凹坑路面条件下飞机地面牵引载荷的仿真分析

朱敏，刘晖，陈舒文

(南京航空航天大学 民航学院,江苏 南京，210016)

凹坑路面条件下飞机地面牵引载荷的仿真分析

朱敏，刘晖，陈舒文

(南京航空航天大学 民航学院,江苏 南京，210016)

为了保证飞机地面牵引的安全性，运用虚拟样机技术模拟牵引系统经过地面凹坑时飞机牵引载荷的变化，有效的预测飞机经过加油管地沟时拖把与飞机连接处牵引载荷和前起落架下阻力臂载荷的变化。基于Catia和Adams软件，建立了拖车-飞机系统模型，结合Boeing737-800的实际数据进行仿真分析实验。仿真实验表明拖把与飞机连接处牵引载荷和前起落架下阻力臂的受力载荷一般随着地面凹坑宽度、高度和牵引速度的增大而增大，且经过加油管地沟第二个边缘比第一个边缘时下阻力臂与缓冲支柱连接处的载荷变化较大。

安全性；地面凹坑；拖车-飞机系统；飞机牵引载荷

0 引言

飞机地面牵引技术[1]主要是涉及牵引装置和动力设备、飞机及机场条件等因素的一门综合技术。由于飞机牵引载荷受牵引作业环境的影响，遇到加油管地沟状况可能会出现飞机牵引载荷超出使用限制的情况，因此，牵引作业过程中不可避免会出现事故，为了尽量减少事故的发生，要对牵引车-飞机系统的安全性进行正确的预测和评估。为此，虚拟样机技术[2-3]成为界内备受关注的对象。利用虚拟样机代替物理样机可以对产品进行创新设计、测试和评估，缩短开发周期，降低成本。

关于飞机牵引载荷分析方面，1980年美国FAA在波士顿Logan机场、洛杉矶国际机场等多个机场对L-1011飞机的地面牵引载荷进行了研究，实际测量并记录了各机场飞机牵引过程的牵引载荷谱，并建立了集中参数的“飞机-牵引把-牵引车”动力学模型，对正常牵引过程的疲劳进行评估[4]。但该研究主要是为了考察飞机起落架相关构件在延长牵引距离后的疲劳寿命是否减少，对非正常牵引状态下牵引载荷未予研究，且模型中引入大量假设，未考虑相关构件的柔性，存在较大误差。1986年，Gustavsson等对飞机在起飞、着陆、地面滑跑和牵引时起落架所受载荷进行了测量，所测牵引载荷也是在正常牵引条件下测定的[5]。1987年，Radev等人对飞机牵引转弯工况的牵引载荷进行了研究，并对冰、雪以及除冰后路面条件下的牵引进行研究，为牵引车的选择及制动性能要求提供标准和规范[6]。

利用Catia和Adams软件建立牵引车-飞机系统并进行飞机牵引载荷的仿真研究，分析牵引系统遇到加油管地沟状况时牵引把与飞机连接处牵引载荷和前起落架下阻力臂受力载荷的变化，解决实际牵引过程中碰到的问题并给予一定的指导作用。

1 飞机地面牵引系统建模

1.1Boeing737-800模型

飞机模型由前起落架、主起落架、机身等结构组成，各个部件之间需要运用约束关系建立彼此之间的连接关系。飞机轮胎采用Fiala轮胎模型，前起落架轮胎半径343mm，主起落架轮胎半径565mm。为了简化模型把飞机质量和转动惯量加到质心位置，飞机输入数据如表1所示，飞机结构简图如图1所示。

表1 Boeing737-800输入数据

图1 飞机结构简图

1.2 牵引车模型组成

牵引车模型主要由车身、车轮、前桥、后桥、转向机构等部件组成，各个部件之间需要运用约束关系建立彼此之间的连接关系。牵引车轮胎采用Fiala轮胎模型，轮胎半径445mm。为了简化模型把牵引车质量和转动惯量加到质心位置，牵引车输入数据如表2所示，牵引车结构简图如图2所示。

图2 牵引车结构简图

参数模块参数名称参数含义数值牵引车输入质量牵引车质量/kg35000质心到后轮水平距离牵引车质心到后轮中心水平距离/mm1600质心到地面垂直距离牵引车质心到地面垂直距离/mm830转动惯量牵引车x轴转动惯量/kg·mm28.06E+010牵引车y轴转动惯量/kg·mm28.28E+010牵引车z轴转动惯量/kg·mm28.18E+010前轮和后轮的距离牵引车前轮和后轮的水平距离/mm3000前轮之间的距离牵引车两前轮之间的水平距离/mm2400插销钉孔径牵引车插销钉孔径/mm75.225

1.3 牵引把模型组成

牵引把模型主要由拖钩(与牵引车连接)、牵引把本体、牵引把头(与飞机牵引销啮合)、轮架机构等部件组成，各个部件之间需要运用约束关系建立彼此之间的连接关系。牵引把输入数据如表3所示，牵引把模型如图3所示。

表3 牵引把输入数据

图3 牵引把模型

1.4 道路模型

由于出现加油管地沟状况，需要建立3D路面才能满足要求，以3D凹坑路面文件为例来说明所编制的文件，文件里面的参数主要设置三种：1) 单位设置和路面建模的方法；2) 节点，表达三维路面的三角形构成的节点；3) 元素，表达节点的元素数量。为了更好的表示凹坑路面如图4所示。

图4 凹坑路面

1.5 牵引系统模型

应用Catia和Adams软件建立牵引系统模型，按照实际物理模型的连接关系，建立各个部件的动力学连接[7-9]，完成模型建立。每个子系统模型建立好以后，首先必须分别进行调试和运行，直到模型运行成功没有出现错误提示，可以按照预定路径正常行驶；仿真成功后子系统全都运行成功，则把飞机模型、牵引车模型、道路模型、牵引把模型等子系统模型通过约束连接关系形成牵引系统模型。各个子系统模型之间的约束连接关系一定要和实际的物理模型的连接关系一致，才能完成整个牵引系统模型的仿真分析。牵引系统整体模型如图5所示。

图5 牵引系统整体模型

2 前起落架轮胎经过地面凹坑时飞机牵引载荷的仿真分析

2.1 地面凹坑高度和牵引速度不变时飞机牵引载荷分析

当加油管地沟高度不变，宽度不同且飞机前起落架与凹坑较近边缘距离一样时，牵引车以1300mm/s的速度匀速顶推飞机，分析牵引把与飞机连接处和前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处载荷的变化。地面凹坑数据如表4所示，分成5组数据进行对比，仿真时间40s，仿真分析步数4000。牵引把与飞机连接处受力曲线如图6所示，前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处受力曲线如图7所示。图中Force.1，Force.2，Force.3，Force.4，Force.5分别代表数据1、2、3、4、5仿真的受力。

表4 地面凹坑数据

图6 拖把与飞机连接处受力曲线

图7 前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处受力曲线

凹坑高度不变，宽度为50mm和100mm时轮胎没有接触加油管地沟最底端。通过对比分析，由图6可知，轮胎没有接触加油管地沟最底端时牵引把与飞机连接处牵引载荷变化幅度不大；轮胎接触加油管地沟最底端时牵引把与飞机连接处飞机牵引载荷没有随着凹坑宽度的增大而变化显著，而是飞机牵引载荷随着凹坑宽度的增大变化越慢；轮胎由未接触到接触加油管地沟最底端过程中，飞机牵引载荷随着凹坑宽度的增大而增大。由图7可知，没有接触加油管地沟最底端时前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处载荷变化幅度不大；轮胎接触加油管地沟最底端时前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处载荷变化幅度较大，最大值达到8300N左右；轮胎由未接触到接触加油管地沟最底端过程中，前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处载荷随着凹坑宽度的增大而增大，且经过加油管地沟第二个边缘比第一个边缘时下阻力臂与缓冲支柱连接处的载荷变化较大。

2.2 地面凹坑宽度和牵引速度不变时飞机牵引载荷分析

当加油管地沟宽度不变，高度不同且飞机前起落架与凹坑较近边缘距离一样时，拖车以1300mm/s的速度匀速顶推飞机，分析拖把与飞机连接处和前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处载荷的变化。地面凹坑数据如表5所示，分成5组数据进行对比，仿真时间50s，仿真分析步数5000。牵引把与飞机连接处受力曲线如图8所示，前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处受力曲线如图9所示。图中Force.1，Force.2，Force.3，Force.4，Force.5分别代表数据1、2、3、4、5仿真的受力。

表5 地面凹坑数据

图8 牵引把与飞机连接处受力曲线

图9 前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处受力曲线

通过对比分析，凹坑宽度不变，牵引把与飞机连接处、前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处的牵引载荷随着凹坑高度的增大而增大；轮胎同时经过加油管地沟第一个边缘，凹坑高度越大轮胎经过加油管地沟第二个边缘的时间越快，且载荷变化也越快；当经过加油管地沟第二个边缘比第一个边缘时下阻力臂与缓冲支柱连接处的载荷变化较大；当遇到高度30mm凹坑时牵引把与飞机连接处和前起落架下阻力臂受力最大。

2.3 地面凹坑高度和宽度不变而牵引速度变化时飞机牵引载荷分析

当加油管地沟宽度1520mm和高度30mm不变且飞机前起落架与凹坑较近边缘距离一样时，牵引车以不同的速度匀速顶推飞机，分析牵引把与飞机连接处和前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处载荷的变化。地面凹坑数据如表6所示，分成5组数据进行对比，仿真时间40s，仿真分析步数4000。牵引把与飞机连接处受力曲线如图10所示，前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处受力曲线如图11所示。图中Force.1，Force.2，Force.3，Force.4，Force.5分别代表数据1、2、3、4、5仿真的受力。

表6 地面凹坑数据

图10 牵引把与飞机连接处受力曲线

图11 前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处受力曲线

通过对比分析，当凹坑高度和宽度不变时，牵引把与飞机连接处牵引载荷和前起落架下阻力臂与缓冲支柱连接处载荷随着牵引速度的增大而变化越快即速度越大遇到凹坑时载荷首先突变；当经过加油管地沟第二个边缘比第一个边缘时下阻力臂与缓冲支柱连接处的载荷变化较大。

3 总结

本文基于Catia和Adams软件，建立了牵引车-飞机系统模型并进行飞机牵引载荷的仿真研究。结果表明，牵引把与飞机连接处牵引载荷和前起落架下阻力臂的受力载荷一般随着地面凹坑宽度、高度和牵引速度的增大而增大；且经过加油管地沟第二个边缘比第一个边缘时下阻力臂与缓冲支柱连接处的载荷变化较大。由于没有考虑到牵引过程中牵引把与牵引车、牵引把与飞机的撞击产生的冲击力，飞机牵引载荷在允许的载荷范围内。在以后的研究中要考虑其他因素产生的力给飞机牵引载荷带来的影响。

[1] 舒晓，谢晓峰.国外飞机牵引技术标准浅析[J].航空标准化，1985，1：37-40.

[2] 肖力军.基于ADAMS/CAR的汽车悬架系统虚拟样机设计与性能分析[D]，长沙：湖南大学硕士位论文，2006(12) .

[3] 王国强，张进平，等.虚拟样机技术及其在 ADAMS 上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，2002.

[4] Caren A.Wenner，Colin G.Drury.Analyzing human error in aircraft ground damage incidents.International Journal of Industrial Eronomics，2000，26：177-199.

[5] Gustavsson，Anders I.Measurements of landing gear loads of a commuter airliner.Congress of the international Council of the Aeronautical Sciences v2，1986，1383-1389.

[6] Radev，Vladimir，Application of citeria of aircraft tow tractors.SAE Technical Pater Series，1987.

[7] Huston R L，Multibody Dynamics，Butterworth.Stoneham，Massachusetts，1990：86-168.

[8] 张大钧，刘又午，程岸，等.原木拖车方向特性的动力学建模和仿真[J]，中国机械工程，2000(6):627-630.

[9] KaneT R，L evison D A. Dynamics：Theory and Application，New York，McGraw-Hill,1970:75-128.

Simulation Analysis of Aircraft Ground Traction Load Under Pit Road Conditions

ZHU Min,LIU Hui,CHEN Shu-wen

(School of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China)

In order to ensure the safety of the aircraft ground traction,this paper uses the virtual prototype technology to simulate the changes of aircraft traction load of the traction system through ground pits and effectively predic the changes of towbar and aircraft connection traction load and nose landing gear down resistance arm load when aircraft passes the gas pipe trench.Base on Catia and Adams software, it also establishes the tractor-aircraft system model and carries out the simulation experiment combined with the practical data of Boeing 737-800. This experiment shows that towbar and aircraft connection traction load and nose landing gear down resistance arm load can increase with the pit width,height and traction speed,and down resistance arm and damper strut connection load fluctuation is larger passing the gas pipe trench second edge than first edge.

safety; pit road; tractor-aircraft system; aircraft traction load

国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合资助项目(批准号：U1233104)

朱敏(1985-),女,山东泰安人，硕士研究生,研究方向为航空器运行品质仿真与分析。

TP391.9

A

1671-5276(2014)02-0094-05

2013-01-28