基于数字化工程的大型客机起落架缓冲器快速设计

起落架是飞机重要的承力部件，在飞机安全起降过程中担负着重要的使命。起落架是飞机起飞、着陆、滑跑、地面移动和停放所必需的主要部件之一，其性能的优劣直接关系到飞机的安全。而起落架缓冲器负责飞机的着陆能量的吸收，其设计问题是起落架领域的重要问题。

数字化工程的相关技术对于提升飞机的设计效率有着重要意义，数字化设计工作在飞机总体领域有长足的发展。例如王钢林等[1]对大型客机数字化框架进行了研究。査栋烨等[2]提出了面向概念设计的飞机外形快速建模方法。白金鹏等[3]、杨华中[4]开发飞机总体设计用数据库。

然而，快速设计技术在国内飞机起落架领域的应用近些年才展开，主要集中在计算程序的编制和数据库应用等方面。

在起落架总体布局方面，张璞等[5,6]对大型客机起落架总体方案采用Visual C++和Oracle数据库组合的形式进行了程序开发，建立了民用飞机起落架总体信息数据库。傅永峰[7]采用Visual C++对起落架总体参数进行了计算。

在CAD建模和二次开发方面，李海滨等[8—10]在Delphi中编制起落架零件二次开发界面，通过文本传递的方式实现了CATIA零件级别的二次开发。袁林等[11]实现了起落架的参数化建模。冯全磊等[12]应用三维协同设计方法到起落架参数化建模中。Ren等[13]采用CAA技术对起落架零件进行了二次开发。

在数据库管理系统方面，冀伟等[14]将数据库技术运用到起落架测试系统中。赵佳等[15]基于SLM建立了起落架系统仿真试验数据管理平台。李俊等[16]在后期数据的管理中利用Visual Basic编写应用程序实现对数据存储的可编程数据库SQL Server的管理。

从起落架缓冲器出发，对程序建模进行描述，对工程估算方法进行界面封装，进而进行缓冲性能分析，后台牵引数据库进行数据存储，利用文本方式对CATIA中的缓冲器的零件进行二次开发，对零件的库存管理程序进行开发，进而进行缓冲性能分析。程序可以有效地提出缓冲器设计方案，提高设计效率。

1 程序的总体框架

程序采用Visual Basic进行界面编程和处理，考虑了数据存储、二次开发及CAE接口等内容。在程序描述方面，采用了UML建模语言对程序进行了描述，以时序图为例，说明几个子程序在时间上的顺序。

比如某新型客机需要改型设计时，在涉及缓冲器的改型设计时需要使用本程序。首先，采用总体设计和缓冲器设计的工程估算程序，结合伴随知识库确定总体和缓冲器参数，并进行缓冲性能分析；然后，在比照起落架缓冲器零件库的基础上，调用二次开发程序，锁定新的缓冲器零件的特征参数；最后，将缓冲器零件的数量和特征参数调入到库存管理系统中，与信息管理系统进行对接。大型客机缓冲器快速设计程序时序图如图1所示。

图1 大型客机缓冲器快速设计程序时序图
Fig.1 Sequence diagram of large civil airplane’s shock absorber rapid design

2 功能实现

在充分了解客户需求的基础上，初步确定了缓冲器数字化方案快速设计程序的主要功能模块。

(1)建立缓冲器结构选型和总体布局设计的知识库模型和相应的设计功能模块，能够进行缓冲器的结构类型的选择。

(2)建立缓冲器的知识库模块和相应的数据库设计功能模块，能够进行缓冲器的主要参数的确定。

(3)建立起落架缓冲器的着陆缓冲性能功能模块，能够进行缓冲性能的初步分析。

(4)建立缓冲器的零件库和相应的二次开发设计功能模块，能够进行缓冲器的主要零件尺寸的确定。

(5)建立缓冲器的零件库与CAE程序和信息管理系统的接口模块，能够支持缓冲器CAE的仿真以及生产中库存管理系统的调用。

2.1 总体设计和缓冲参数的工程估算

运用Visual Basic开发与起落架总体设计阶段相关参数的计算程序。起落架总体设计的工程估算封装了两类公式：一类是起落架载荷分配的公式，程序通过图片展示给设计人员载荷分配的情况；一类是起落架侧向布置中的侧翻角和滚转角的公式。

起落架缓冲器的工程估算程序封装了计算缓冲器结构和充填参数的公式以及轮胎选择方面的公式。

2.2 总体设计和缓冲器的知识库

创建知识库的主要目的在于为设计提供参考和一系列辅助服务。其体系结构及检索方式随着对象的不同而有所区别，数据库结构是按照起落架缓冲器的特点建立的，以便快速定位到设计人员关切的实际问题上。知识的搜集范围包括了行业手册、项目资料、专利和标准等。采用小型数据库Access软件进行存储。

起落架总体设计知识库包括了一些民用机型的信息，比如起飞总重、起落架的布局形式、轮胎个数等信息，当设计新机型时，Visual Basic连接Access数据库自动查询定位到起飞总重相近的机型中，飞机起落架总体参数查询如图2所示。

图2 飞机起落架总体参数查询
Fig.2 Integral parameter inquiry for airplane’s landing gear

起落架总体设计知识库包含缓冲器结构设计时需要的知识。目前，缓冲器结构参数往往由设计工作者参照相关手册进行计算。但在实践工作中，设计工作者需要在短时间内正确计算出参数，以此满足设计时间节点要求，但并不是每一个设计工作者的经验都比较丰富。基于实际需求，开发一个伴随知识库，其在设计人员在程序填写参数时，提示相关设计信息和要求，有一定的帮助功能，方便经验欠缺的人员进行设计。

2.3 起落架缓冲器零件的二次开发

起落架缓冲器零件按照功能大致分为以下几类：一类是和缓冲功能相关的零件，包括外筒、活塞杆、主油孔、侧油孔、柱塞杆等；一类是和密封性有关的零件，包括充气阀、密封套、密封圈等；一类和零件之间连接有关，大多数是标准件，比如螺钉、螺母、螺栓、轴套、衬套、柱塞、垫片等。

现代的CAE软件通常都有CAD的接口，可以将已有的CAD模型直接作为CAE仿真分析的输入进行处理。起落架的缓冲器零件库的二次开发一定程度上可以看作CAE二次开发和批处理的基础。缓冲器零件库的二次开发没有选取零件的全部几何特征，而是抽取了与CAE仿真分析相关的几何特征。

2.4 起落架缓冲器零件的库存管理

通过手工方式对飞机起落架零件信息进行录入所存在的问题主要表现为：第一，库存物资信息处理效率低，信息流动性较差；第二，原始单据规模庞大，信息利用率不高；第三，数据处理比较单一化，且手工处理出错率较高。这不仅严重影响了库存管理水平，并且为后期查询带来严重不便。

前台使用的是Visual Basic，后台使用Access作数据库服务器。通过ADO接口和专用的数据库接口，高速读取数据库中的数据。飞机起落架零件库的信息管理程序流程图如图3所示。

图3 库存管理程序的流程图
Fig.3 Flow chart for inventory management program

图4 总体参数估算程序
Fig.4 Parameter evaluation program for a whole landing gear

3 算例

输入条件为最大起飞重量70 000 kg，查找大型客机起落架数据库，比照机型为波音737，飞机总体设计人员给出了机体的初步设计方案，比如飞机的主要外形尺寸，重心位置，起落架可能布置的区域等信息。需要起落架设计人员在短时间明确起落架的结构形式、主要结构尺寸、布置位置以及缓冲器参数、性能等信息，形成一整套起落架缓冲器设计方案。

3.1 总体参数估算

要依据最大起飞重量(或者最大着陆重量等重量信息)，对重量相近的机型信息进行筛选，明确起落架的结构形式，缓冲器的结构形式等信息。总体参数估算程序如图4所示。根据重量信息搜索了总体信息的数据库，找到波音737的起飞总重与目前的设计任务提出的重量最接近，则初步的起落架的结构形式与波音737相同，为支柱式起落架；每一个起落架上的机轮数及其布置情况也相同，为并列双轮式。再依据新型号飞机总体设计人员给出的飞机参数，对起落架布置影响较大的一些参数，如侧翻角，进行估算。在参考相关机型的起落架安装点的信息和与飞机总体设计人员协调收放空间、停机姿态等设计要求后，前起落架和主起落架的站位如表1所示。

表1 起落架站位参数

Table 1 Position parameters of landing gear

3.2 缓冲器参数估算

在起落架的总体布局形式确定后，起落架侧翻角一类的参数进行了估算，基本形成了起落架布局的方案。根据此种布局方案，能确定分配到单个起落架的载荷。

因为起落架最主要的功能就是吸收着陆能量，承受载荷进行缓冲。所以要对起落架缓冲器的结构形式以及相关充填参数作进一步估算。明确起落架缓冲器的结构形式，考虑不同类型缓冲器的特点，适用机型在Access中进行文本存储，作为程序的伴随信息在起落架缓冲器参数估算时通过文本框进行显示。缓冲器参数估算程序如图5所示。

根据客机的信息，希望缓冲过程平稳进行，而且着陆时没有大的下沉速度或者道面不平整等情况，起落架的缓冲形式选择单腔变油孔的形式。图5所填写的参数与图4中的参数获取来源不同，图4的参数在公开文献中易获取，然而图5及后续的一些参数较少见于公开文献。这一部分参数信息一部分来源于新型号总体设计人员给出的数据；一部分来源于先前设计人员或者手册上的经验，这部分被伴随知识库存储在Access数据库中，利用Visual Basic进行了封装，如图5右下方的文本内容所示。

图4的飞机总体数据和图5的伴随知识被封装在数据表中，程序动态链接数据库，并抓取数据表中的数据，在伴随知识库的程序中，可以对已有的数据表中的数据进行增加、删除、修改、查询和存储等基本的数据库操作，便于设计人员对数据进行维护。

此外，程序提供两种思路：一种是整体计算，首先确定一个初始条件，然后根据程序后台代码封装的公式，一直自动地对参数进行计算得到最终方案，不需要人为干预；还有一种是只关心一个功能，比如飞机总体参数这部分，其余不直接计算，单独调用相应的子程序计算，此时程序的参数可以人为手动调整。借助知识库的信息，程序计算的前起落架和主起落架的缓冲系统估算参数如表2所示。

在图5所示的程序中给出了两种工程估算方法，整体方案1对应文献[17]的方法，而整体方案2对应文献[18]的方法。采用整体方案2的方法，计算可得出定油孔缓冲器的起落架缓冲器的设计方案，考虑到研究对象为大型客机，为了提高效率，增加乘客的乘坐舒适性，可以在表2的基础上，扩大油孔面积，增加油针，再对一些参数进行小范围的调整，可以得到缓冲性能分析的参数。

图5 缓冲器参数估算程序
Fig.5 Parameter evaluation program for a shock absorber

表2 缓冲系统参数的选取

Table 2 Parameters of the shock system

注：轮胎规格a×b-c中，a为轮胎外直径(in)，b为轮胎断面宽(in)，c为轮辋直径(in)。

进一步地，由这些缓冲器参数，根据起落架着陆动力学模型，采用龙格-库塔的数值方法，将动力学的模型公式和龙格-库塔方法用函数表示，封装在Visual Basic程序中，对缓冲性能进行分析。以某型飞机的前起落架为例，缓冲性能分析程序如图6所示，程序的右边可以依据需要选择功量图、缓冲支柱力-时间、轮胎反力-时间、轮胎压缩量-时间等输出曲线。

图6 缓冲性能分析程序
Fig.6 Landing performance analysis program

3.3 缓冲器零件的二次开发

接下来，设计人员传递的不仅是缓冲器的设计参数，还要传递CAD模型，而利用已有的CATIA模型进行二次开发，将影响缓冲性能较大的特征参数进行提取和存储，改变这些参数来提高CAD设计效率。

而CAE软件普遍采用了CAD模型接口，CAD模型通过IGES等格式能将CAD模型中主要的几何信息传递到CAE模型中，通过提高CAD建模的效率间接提高CAE建模的效率。

在明确起落架缓冲器的各个零件之后，则起落架的主要功能部件已经明确，其他零部件依靠设计人员经验完成，以备后续进行完善。接着在CAD软件中或者导入到CAE软件中进行装配，并进行干涉检查和运动学分析，为CAE分析做准备。

综上，起落架设计人员在短时间明确了起落架的结构形式、主要结构尺寸、布置位置以及缓冲器参数、性能等信息，形成一整套设计方案。某型飞机前起落架和主起落架的CAD模型分别如图7所示。

图7 起落架CAD模型
Fig.7 CAD model of landing gear

4 结论

从起落架缓冲器设计的工程实际出发，改进了传统的设计人员手工计算的方式，采用Access数据库对知识库进行了开发，Visual Basic封装了起落架总体参数估算、缓冲器参数估算、缓冲性能分析、CATIA缓冲器零件二次开发、缓冲器零件库存管理等公式。通过算例，程序运行良好，可以有效地提出缓冲器设计方案，提高设计人员的效率。