В статье, опубликованной в прошлом месяце в журнале SIAM Journal on Applied Dynamical Systems, авторы Крис Хоукрофт, Бернд Краускопф, Марк Ловенберг и Саймон Нилд изучают динамику шасси самолета с использованием нелинейных моделей. Динамика вибрации шасси и взаимодействие колеса с землей принципиально нелинейны.
«Шимми-колебания шасси самолета долгое время были проблемой, и их прогнозирование и предотвращение остаются постоянной проблемой при проектировании шасси», – объясняет автор Крис Хоукрофт. "Проблема в том, что шасси может демонстрировать желаемое поведение во время маневров взлета / посадки с земли в течение нескольких сотен или около того полетов, но затем внезапно колеблется при правильных – или, скорее, неправильных – условиях."
К счастью, математические модели предоставляют рентабельные способы изучения динамики основных опор шасси (MLG) и определения типов колебаний, которые могут возникать в различных условиях. «Проведенная нами работа проясняет, при каких условиях колебательные колебания могут встречаться в MLG типичного пассажирского самолета среднего размера. Мы определили различные типы колебаний и показали, где они возникают », – говорит Хоукрофт.
«Правильная математическая модель – это действительно ключ», – добавляет он. «Фактическое тестирование чрезвычайно дорогое, однако методы нелинейного анализа очень хорошо подходят для выявления этой труднодоступной динамики.
Их также можно использовать для определения характеристик вибрации до того, как самолет будет фактически построен."
Модель может дать представление не только о работе самолета, но и о конструктивных особенностях, а также может помочь в настройке и того, и другого для обеспечения оптимальной устойчивости.
Шасси самолета выдерживает вес самолета при посадке и наземных операциях. Помимо колес, шасси также имеют амортизирующее оборудование или «амортизаторы», а также тормоза, механизмы втягивания, органы управления и структурные элементы, которые прикрепляют шасси к самолету.
Модель в статье учитывает динамику контакта шин и ориентацию боковой стойки, той части самолета, которая поддерживает амортизационную стойку.
Он характеризует движение системы с точки зрения динамики MLG, которая выражается в трех степенях свободы: вращение вокруг главной стойки, а также движение в плоскости и вне плоскости относительно плоскости главной стойки и боковой упор. После определения динамики для простейшего геометрического случая, когда боковая распорка перпендикулярна направлению движения, авторы используют модель для изучения различных ориентаций боковой распорки.
«Для конкретного случая MLG мы разработали нелинейную и полностью параметризованную модель, которая позволила нам отобразить, как ее динамика зависит от эксплуатационных параметров, таких как скорость и нагрузка самолета, а также проектные параметры, описывающие геометрию шасси», – поясняет Howcroft. «В отличие от более традиционного подхода к выполнению большого количества симуляций, это было достигнуто за счет использования передовых инструментов из динамических систем, которые непосредственно отслеживают решения и изменения стабильности параметров."
Более того, в дальнейшем в модель могут быть включены другие параметры, такие как состояние взлетно-посадочной полосы или давление в шинах, или физические эффекты, такие как динамика амортизатора.
«Будущие направления этого исследования будут сосредоточены на учете и оценке дополнительных нелинейных эффектов», – говорит Хоукрофт. «Например, механические соединения расшатываются в течение срока службы шасси самолета, и это может сильно повлиять на динамические характеристики, срок службы и требования к техническому обслуживанию шасси."
«Нелинейное моделирование и анализ теперь внедряются в качестве инструментов в промышленную практику благодаря недавней разработке набора инструментов MATLAB», – говорит автор Саймон Нилд. «Это захватывающее зрелище, и это позволило нашей группе решить не только проблему смещения шасси, но и проблему наземных маневров самолета и потери управления авиалайнером в полете."
Автор Бернд Краускопф добавляет: «Этот проект является частью более масштабных исследований, проводимых в сотрудничестве с Airbus и посвященных динамике земли самолета с помощью бифуркационного анализа нелинейных моделей.
Связанные работы касаются шимми в носовой стойке шасси и его взаимодействия с динамикой фюзеляжа."
Будущая работа объединит множество различных аспектов в единую модель. «В конечном итоге наши текущие исследования продвигаются к интеграции шасси и планера в общую модель, которая позволяет нам создать полную динамическую картину динамики грунта самолета», – говорит автор Марк Ловенберг.