[科普中国]-地面载荷

飞机地面载荷飞机外载

在飞机使用和运输过程中，飞机结构上受到各种载荷的作用。飞行器的外载荷是指飞行器在空中和地面运行、起飞、着陆以及运输和装卸过程中，机体结构所承受的外力的总称。外载荷的大小取决于飞机的类型、飞行性能、外形的气动特性、飞机质量、起落特性等。为了保证飞机在使用过程中能够承受安全可靠的工作，在设计飞机的时候必须正确的确定飞机外载荷。

飞机的地面载荷包括飞机在滑跑、起飞降落过程中由地面提供给飞机的支持力，以及飞机事故时的不正常冲击载荷。

飞机着陆撞击载荷飞机在着陆前具有一定速度下沉，接地后在其下沉速度逐渐减小直至为0，飞机着陆时大质量的机体在垂直方向上迅速的减速会导致极大的惯性力，惯性力是由飞机的地面载荷来平衡的，地面载荷最后通过起落架传递给机身，由此可以分析得到，在飞机着陆过程中，由于飞机在垂直方向的减速会使飞机起落架会受到巨大的冲击作用力。

飞机起落架减震系统在冲击力的作用下会被压缩，这个过程中冲击能量通过油液与油孔的摩擦阻尼而转化为热能消散，消散的能量与缓冲器一个压缩行程作的功有关。

多轮多支柱飞机地面载荷多轮多支柱起落架在着陆时所受地面载荷包括起落架轮胎受到的垂直反作用力、轮胎的滚动摩擦力、飞机的迎面阻力、轮胎侧向力以及飞机转弯法向和切向惯性力，有时还包括与飞机旋转方向相反的空气阻尼力矩。飞机起落架滑行载荷包括飞机滑跑时，由于跑道不平度引起的颠簸以及滑行操纵时(包括转弯，刹车等情况)引起的水平重复载荷。

同时，发达国家对于多轮多支柱地面载荷的研究开展的也比较早，并取得了一系列的成果。最著名的研究就是:在50年代末，由美国空军和道格拉斯公司发起，美国几家最大的航空公司共同参与的题为一一在半铺砌道面上运行的多轮多支柱起落架飞机的地面载荷分析的研究。该研究以C-SA大型运输机为模型，分析了该飞机半铺砌道面上着陆、滑跑及地面机动过程中，飞机载荷在各个起落架上的分布关系，并利用当时最先进的电子设备一一SC4020计算机记录仪实时记录了分析结果。随后，美国波音公司又进行了类似的研究，波音公司的研究则是以波音747飞机为模型，分析了该机型在着陆和滑跑过程中的动态载荷响应。

目前，国内的研究机构对起落架的地面载荷研究则以起落架的落震模型，全机对称着陆、滑跑模型为主。当然，也对飞机在非对称着陆和滑跑过程中的载荷也进行了分析，不过这些研究还仅限于普通的前三点式飞机。因而，我国对于多轮多支柱飞机起落架的地面载荷的分析和研究仍处于起步阶段。而我国当前的国情是:一是军队装备的以伊尔76飞机为代表的大型运输机数量在不断增加，二是对于该类飞机地面载荷的研究并未真正开始，三是外国在该方面的对中国实行技术资料封锁。这就迫切要求我们迅速开展该类起落架飞机的地面载荷研究，以便为将来的大型运输机的设计工作提供技术上的支持。1

虚拟样机技术在地面载荷中的应用虚拟样机技术是20世纪80年代随着计算机技术的发展在机械工程领域兴起的一种以CAD/CAE为支撑的机械系统动力学仿真技术.虚拟样机技术可以贯穿于飞机研制的全过程，其中虚拟样机技术在飞机设计初期阶段中的一个重要应用就是飞机地面载荷计算。

在飞机地面载荷中着陆撞击载荷由于作用时间短，强度大，因此对机体结构的损伤也最为严重。所以在飞机结构设计中，需要准确而有效地计算飞机着陆撞击载荷。早期人们对飞机地面载荷的计算只能依靠简化的数学模型分析和手工编制的程序来进行，往往费时费力，而且还需要建造产品的物理样机进行验证.为改善这一状况，将AD-AMS的虚拟样机技术应用到飞机地面载荷的计算分析中，利用仿真分析计算代替传统的力学分析和编程计算，从而能快捷有效地计算和分析飞机地面载荷及其影响因素。

ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Me-chanical Systems)是美国MDI公司开发的一款虚拟样机技术软件，它采用多体系统动力学理论中的拉格朗日方法进行系统动力学分析。 AD-AMS / Aircraft是ADAMS的一个专门用于飞机系统建模及仿真的专业工具模块，在Aircraft环境下能够建立全机系统及其子系统的虚拟样机模型，并且利用虚拟样机进行全机仿真或子系统仿真.

用户首先在专家模式下建立Aircraft中模型各部件的模版，包括几何拓扑结构以及部件间作用力；然后在标准模式下调用建立的部件模版以组成部件的子系统，最后将各部件子系统和仿真控制模版(test rigs)组装为可直接用于仿真分析的仿真组件。Aircraft下的模型具有几何形式简单，高度参数化的优点。

对实测数据结果的要求1，最低要求

(1)飞机重心处过载记录，并给出双参数计数，给出载荷幅值、均值联合发生频次表。

(2) 3个起落架各3个方向载荷纪录，并分别进行双参数计数，给出载荷幅值、均值联合发生频次表。

以上各测量值之间，不要求记录相位关系。

2，满意要求

给出重心处垂直过载累积频率曲线和起落架垂直载荷累积频率曲线的对比关系。统计资料表明：滑跑主频率一般为3/4 Hz，最高2/4Hz。因此，对机翼一阶频率在7~8Hz以上的小型飞机，可将其视为刚体，上述对比可能得出明确相关关系。对于大型飞机，由子柔性影响，一般无此种相关关系，需要直接进行动力分析。2

研究结论（1）应用基于ADAMS的虚拟样机技术进行飞机着陆撞击地面载荷分析计算相对于传统方法而言，确实显得方便、快捷而且准确度高，同时还可以得到起落架着陆时的动画显示，真实地再现飞机起落架在飞机着陆时的工作状态，有利于进行后续的起落架机构分析和改进。

（2）通过飞机着陆仿真对飞机着陆载荷的分析可知，飞机下沉速度、飞机重量以及飞机着陆姿态都对飞机着陆载荷有较大影响，特别地，刚性机身的计算载荷大于弹性机身的计算载荷。

（3）ADAMS虚拟样机可以方便地用于飞机的滑跑分析，尤其是分析机身弹性对飞机起落架载荷的影响，可以大大简化用户的建模以及数学求解。使用户从繁琐的建模分析中解脱出来，而将注意力集中于起落架的结构设计和缓冲器参数优化上。

（4）通过飞机滑跑仿真分析可知，飞机滑跑速度和飞机重量对飞机的地面冲击载荷有较大影响。具体而言：飞机滑跑速度越大、飞机越重，飞机的地面冲击载荷就越大；飞机在转向操作时，转向角变化越快，飞机前起落架所受的横向载荷也就越大；另外，与飞机着陆分析的结果一样，刚性机身的计算载荷大于弹性机身的计算载荷。3