一种新型飞机着陆动荷载的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种新型飞机着陆动荷载的计算方法，为了研究道面板在高胎压、大质量、短距离起降的作用下的荷载响应规律，根据新型飞机的受力特性和运动规律，分析起落架‑机轮‑道面耦合作用，并考虑飞机气动力变化，建立起5自由度的飞机地面动力学模型。通过四阶Runge‑Kutta法求解微分方程组，研究道面荷载随时间和空间的变化问题。研究结果表明：新型飞机主起落架产生的道面动载系数能达到1.4，飞机下沉速度是影响着陆荷载的主要因素。

A New Method for Calculating Dynamic Load of Aircraft Landing

The invention discloses a method for calculating landing dynamic load of a new type of aircraft. In order to study the load response law of the pavement under the action of high tire pressure, large mass and short distance takeoff and landing, the coupling effect of landing gear, wheel and pavement is analyzed according to the force characteristics and motion law of the new type aircraft, and the aerodynamic change of the aircraft is considered, and the aircraft ground dynamic model with 5 degrees of freedom is established. \u3002 The fourth-order Runge Kutta method is used to solve differential equations, and the variation of pavement load with time and space is studied. The results show that the pavement dynamic load coefficient of the new aircraft main landing gear can reach 1.4, and the sinking speed of the aircraft is the main factor affecting the landing load.

【技术实现步骤摘要】
一种新型飞机着陆动荷载的计算方法
本专利技术涉及航空技术和机场工程领域，具体地说，涉及一种新型飞机着陆动荷载的计算方法。
技术介绍
随着我国航空和国防事业的迅速发展，一大批新型飞机如J-20，Y-20，C919，An-225，J-31等，进入人们视野。这些新型飞机往往具有大重量、高胎压、短距离起降的特点。由于飞机参数和起降特性的改变，其地面荷载特性较以往发生着巨大变化。而我国现行的机场刚性道面设计规范中，仅以恒定的动载系数Kd来反映飞机对道面荷载的特性：在道面端部，胎压q≥1.08MPa时，取Kd＝1.25；q<1.08MPa时，取Kd＝1.20，我国新型的飞机胎压已经远远大于1.25MPa。这种依靠弹性体系理论和静力学知识，将动荷载等效为静荷载，再分析道面结构应力的方法，在飞机重量不大、胎压小、下沉速度较低的情况下基本是合理的，但对新型飞机仍然用静态行为表示显然缺乏科学性和适用性。目前，国内外学者对飞机地面动力学与道(路)面结构动力学在各自领域都取得了一定的研究成果，但仍然存在诸多疑问：如对新型飞机的地面荷载实测数据十分缺乏，符合实际状况的飞机与道面系统耦合作用机理依然不清楚。因此，研究新型飞机荷载作用规律及道面力学响应，是响应国防航空事业快速发展形势和机场道面设计需求亟待解决的基础性问题。
技术实现思路
针对新型飞机着陆对机场跑道的荷载特性问题，在分析新型飞机着陆特性和飞机各子系统的基础上，建立飞机地面动力学数学模型，考虑不同着陆条件下飞机与道面系统耦合作用机理，本专利技术提出一种新型飞机着陆动荷载的计算方法。其技术方案如下：一种新型飞机着陆动荷载的计算方法，包括以下步骤：步骤1、飞机着陆滑跑阶段受力分析。步骤2、建立5自由度的飞机地面动力学模型。步骤3、建立各自由度方向上的力学平衡方程。步骤4、通过四阶Runge-Kutta法求解微分方程组。进一步，结果表明：新型飞机主起落架产生的道面动载系数能达到1.4。进一步，飞机主起落架作用力占比可达到98％以上，而前起落架着陆荷载较小。进一步，飞机下沉速度是影响着陆荷载的主要因素，着陆质量其次，胎压与俯仰角对道面动载影响不大。本专利技术提供了一种化繁为简、提纲挈领的飞机动荷载的计算方法，便于工程人员研究设计，满足工程计算要求。附图说明图1是飞机受力分析图；图2是飞机地面动力学模型；图3是机身重心竖向位移变化曲线；图4是飞机俯仰角变化曲线；图5是滑行距离变化曲线；图6是前起落架着陆荷载变化曲线；图7是主起落架着陆荷载变化曲线；图8是主起落架缓冲作用占比曲线；图9是着陆质量影响下主起落架着陆荷载的变化规律；图10是着陆质量影响下主起落架动载系数的变化规律；图11是胎压影响下主起落架动载系数的变化规律；图12是下沉速度影响下主起落架动载系数的变化规律；图13是俯仰角影响下主起落架动载系数的变化规律；图14是俯仰角影响下前起落架动载系数的变化规律。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案作进一步详细地说明。在飞机着陆过程中，飞机下滑速度可分为竖直和水平方向，竖直方向的下沉速度，对道面产生冲击效应，形成动荷载；水平速度使机轮与道面产生相对运动，形成摩擦力，摩擦力大小取决于摩擦系数和竖向荷载的大小。飞机在着陆滑行时，在自身重力W、空气阻力D、升力L、地面对主起落架的竖向力Fz1、摩擦力Fx1、地面对前起落架的竖向力Fz2、摩擦力Fx2的共同作用下，减速至正常滑行速度，然后滑出跑道系统，飞机受力分析如图1所示。飞机在跑道上滑跑时，地面对飞机的作用力时通过起落架传递到机体上的，因此起落架对飞机地面动力学特性有着重要影响。起落架主要由支柱、缓冲器、机轮系统、支撑或收放系统等部分组成，其主要功能是支撑和缓冲作用，以改善飞机垂直方向上的受力情况。在计算时，将起落架系统简化为起落架缓冲器与机轮系统。飞机起落架中缓冲器的作用可简化为油液阻尼作用力和空气弹簧力。飞机轮胎也可分成两部分作用，即轮胎弹性力和阻尼力，如图2所示。飞机由机身系统、主起落架系统和前起落架系统组成。m0，m1，m2分别为飞机机身系统的质量、主起落架系统的质量、前起落架系统的质量。J0为飞机机身系统的转动惯量。s1，s2分别为飞机重心到前起落架、主起落架轮轴中心的距离。k1，k2，k3，k4分别为主起落架悬挂系统弹性系数，主起落架轮胎弹性系数，前起落架悬挂系统弹性系数，前起落架轮胎弹性系数。c1，c2，c3，c4分别为主起落架悬挂系统阻尼系数，主起落架轮胎阻尼系数，前起落架悬挂系统阻尼系数，前起落架轮胎阻尼系数。θ为飞机机身俯仰角。z0，z1，z2分别为飞机机身重心、主起落架悬挂重心和前起落架悬挂重心处的竖向位移。对飞机机身系统m0，由刚体转动微分方程得式(1)：式中，为飞机机身系统的角速度。为飞机机身系统的角加速度。为飞机机身重心、主起落架悬挂重心和前起落架悬挂重心处的竖向速度。Fh1，Fa1分别为主起落架缓冲器阻尼作用力和空气弹簧力。Fh2，Fa2分别为前起落架缓冲器阻尼作用力和空气弹簧力。在机身竖直方向上有微分方程(2)：式中，x0为飞机航向上的水平位移，为飞机机身重心的航向速度。为飞机机身重心、主起落架悬挂重心和前起落架悬挂重心处的竖向速度以及飞机机身重心的航向加速度，g为重力加速度，kL为综合升力系数，取kL＝0.5CLρS，其中升力因子CL＝2π(θ-θ0)，θ0为翼型零升力迎角，ρ为大气密度，S为机翼面积。对主起落架悬挂系统m1分析，在竖直方向上建立运动微分方程(3)：式中，Fk1，Ff1分别主起落架轮胎的弹性力和阻尼作用力。对前起落架悬挂系统m2分析，在竖直方向上建立运动微分方程(4)：式中，Fk2，Ff2分别前起落架轮胎的弹性力和阻尼作用力。在飞机着陆滑跑方向上，对飞机整体建立运动微分方程(5)：结合轮胎弹性系数的经验公式(6)、(7)k2＝34.514+0.387p0+21.816p0z1(6)k4＝34.514+0.387p0+21.816p0z2(7)式中，p0为飞机的初始轮胎压力。μ为纵向滑动摩擦系数，其与纵向滑移率之间的关系比较复杂，可由经验公式(8)给出：式中，Sg为滑移率，定义为：Vx为飞机滑行速度，Vω为轮胎线速度，r为轮胎半径，δ为轮胎变形量，ω为轮胎转动线速度。联立(1)～(9)微分方程得到二阶五元微分方程组(10)：式中，sign为符号函数：则轮胎对道面的动荷载为：q1，q2为道面激励作用。对高阶微分方程的初值问题可以通过变量代换化为一阶常微分方程组初值问题进行计算。设m＝2,3,4……，有m阶常微分方程初值问题：令y1＝z,y2＝z’,……,ym＝z(m-1)，则上式就化为一阶常微分方程组：对一阶微分方程组的求解问题，由于四阶Runge-Kutta(龙格—库塔)法能够根据各阶段的精度要求改变步长，且编程和使用都较容易，在实际工程应用广泛，因此本专利技术采用此方法进行求解。将着陆阶段的动力学微分方程组进行变量转换，将步骤2中的二阶五元微分方程组降阶化为下式。令：取q1，q2为0，步骤1中的二阶五元微分方程组转化为：通过数值计算微分方程组，得到数值解，飞机着陆特性如图3-图8所示，各因素影响下飞机动载特性变化曲线如图9-图14所示。以上所述，仅为本专利技术较佳的具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型飞机着陆动荷载的计算方法，其特征在于，将四阶Runge‑Kutta法应用于求解飞机地面动力学问题，包括以下步骤：步骤1、飞机着陆滑跑阶段受力分析；步骤2、建立5自由度飞机地面动力学模型；步骤3、建立各自由度方向上的力学平衡方程；步骤4、通过四阶Runge‑Kutta法求解微分方程组。

【技术特征摘要】
1.一种新型飞机着陆动荷载的计算方法，其特征在于，将四阶Runge-Kutta法应用于求解飞机地面动力学问题，包括以下步骤：步骤1、飞机着陆滑跑阶段受力分析；步骤2、建立5自由度飞机地面动力学模型；步骤3、建立各自由度方向上的力学平衡方程；步骤4、通过四阶Runge-Kutta法求解微分...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁磊，崔云化，李婉，种小雷，王观虎，顾强康，王乐凡，郭天雄，石鑫刚，刘国栋，苏力海，岑国平，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61