含单边非完整约束飞机滑跑的建模与仿真方法

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1、2015年5月第41卷第5期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsMav2015V01．41NO．5http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．caDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0342含单边非完整约束飞机滑跑的建模与仿真方法徐梓尧，王琪+(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：当飞机在地面上滑行时，其运动会受到风载荷和不

2、对称刹车力矩的影响．为分析飞机的动力学行为，给出了一种基于非完整非光滑多体系统动力学的建模与数值仿真方法．将飞机视为由机身和前后起落架组成的多体系统，主起落架的轮子为纯滚动，飞机在地面滑跑时考虑前起落架轮子的侧向滑移．飞机在跑道上滑跑的动力学方程由Routh方程导出，用约束稳定化方法抑制约束的漂移．轮与地面间的摩擦模型为库仑摩擦模型并用集值函数描述，以用于判断前轮是否发生侧向滑移．最后通过数值仿真算例分析风载荷和不对称刹车力矩作用下飞机在跑道上滑行的动力学行为．关键词：飞机滑跑；多体系统；非光滑；单

3、边约束；非完整约束中图分类号：V219文献标识码：A文章编号：1001-5965(2015)05-0835-06飞机的起飞、着陆和在跑道上滑行是其必须经历的动力学过程．飞机50％以上的安全事故发生在起飞和降落阶段，飞机不仅要具有良好的飞行特性，也须具有良好的地面运动特性⋯．目前关于飞机地面特性的研究主要集中在飞机的着陆缓冲旧1和滑行减震¨’31，以及前轮摆振H’等方面；关于飞机在地面滑行特性的研究则主要集中在飞机地面的转弯运动和轨迹控制优化；而针对飞机在地面上高速滑跑阶段的偏航和侧向运动的研究则较少

4、．文献[5-6]从动力学角度建立了飞机在跑道上的低速滑跑模型，假设轮子在地面上纯滚动，在考虑转向时前轮无侧滑的情况下，研究了飞机的转向运动．文献[7]在假设前轮无侧滑的基础上，研究了飞机在地面上中速滑行的操纵稳定性问题．当飞机在跑道上滑跑时，若将轮子视为刚体，则飞机受到的约束为非完整约束¨1．在非对称力作用下，飞机滑跑时会出现前起落架的横侧向变形和前轮的侧滑，导致飞机跑偏现象的发生．如何避免该现象的发生是一个值得研究的课题．飞机在跑道上滑行的动力学问题属于非光滑非完整多体系统动力学问题．本文将飞机视

5、为由机身和前后起落架构成的多体系统，考虑在主起落架轮子的刹车力矩不对称和侧向风力作用下引起的前起落架的横侧向变形和前轮侧滑等因素，用多体系统动力学方法建立飞机在跑道上滑行的动力学模型，通过数值仿真分析其动力学行为，并验证该方法的有效性．1飞机滑跑的力学建模飞机的着陆过程一般包括下降、拉平、平飞减速、飘落和在地面减速滑跑等阶段．飞机着陆时，先是后轮与地面接触，然后是前轮与地面接触，在这一过程中轮子与地面之间存在滑动，经过短暂的时间后，前后轮均在跑道上纯滚动，这时再开始采取飞机滑跑减速的措施一。．减速措

6、施包括空气收稿日期：2014-06．11；录用日期：2014-06-25；网络出版时间：2014—10-0915：30网络出版地址：www．cnki．net／kcms／doi／10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0342．html基金项目：国家自然科学基金(11372018)作者简介：徐梓尧(1988一)，男，湖北黄冈人，博士研究生，xuziyao1988@126．corn}通讯作者：王琪(1959一)，男，北京人，教授，bhwangqi@sina．com，主要研究方向为多体系

7、统动力学5t甩格式：徐梓尧，i琪．含单遮非完整约束飞机滑跑的建模与仿真方法【1]．北京航空航天大学学报，2015，41(5)：835-840．xuzY，WangQ．Methodformodelingandsimulationofaircrafttaxiingwithunilateralandnon-holonomlcconstraintsEJ]．．10umalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41p)：835-840(inChi

8、nese)．836北京航空航天大学学报动力减速和后轮刹车减速．由于飞机的质心在靠近主起落架轴线中点的前端，两个主起落架承受整机85％以上的重量，因此飞机滑跑时主起落架的轮子不易发生侧滑．若刹车时，后轮与地面出现相对滑动(拖胎现象)，轮胎会过度磨损，飞机整体会出现突然的航向失稳，造成严重事故，这种现象是不被允许的．因此，飞机在跑道上滑跑时，主起落架的轮子是在跑道上纯滚动．飞机在跑道上高速滑跑时，前轮的转弯系统处于减摆状态¨引．当外部因素(如后轮刹车力的不对称性、风载荷等