的运动；而当输入多于自由度时，机构要发生输入干涉，过多消耗能量，甚至破坏。

当机构的自由度为M，输入数为U，输入的类型就可以分为如下三种： 当U-M>0，超确定输入；

当U-M=0，机构具有确定的输入； 当U-M<0，亚确定输入。

第一种为超确定输入或为冗余输入，1994年在研究多足步行机时，用影响系数理论导出了超确定输入下的协调方程和最优解析方程[self calibration of stewart-gough parallel robot without extra sensors,IEEE Trans. On Robotics & automation,1999]，该方程解决在输入多于自由度的条件下，各个输入的大小如何确定才能既不发生输入干涉又能最优地节省能量。该公式呈显式表达，物理意义明确，计算方便。

第三种为亚确定输入，它的应用已经有很长的历史，很久以前就存在。如前面提到的汽车后桥差速器就是一例。还有很多具有保险性质的机构也设计成亚确定输入方式，为了安全的目的让机构结构上具有2个自由度，而输入只有一个，由于动力学原因，或说动力约束条件，正常工作时只表现为1个自由度，只需1个输入。一旦机构的运动因某种因素突然受阻，驱动力克服动力约束，自动启动另一个自由度，这样机构不至于卡死，保证了机构的安全，这时候就应用了它第2个自由度机构。

4.1.2 多体运动学基本理论

多体运动学分析是研究多体系统工作性能的主要依据之一。多体运动学分析的内容主要是如何求解机构主动构件与输出构件之间的运动关系[15]。主要包括位置分析、速度分析和加速度分析。其中，机构的主动件和输出构件之间的运动关系求解包含两方面的内容：一是已知主动构件的运动规律，求解未知输出构件的运动规律，称之为机构的运动学正解；二是已知输出构件的运动规律，求解未知主动构件的运动规律，称之为机构的运动学逆解。例如位置逆解、速度逆解和加速度逆解等。

（1）位置分析：求解机构的输入构件和输出构件之间的位置关系，是机构运动学分析的最基本任务，也是进行机构速度和加速度分析、工作空间分析、受力分析以及刚度和精度分析的基础。

（2）速度和加速度分析：是机构速度控制、静力分析、动力分析以及误差分析的基础。

本科毕业设计论文

传统的机构分析方法包含了图解法和解析法。由于计算机技术的发展和数学方法的不断完善，解析法发展很快，其与计算机图形技术的结合使得图形法形象直观的特点失去光环。因此解析法正在逐步取代传统的图解法。解析法的关键在于数学方法的选择，采用坐标变换与矩阵运算相结合的方法是运动分析的主要 数学工具。

运动分析时，首先是建立机构的位移方程，然后推导机构的速度方程和加速度方程，运动分析的过程，实质上是建立机构运动的数学模型并求解的过程。 在空间机构的运动分析中，首先按照机构中的主动件和从动件关系，将运动位移方程简化为：

F??,???0 （4-6）

式中，?、?分别为主动件和从动件的角位移。该方程是非线性方程组，该方程的求解也是运动分析中最困难的部分。

对位移方程求导数，可得到速度方程：

?F??????F?????0 （4-7）

速度方程是关于求解未知速度??的线性方程。再对其求一次倒数，可得到加速度方程。加速度方程也是线性方程：

?F??22???2?F??2???2??F????2??????F??22??2??F??2???0? （4-8）

4.2 LMS Virtual.lab简介

LMS Virtual.Lab是世界上第一个功能品质工程集成解决方案，用于振动、噪声、平顺性与操纵稳定性、舒适性、安全性、碰撞、耐久性以及其它关键属性的分析[17]。是LMS公司推出的全球第一个集结构完整性、振动噪声、耐久性、多体动力学、优化为一体的多功能品质仿真平台，真正实现了多属性仿真设计的流程化、一体化。包括所有关健过程步骤及所需的技术，可以早在实物样机出现之前对每个关健属性进行从始至终的评价。同时LMS Virutal.Lab作为一个开放的平台，可以与CAD模型无缝连接，如CATIA,I-DEAS、UniGraphics、 ProENGINEER，消除了CAD，CAE和试验数据的转换瓶颈，为多学科设计分析团队提供一切所需的工具，从而更快地为市场提供更好的产品，同时具备设计流程自动捕捉和管理功能，并完全实现参数驱动。它能成倍提高增值设计时间（Value-Added Time），并且将总体开发周期缩短30－50％，大大提升了设计效率。

本科毕业设计论文

本课题所用的LMS virtual.lab，主要模块如表4.1所示：

表4.1 LMS virtual.lab功能模块

序号 1 3 5 7 模块名称 Motion多体动力学 NVH振动噪声分析 Correlation相关性分析 Optimization优化 序号 2 4 6 模块名称 Acoustics声学 Durability耐久性分析 Structures结构分析

在本文中，起落架运动分析是在LMS virtual.lab Motion多体动力学模块中实现的。下面简单介绍Motion模块:

LMS Virtual.Lab Motion基于LMS Virtual.Lab这一全球第一个多学科功能品质工程平台，很好地解决了以上现今多体仿真中所遇到的疑难。其优异的性能、广泛深入的行业解决方案、开放的平台，不断对最新技术的拓展，使其成为新一代多体动力学软件的代表。

LMS Virtual.Lab Motion是专门为模拟机械系统的真实运动和载荷而设计的。它提供了有效的方法可以快速创建和改进多体模型，有效地重复使用CAD和有限元模型，并能快速反复模拟评价多种设计选择的性能。工程师可以在早期的开发阶段利用灵活可调的模型进行概念上的运动学研究。并在后续阶段中结合试验数据进行更具体的评估。

LMS Virtual.Lab Motion多体动力学作为先进的MBS解决方案，结合了具有自动化程序的集成仿真环境和广泛的应用领域，包括： ·LMS Virtual.Lab Standard Motion 标准动力学 ·LMS Virtual.Lab Powertrain Motion 动力总成动力学 ·LMS Virtual.Lab Suspension Motion 悬架动力学 ·LMS Virtual.Lab Full Vehicle Motion 整车动力学 ·LMS Virtual.Lab Gear Motion 齿轮动力学 ·LMS Virtual.Lab Track Motion 履带动力学

LMS Virtual.Lab Motion多体动力学能够让设计师和工程师真实地仿真整车设计中驾驶的平顺性及操纵的稳定性，新型挖掘机的运转，或者机械开关的可靠性等。此外，仿真结果还可以用于后续的与耐久性或者噪声振动分析相关的研究，例如高精度求解器预测的覆盖整个频率范围的动态内部载荷。

4.3A320起落架多体运动学仿真

下面介绍如何运用LMS软件的Motion模块的来模拟起落架收放系统的运

本科毕业设计论文

动。

图4-1为LMS Motion模块启动后界面图。LMS与CATIA V5 R18无缝集成，整个界面分两部分，上面的Links Manager部分,连接着CATIA模块部分，激活此模块，可以进行CATIA里面的一切操作，如零件设计、草图编辑，装配等。下面的Analysis Model是LMS的模块部分，切换到此模块可以进行运动学仿真的一切操作，如添加运动副，加载驱动，生成曲线等。

图4-1 LMS Motion模块界面图

在LMS的Motion模块中按照 导入模型/装配体→定义体→添加运动副→添加驱动→求解→结果仿真的步骤来模拟起落架收放系统的运动。

4.3.1.A320前起落架运动仿真

首先导入已经建好的起落架零部件模型。不要一次性全部导入，否则可能由于零部件过多造成整个界面的混乱。将插入的零部件再定义成Motion里面的体。

定义体的时候最好最好按由上自下的方法插入部件，部件最好是跟前面插入的部件存在装配关系，这样可以边插入边装配，避免所有部件插入之后再装配造成的混乱。这里并不在CATIA模块进行装配，因为在CATIA模块装配的话可能造成约束关系重复，收放运动时应具备的自由度可能就被约束住了。这些约束在装配时可以随意调整各个零件在装配件中的位置，使装配图能够充分反映各个零件的位置和作用。但在运动模拟时，这些“多余”的约束则会影响起落架收放系统运动过程的模拟，使得模拟过程出错。由于装配过程中的约束凌乱而繁多，所

本科毕业设计论文

以这里选择在创建运动副时再重新生成约束，而不进行单独的装配。

根据A320前起落架收放系统的运动形式和各零件的之间的关系，定义合适的运动副，其中有旋转副、圆柱副、固定副、平移副等21个运动副。所有的运动副都加好后，其自由度应等于2（DOF＝2），装配过程中的各零件之间的约束也同时生成。约束加载完成后的界面如图4-2所示。

图4-2 前起体全部定义完成及约束加载完成后的界面

由于添加运动副形成的约束关系不能完全反映各个零件的位置和约束约束。比如活塞杆和支柱之间是平移副的关系，但是仅添加平移副不能确定活塞杆顶端在支柱内的位置，这时可以使用CATIA里面的操作按钮

进行平移、旋转等操

本科毕业设计论文

作来调整各个构件的位置，为了精确控制某些构件的精确的位置关系，还可以使用CATIA装配约束里面的偏移、角度等约束进行控制。

完成了运动副的创建和起落架各构件位置确定工作后，定义驱动使前起落架完成收放运动。由于前起在收起过程中，减震器会伸长，所以定义两个驱动： 一是使起落架收放的液压作动筒的驱动。因为起落架的收放是一个加速-恒速-减速的过程，为了真实地模拟起落架的收起的过程，这里选择给液压作动筒施加一个作动筒活塞杆沿轴向方向的One-body Velocity Drive，Fuction选择New Spline Curve，Spline Curve参数选择如图4-3，采用线性（linear）插值，这样使作动筒活塞杆的运动同样为一个加速-恒速-减速的过程，显然要比添加作动筒的平移副的恒速驱动要合理。作动筒活塞杆沿轴向方向速度曲线图如图4-4，经过线性插值后，0s和9.5s时刻速度均为0，达到设计要求。

图4-3 前起作动筒Spline Curve Curve Data设置

图4-4 前起作动筒活塞杆沿轴向方向速度曲线图

本科毕业设计论文

二是使减震器伸长的驱动，前起减震器的整个行程为0.43米，起落架收起时伸展行程取为0.14米，驱动添加类型取为Two-Body Position Drive，可以对减震器的伸展行程进行精确地控制，Fuction选择New Spline Curve，Spline Curve参数选择如图4-5。采用CIBIC三次插值，这样减震器初始运动速度为0，完全伸展后速度也为0，较为合理。减震器活塞杆沿轴向位移曲线图如图4-6，经过线性插值后，0s和9 s时刻速度均为0，达到设计要求。

图4-5 前起减震器Spline Curve Curve Data设置

图4-6 前起作动筒活塞杆沿轴向位移曲线图

驱动定义好后，进行求解，设置仿真时间（Ending Time）为10s，Print Interval为0.05s，点击Compute Solution 按钮进行求解。 没有弹出Error错误对话框则求解完毕，可以进行结果仿真了。点击Animate

本科毕业设计论文

按钮，弹出仿真对话框。点击Parameters

按钮，在采样步长Sampling Step

按钮。通过

填0.05s，关闭player parameters设置对话框，点击Play Forward 系统完全收上界面如图4-7所示。

仿真我们可以看到前起向前收起，同时活塞杆沿主支柱轴向伸展运动。前起落架

图4-7 前起落架系统完全收上界面图

最后进行仿真结果分析。LMS里面可以显示任何一个部件相对于笛卡尔坐标系或者欧拉坐标系的加速度、速度、角度、角速度、角加速度等各种运动学参数。图4-8为作动筒活塞杆相对于全球坐标系中相对于各坐标轴和原点的速度。（实线为相对于原点的曲线，虚线为X轴方向的曲线，点划线为Y轴方向的曲线，双点划线为Z轴方向的曲线，下同）

本科毕业设计论文

图4-8前起作动筒活塞杆相对于全球坐标系的速度

显然，Y轴方向是没有速度的。活塞杆在作动筒轴向运动的时候还要绕着作动筒与机身连接的轴做旋转运动，所以X轴方向是有速度的，如图中长虚线所示。由于活塞杆绕轴旋转地速度并不大，对Z轴方向的速度影响不大，所以Z轴方向的速度曲线与之前给出的活塞杆沿轴向的速度曲线差别不大。从相对于原点的速度曲线可以看出，活塞杆0-2.5秒有一个速度从0到一个速度峰值的过程，运动结束前7-9.5秒有一个从一个速度峰值到速度降为0的过程，中间一段曲线较为平缓，速度变化很小。这是与我们设置的仿真参数是符合的，因为加在作动筒活塞杆上的速度驱动是沿作动筒轴向方向，且速度设置为0- 加速-恒速-减速-0，故得到作动筒活塞杆相对于全球坐标的的速度曲线。

还可以得到作动筒活塞杆的加速度曲线，如图4-9，这与上面得到的速度曲线是相符合的。

本科毕业设计论文

图4-9 前起作动筒活塞杆的加速度曲线

4.3.2A320主起落架运动仿真

导入模型、创建运动体步骤同前起落架。由于主起落架机构和空间关系比较复杂，这里做运动学仿真的时候略去锁撑杆和锁作动筒的机构。共有21个运动副，所有运动副都加好后约束也同时生成，约束加载完成后的界面如图4-10所示。

本科毕业设计论文

图4-10 主起体全部体定义完成及约束加载完成后的界面

完成了运动副的创建和起落架各构件位置确定工作后，定义驱动使前主落架完成收放运动。由于主起在收起过程中，减震器同样会伸长，所以同样定义两个驱动：

一是使起落架收放的液压作动筒的驱动。添加驱动类型选择Two-Body Position Drive，Fuction选择New Spline Curve，Spline Curve参数选择如图4-11。采用CIBIC三次插值。

图4-11 主起作动筒Spline Curve Curve Data参数设置

二是使减震器伸长的驱动，主起减震器的整个行程为0.47米，起落架收起时伸展行程取为0.12米。所以驱动添加类型同样取为Two-Body Position Drive，Fuction选择New Spline Curve，Spline Curve参数选择如图4-12。同样采用CIBIC三次插值。

图4-12 主起减震器Spline Curve Curve Data参数设置

图4-13为作动筒和减震器沿轴向的位移曲线。实线代表作动筒，虚线代表减

本科毕业设计论文

震器。可以看到，初始和终了时刻切线斜率均为0，即初始终了时刻速度均为0，符合我们的设计要求。

图4-13主起作动筒和减震器沿轴向的位移曲线

主起落架的求解及结果仿真过程同前起落架。设置Ending Time为10s，Print Interval为0.05s，主起落架系统完全收上界面如图4-14所示。

图4-14主起落架系统完全收上界面图

最后针对主起落架的仿真结果进行分析。主起落架作动筒的分析方法与前起一样，速度曲线图如图4-15：

本科毕业设计论文

图4-15主起落架作动筒活塞杆速度曲线

显然X轴方向速度为0，由于活塞在沿轴向运动时要绕着作动筒与机身的转轴旋转，故Y轴和Z州方向均有旋转。由仿真动画可以看到，活塞杆先向斜上运动，再向斜下方向运动，所以Z轴方向速度曲线有一个有正到负的过程（图4-15中虚线所示）。

图4-16 主起支柱角速度曲线

本科毕业设计论文

图4-16为主起支柱角速度曲线，，显然，仅有绕X轴方向（即转轴方向）的角速度，速度变化由作动筒速度决定。

图4-17 主起支柱速度曲线

图4-17显示了主起支柱绕X轴旋转，在Y轴方向和Z轴方向的速度变化趋势。

4.5小结

本章结合多体动力学基本理论，应用LMS软件，导入第三章建好的A320飞机起落架的数字样机模型，分别对该飞机前起落架和主起落架进行了运动学仿真，并针对仿真结果进行了分析。

本科毕业设计论文

第五章 A320起落架动力学仿真

5.1 多体动力学基本理论

机构在高速运转过程中，由于外力的作用，其运动状态和工作状态会发生很大的变化，诸如弹性变形、运动副的间隙会影响其运转精度，外载荷的变化会影响原动件的运动规律，不平衡质量会引起机械振动和噪声等，多体动力学一直是机构学中重点研究的内容。

机构的动力学分析主要是研究机构的运动和作用力之间的关系，与运动学分析一样，也分为正逆两类问题[14]。根据机构的外力、位形参数以及运动的初始条件来求解机构的运动，称之为动力学正解；反之，根据机构的运动状态来求解各驱动装置所需要的驱动力（或力矩），称之为动力学逆解。同时根据多体系统的划分，多体动力学的研究分为多刚体动力学和多柔体动力学：

（1）多刚体系统动力学侧重研究各构件刚性运动之间的相互作用及其对系统动力学行为的影响。

（2）多柔体系统动力学侧重研究构件变形与整体刚性运动之间的相互作用或耦合，以及耦合带来的系统动力学效应，可看作多刚体动力学和结构力学的综合和推广，根据研究的工程对象的不同，柔性多体系统大致可以分为：a系统或系统中的若干部件既有大的刚性运动又必须涉及其变形运动，其主要特征是两类运动相互影响、强烈耦合，是机构运动可靠性研究的主要领域；b大型柔性空间站，可以看作由多个刚性体和弹性体组成，而可以归结为一类特殊的结构动力学问题；c含充液腔的系统，属于刚－柔耦合动力学问题，研究晃动，等效，稳定性等问题。

多体动力学研究的范围很广，不但可以用于动态性能分析、动态仿真和控制算法设计，也可以为机械结构设计和实时控制系统设计提供合理的依据。目前，比较成熟的分析方法有拉格朗日法、牛顿－欧拉法、凯恩法、广义达朗贝法和有限单元法等等。但对于多自由度的机构系统来说，其动力学模型具有多变量、强非线性和强耦合性等特点，如何提高动力学求解的效率和效果是机构学今后的一个重要研究方向，其研究的难点和热点还包括： （1）齿轮动力学中的耦合振动、减振与降噪； （2）含有弹性构件的机构运动方程及求解； （3）含有变质量构件的机构运动方程及求解； （4）运动副间隙对机构运动精度和工作状态的影响；

本科毕业设计论文

（5）动力学仿真技术；

（6）动力学方程的非线性和耦合性。

机构的静力学分析主要是研究机构静止或是低速运动时输出构件所受的外力、外力矩与机构各驱动杆所受驱动力之间的关系。同运动学分析一样，静力学求解也包括了正解和逆解两方面，已知机构各主动关节的驱动力（或力矩），求解末端执行器所承受的外载荷（包括力和力矩），称之为静力学正解；反之，已知末端执行器所承受的外载荷，求解各主动关节的驱动力（或力矩），称之为静力学逆解。

5.2 A320起落架多体动力学仿真

对起落架收放运动进行动力仿真，首先需要分析起落架在收放运动过程中所受的载荷以及各种可能对收放运动产生影响的因素。 5.2.1 载荷定义 A.起落架收放载荷

在起落架收放过程中，收放机构（作动筒）的载荷是通过与所有其它载荷对起落架旋转轴力矩的平衡条件求得的。这些载荷包括：起落架的质量力、气流产生的迎面阻力、起落架运动的惯性力、摩擦力、上锁阻力等。如果带动护板机构还应包括护板机构传来的力。此外，还应包括机轮离地后引起的旋转陀螺力载荷。计算时要根据收放运动全过程选出其中最危险的载荷计算收放机构的强度

[2][5][15]

。

（1）质量力

质量力作用在转动零件的重心上，其方向始终指向地面。在稳定气流飞行的质量力Pm由下式确定

u*Gt （5-1） Pm?ng .d式中，Gt——转动部分重力；

ng.du——起落架收放时的使用过载。

（2）气动阻力

起落架各零件的气动阻力作用在压心上，且指向顺气流方向。

Pa,di?CXI*q*Si

（5-2）

式中，Pa,di——起落架各零件上的气动阻力;

CXI——起落架各零件上的阻力系数;

本科毕业设计论文

Si——起落架各零件在垂直于气流平面上的投影面积; q——速压。

q?12?0Vg.dmax2 （错？！） （5-3）

起落架阻力系数可按以下三部分计算：

a. 圆形截面的支柱，气流与支柱轴线垂直时，阻力系数cx0如表5-1：

表5-1 阻力系数cx0随机轮（错？支柱？！！）宽径比H/D的变化

H/D cx0 1 0.64 2 0.68 5 0.76 10 0.80 20 0.92 40 0.98 起落架收放过程中，支柱与气流夹角不断改变(图5-1)，在此情况下，支柱

阻力系数按下式计算：

Cxa?Cx0cos(1.225a) Cxa?Cx0cosa

当00?a?600 （5-4）

当a?600 （5-5）

b.机轮迎风阻力系数Cxw可按图5-2曲线查取，从Cxw?f(W/D)关系曲线可知，宽度W与直径D笔直越大，则Cxw越小。

对于双轮或多轮同轴起落架，Cxw与机轮空隙有关，当空隙大于机轮的宽度时，可按单论选取系数，否则Cxw将增大。

本科毕业设计论文

图5-1支柱相对于气流位置

图5-2不同宽径比机轮的阻力系数曲线 参考面积（S=WD)

c. .对于起落架轮叉、固定在起落架上的护板等零件，可按板的阻力系数计算：

Cxh?1.28

如果起落架沿展向收放时，则侧向气流的气动力（图5-3）计算可取侧滑角 为β=6°时的气动力：

Qi?CZi*q*sin? （5-6） 式中，CZi——零件侧向阻力系数；

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6bao.html