机体连接处局部刚度对轻型飞机起落架摆振稳定性的影响研究

    刘胜利　刘小川　崔荣耀　刘冲冲

    

    

    

    摘要：针对前起落架与飞机机体连接处局部刚度对起落架系统摆振稳定性影响的问题，以前起落架为研究对象，建立了考虑起落架与机体连接处局部刚度影响的起落架摆振分析模型，并采用复特征值优化法对摆振稳定性进行了计算与分析。最后，针对某轻型飞机前起落架，分析了机体连接处局部刚度对起落架系统摆振稳定性的影响，并通过物理试验验证了理论计算的正确性。研究表明：起落架与机体连接处局部刚度对起落架摆振稳定性影响比较明显；连接处局部刚度越小，系统所需临界阻尼越大，系统越不稳定；反之亦然；连接处局部刚度越小，系统摆振频率越小，反之亦然。在防摆设计时，应考虑起落架与机体连接处局部刚度与起落架侧向刚度之间的匹配关系。

    关键词：摆振；起落架；稳定性；局部刚度

    引言

    起落架在飞机起飞或着陆滑跑过程中起着非常重要的作用，是飞机的关键部件之一。飞机在地面滑跑过程中，有时可能会产生一种以起落架支柱侧向运动与机轮绕支柱扭转运动相互耦合的一种剧烈的自激振动，而这种振動称为摆振，摆振是一种有害的振动，严重危害飞机安全。中国多个飞机型号在使用中都遇到不同程度的摆振问题；美国的C-119，F7U-3，L-1011等飞机在研制与使用过程中也曾因摆振导致了前起落架失灵或者部件损坏事故。因此，针对摆振问题，国内外许多专家已经进行了大量的富有成效的研究。例如：文献研究了考虑起落架支柱弹性对起落架摆振稳定性的影响；文献从实验和理论两个方面研究了机体柔性对起落架摆振稳定性的影响；文献研究了由于地面的不平顺导致的从起落架传递到柔性机身的随机振动问题，机身反过来又会影响起落架的摆振稳定性；文献用描述函数法分析研究了起落架系统具有间隙、库仑摩擦、速度平方阻尼等非线性因素时的摆振稳定性问题。可以看出，在以往的摆振理论研究中，研究者考虑的因素主要分为三大类：（1）起落架：包括起落架支柱弹性、结构问隙等；（2）飞机机体：包括刚性机体运动、机体振动模态等；（3）外部激励：跑道不平顺等。

    随着中国航空产业的蓬勃发展，通用飞机及无人机等轻型飞机以其体积小、使用方便、适应性强等优点，已经成为目前航空领域的一个热门研究对象。然而，这类飞机相对一般飞机来说，起飞重量小、结构系数低、空间有限，尤其是起落架一般直接连接在机体框段立板上，而立板刚度相对起落架来说，要弱得多。从而使得轻型飞机起落架摆振问题更加复杂，更加突出。

    因此，本文在前人研究基础上，建立了考虑起落架与机体连接处局部刚度影响的摆振稳定性分析模型，并利用复特征值优化法对某轻型飞机前起落架进行了摆振稳定性分析，对比了不同局部刚度对前起落架摆振稳定性的影响。最后通过摆振试验验证了理论计算正确性。得出了一些对飞机防摆设计有益的结论。

    1.轮胎力学模型

    1.1轮胎力学特性

    轮胎作为地面与飞机起落架之间载荷传递的媒介，它的力学特性对飞机起落架摆振稳定性有着重要的影响，是影响飞机起落架摆振稳定性的关键因素之一。本文采用经典的smiley轮胎力学模型，如图1所示。