飞机起落架刹车诱导低频振动研究

This project focuses on landing gear dynamics during brake state. Firstly, the dynamics models of landing gear and brake equipment vibration are established. Their natural mode and stability are analyzed to reveal the mechanism of low frequency vibration. Secondly, the control law, hydraulic system, and of anti-skid braking system are studied to obtain the influence law of anti-skid braking system on landing gear low frequency vibration. Thirdly, with multibody dynamics theory and virtual prototype, finite elment and multi-disciplinary collaborative simulation technology, a co-simulation dynamics model is implemented by building aircraft taxiing model, anti-skid braking model, brake equipment model, landing gear vibration model, tire model. The coupling dynamics problem of aircraft anti-skid braking system and the landing gear strut vibrating is solved. Finally, the solutions preventing landing geat from brake-induced vibration are put up by MDO method from system view. After this project, a set of dynamics analysis methods and vibration reduction design methods of landing gear low frequency vibration are obtained. The success of this project has important reference value to the landing gear and brake system design of the new aircraft.

本项目针对飞机地面滑跑起落架刹车动力学进行研究。首先，建立起落架和刹车装置的振动特性分析模型，分析其固有模态及稳定性，揭示低频振动产生的机理；其次，通过对防滑刹车系统控制律、液压系统及跑道结合系数识别的研究，获得防滑刹车系统对起落架刹车诱导低频振动的影响规律，提出增强刹车系统工作平稳性的方法；再次，基于多体系统动力学理论和虚拟样机、有限元及多学科协同仿真技术，建立飞机运动、防滑刹车控制系统、刹车装置、起落架、机轮和跑道的多学科协同仿真模型，解决刹车系统与起落架结构振动耦合动力学分析难题；最后，对起落架刹车诱导低频振动进行多学科优化设计，从系统综合的角度提出避免起落架刹车诱导低频振动的解决方法。通过本项目的研究，形成一套飞机起落架刹车诱导低频振动动力学分析方法和减振设计方法，为我国起落架及刹车系统设计提供指导。

飞机起落架低频刹车诱导振动问题涉及到跑道路面、刹车装置、防滑刹车系统、机轮、起落架结构特性等复杂因素的动力学综合课题，飞机试飞前很难通过部件级的试验进行验证，因此开展飞机起落架刹车诱导振动问题研究对于飞机起落架刹车系统设计具有重要意义，有助于减少设计周期和试飞成本。.针对起落架低频刹车诱导振动问题，通过分析起落架及机轮结构特性，建立了半轴支柱式主起落架的刚柔耦合刹车低频振动分析模型，开展了起落架刹车振动特性和参数影响研究。研究表明：起落架支柱刚度对起落架纵向刹车振动现象影响较大。刹车力矩和刹车频率的增大都会使起落架纵向抖振现象趋于严重，当刹车频率从9Hz增大33%时，轮轴处纵向加速度增长400%以上，轮轴处纵向位移和载荷增大超过100%；当刹车力矩从9000N•m增加33%时，起落架纵向位移和轮轴处纵向载荷增大50%左右，轮轴处的纵向加速度增长率超过200%。.建立了三种不同的起落架防滑刹车控制系统模型，分析液压阀特性、跑道摩擦系数、刹车控制方法、偏压调节、反馈信号波动等环节的动态性能，对比分析了不同刹车控制律下起落架低频刹车诱导振动的响应，并提出了一种传统控制律与智能控制律相结合的复合刹车控制方式，有效抑制了刹车振动现象，改善系统响应特性，提高刹车过程中机轮与跑道间的结合系数，降低防滑系统工作频次，避开谐振频率，提高防滑系统工作平稳性。同时证明了新型复合控制律的稳定性和鲁棒性。与减速率刹车控制律相比，新型复合刹车控制律刹车效率提高了17%，振动位移幅值减小了73%，轮轴处的纵向振动加速度减小了91%，刹车系统的工作频率降低了50%，起落架纵向振动频率也随之下降了59%。.在起落架与刹车系统多学科耦合动力学分析方法的基础上，建立了非线性刹车诱导振动动力学数学模型，考虑了缓冲器缓冲行程与起落架纵向运动的耦合，以及起落架纵向振动对实际滑移率的影响。对起落架系统的关键参数进行敏感性分析，设计了合理的性能评价指标和约束条件，进而进行了单目标和多目标优化，降低起落架与刹车系统低频谐振的发生几率，保证刹车安全。采用短时傅里叶变换方法从整个时间域研究刹车力矩以及振动响应的幅频特性。在刹车控制系统中加入了前馈控制，优化PID三个控制参数及前馈控制参数b，使得最大振动角度减小了25.68%。通过多目标优化，得到了Pareto前沿，清晰给出了刹车诱导振动与刹车效率之间的权衡关系。