SolidWorks飞机起落架仿真分析.docx
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SolidWorks飞机起落架仿真分析
重庆理工大学
机构运动与仿真课程论文
设计题目：
飞机起落架仿真分析
指导老师：
张晋西
姓名：
王飞
专业：
机械设计制造及其自动化
学号：
11104020620
学院：
机械工程学院
中国重庆
2014年05月
目录
摘要...........................................2
飞机起落架的现状分析...........................2
飞机起落架的原理分.............................3
飞机起落架实体建模.............................3
飞机起落架的仿真与分析........................13
心得体会......................................16
参考文献......................................16
摘要：
本文研究了在Solidworks2012软件中利用SolidworksMotion及SolidworksSimulation等插件进行飞机起落架的机构运动分析与仿真的方法，将飞机起落架的机构仿真技术简单、完整的用软件仿真运行了一遍，本次机构仿真的几个主要过程包括，实体建模、零部件装配、运动仿真、Motion分析，及有限元分析计算。
关键词：
Solidworks飞机起落架运动分析与仿真
1.飞机起落架现状分析
飞机起落架是飞机四大关键部件（发动机、机翼、机身、起落架）之一。
起落架是飞机起飞、着陆系统，是飞机上的关键受力部件，要承受很大的载荷强烈的冲击，直接关系到飞机和乘员的安全，因此对飞机的性能和安全起着十分重要的作用，所以飞机起落架材料是具有很高强度、刚性和良好的韧性。
飞机起落架的机构设计更是要各方面考虑全面到位。
目前飞机的起落架按照飞机起降地起落架基本可以分为三种：
轮式起落架、滑橇式起落架、水上起落架。
按起落架的布置常见的起落架形式是三点式机轮。
如果一对主要承载起落架位于飞机重心之后另一个起落架位于机头之下，那就是前三点式起落架。
如一对主要起落架位于飞机重心之前，另一起落架在机尾之下，就是后三点式起落架。
除了三点式起落架还有自行车式起落架，即主起落架设在飞机中腹在机身下构成一前一后的自行车式排布，另外在翼尖还会有两个小的辅助起落架，如美国的B-52轰炸机和英国的俄式战斗机。
轻型飞机的主起落架一般只有一到两个机轮，而大型客机或运输机的主起落架一般是由一组机轮组成的小车式起落架平台，如破音747客机的主起落架就是由四轮小车一个16个机轮构成的平台，而空中客车A380的主起落架更是有20个机轮。
2.飞机起落架原理分析
这里我设计的飞机起落架是液压系统（液压缸）与连杆机构的结合，通过液压缸里的液压油的进出使活塞杆进行收缩且能绕着一个固定轴转动。
并通过销钉链接带动与活塞杆同时链接在销钉上对称布置的连杆，连杆机构是一个铰链四杆机构，连杆机构的转动带动飞机轮的放下与拿起。
其简要模型如下图2-1（放下）2-2（拿起）所示
图2-1图2-2
3.飞机起落架实体建模
3.1运动副相对关系与尺寸的确立
当飞机起落架的轮胎放下时，我们将起落架投影到一个视图上，可以大体的看出个运动副之间的相对位置关系。
此时的铰链四杆机构大体呈一个直角三角形，我们以勾三股死的勾股定理先设定三个运动副之间的关系及位置，然后以斜边的中点为铰链四杆机构的第四个转动副位置。
再把400mm的边延长150mm后做垂直向上500mm的直线处，做为液压缸的转动副所在的位置，再以这一点转动副链接三角形斜边的中点，得到的直线则为液压缸伸长到极限位置时液压缸与活塞杆的总长度，再将此直线分为两段作为液压缸和连杆的长度，则我们的飞机起落架模型的运动副相对位置基本确定，而连杆等的长度也基本确定，在SolidWorks中绘制出其运动副的相对位置简图如图3-1所示
圆——转动副长方形——移动副直线——杆件及机架
图3-1
3.2零件的绘制
底座的绘制：
点击拉伸凸台基体
鼠标选择前视基准作为绘图平面，软件界面将自动进入草图绘制的操作界面利用直线、圆弧、园、智能尺寸及裁剪等操作指令（如下图所示的操作条）
绘制出如图3-2-1的草图点击界面右上方的退出草图按钮，将弹出凸台拉伸的对话框，输入拉伸的距离为50mm则零件底座的大致外形就出来了如图3-2-2，再利用圆角
的命令对部分地方进行倒角，点击倒角命令，选择要倒角的边线，输入倒角半径为30mm点击应用，如图3-2-3所示。
这样底座就画好了如图3-2-4所示，保存文件到指定的文件夹就可以了，另一边的底座与这个底座一样所以直接在文件夹里复制粘贴重命名之后即可在SolidWorks中打开。
图3-2-1图3-2-2
图3-2-3图3-2-4
各连杆的绘制：
和底座的绘制一样首先点击凸台拉伸按钮，选择所要绘图的基准面，在弹出的草图绘制界面里绘制拉伸草图，退出草图后弹出的拉伸距离为30mm。
连杆草图的草图分别如图3-2-5和图3-2-6所示。
由于模型的对称分布，及尺寸相同，所以模型的六个连杆只用画两个零件，在根据所需零件的个数复制粘贴即可连杆250mm的零件所需数量为4连杆380mm所需的数量为2。
图3-2-5图3-2-6
绘制好的连杆250mm和连杆380mm分别如下图3-2-7和3-2-8所示。
图3-2-7图3-2-8
各销钉的绘制：
各运动副的的连接是用销钉连接而够成的转动副，这里简化运动结构直接用圆柱表示销钉销钉的个数与尺寸分别为4×110mm，1×190mm，1×250mm，1×350mm。
具体操作过程也相对简单，由于底座和连杆的圆孔均为∅30mm的圆所以这里的销钉，直接点击凸台拉伸命令，然后选择草图基准面，再利用草图里的绘制圆的命令绘制一个直径为30mm的圆，画好后退出草图，在弹出的凸台拉伸对话框里输入销钉的长度即可，长度分别为110mm，190mm，250mm，350mm。
绘制出的销钉如图3-2-9所示
销钉110mm销钉190mm
销钉250mm销钉350mm
图3-2-9
液压缸缸体的绘制：
先利用凸台拉伸在前视图中绘制一个拉伸长度为520mm的圆柱体，拉伸草图的圆的直径为50mm如图3-2-10所示，再利用圆顶将圆柱的一端顶部圆整为半球形，点击工具栏的圆顶选项，弹出圆顶对话框后选择需要圆顶的端面，再输入圆顶的大小为50mm点击回车后圆顶结果如图3-2-11所示，下一步就是绘制转动副处的圆孔，点击凸台拉伸，选择绘图平面为上视图，在距离未圆顶的一端为420mm处画一个直径为60mm的圆如图3-2-12所示退出草图后拉伸的对话框里选择从基准面拉伸方向为两侧对称长度为120mm如图3-2-13所示，再选择拉伸切除选项
仍然用上视图为基准面绘制刚才Φ60的同心圆直径为Φ30mm点击右上方的退出草图在弹出的拉伸切除的对话框里依旧选择两侧对称切除深度为120mm如图3-2-14所示，再利用抽壳将液压缸的缸体抽出来，点击抽壳后，选择未圆顶的一端为抽空面，输入抽壳的厚度为10mm单击回车，但运动副处的圆柱并未被抽壳抽掉因此还需要用一个拉伸切除的命令将缸体内部的圆柱切除掉，切换到草图视图，点击转换实体引用选项
选择切除后产生的圆再切换回特征操作界面选择拉伸切除输入切除深度为480mm点击回车得到缸体的零件图如图3-2-15所示
图3-2-10图3-2-11
图3-2-12图3-2-13
图3-2-14图3-2-15
活塞杆的绘制：
先绘制活塞杆的活塞外轮廓，选择凸台拉伸后，选择前视基准面，在草图中绘制一个直径为80mm的圆，退出草图后拉伸距离为50mm，再在拉伸后圆柱的端面上，在利用凸台拉伸绘制一个直径为40mm拉伸长度为300mm的圆柱体，在拉伸之后的Φ40mm的圆柱的端面上利用凸台拉伸拉一个直径为50mm，拉伸长度为10mm的圆柱。
这里为了方便就在Φ50的端面上利用圆顶选项，输入距离为40mm。
在圆顶之后的球形上利用拉伸切除绘制一个直径为30mm的圆孔。
绘制好后如图3-2-16所示
图3-2-16
再对活塞杆的活塞部分切一些环形槽，切环形槽需要用到旋转切除，因此首先我们要插入一个基准轴作为旋转的轴心线，把鼠标放到左上角的SolidWorks处，待出现工具条时，选择“插入→参考几何→基准轴”在弹出的对话框里选择活塞杆活塞部分的圆柱面点击确定。
然后选择旋转切除选项
选择右视基准作为绘图的基准面，在活塞的头部绘制一个长方形，退出草图后，在弹出的选择切除对话框中选择插入的基准轴为轴线，选择绘制的长方形为切除图形，点击对话框上的小勾确定，然后利用线性阵列进行阵列。
点击线性阵列在弹出的对话框中选择方向为基准轴1，距离为15mm，阵列个数为3个，要阵列的特征为旋转切除并勾选对话框选项里的几何阵列。
如果要预览一下，可以勾选预览。
看了效果还可以就点击绿色的小勾确定。
最后绘制好的活塞杆如图3-2-17所示
图3-2-17
飞机轮胎的绘制：
前面很多零件的绘制当中很多方法都已经详细的说过了，这里一些具体的方法我就不说了。
轮胎的绘制是先凸台拉伸一个直径为200mm高为60的圆柱如图3-2-18，再利用拉伸切除在圆心出打一个Φ30的孔，在对圆柱体端面的两天线到圆角，圆角半径为30mm再画一个如图3-2-19的草图拉伸切除5mm，再利用圆周阵列将拉伸切除的特征阵列为10个，阵列的途径为Φ30的圆孔的圆，角度为360度，并勾选对话框里选项下的几何体阵列，如图3-2-20所示，再以圆柱的两端面的中间插入基准面，为镜像实体做准备。
点击镜像镜像面为刚才插入的基准面，镜像的特征为圆周阵列，勾选几何体阵列。
点击小勾确定后得到轮胎的零件图如图3-2-21
图3-2-18图3-2-19
图3-2-20图3-2-21
3.3零件的装配
先新建一个装配图，再插入绘制的底座零件作为固定的基准。
再插入底座的另一半用面与面之间的平行关系将底座的左右两个部分对称布置并且两个对称的特征相距为销钉250mm的长度，再在底座的顶部的运动副中插入销钉350以圆柱面和孔面同心，圆柱端面和底座一侧面重合进行配合。
再插入活塞缸与销钉350mm进行配合，配合的方式为孔面和圆柱面同心与底座测面与活塞缸运动副处的凸台圆面的距离，且距离为110mm，再按照图纸的关系，将连杆相互配合好后，在分别插入各自的销钉，是所用的配合方式依旧是圆柱面与孔面同心，和面与面之间的重合，嘴和装配活塞杆和轮胎，活塞杆插入后直接用空面与圆柱面冲和的装配方式，分别于液压缸和销钉250mm进行配合。
而轮胎插入后与销钉190mm之间利用圆柱面与孔面的同心使轮胎的轴心与销钉的轴心共线后，在使用面与面之间的距离陪和方式，时轮胎居于销钉的正中间，由设计时的计算可知，轮胎端面与底座内部侧面的距离为35mm。
因此这里面与面之间的距离配合输入为35mm。
装配好后就可得如图5-3-1所示的飞机起落架装配图
4.飞机起落架仿真与分析
4.1运动图解的分析：
装配好的飞机起落架若想运动起来就得给系统添加动力元件。
而飞机起落架的实际是一个液压系统控制液压缸油液的进出而带动活塞杆再带动连杆运动，但仿真不能作出液压的效果，所以简化后直接在活塞杆上加上一个线性马达模拟其液压缸的运动效果。
具体操作过程为在装配图的图纸里选择右下方的运动算例再将右下方的长方形里的对画框选项选为motion分析，在确保各种插件安装完毕之后，点击马达选项添加马达，在弹出的对话框里选择要添加马达的部位、方向，及马达的性质，这里加的是线性马达。
并设置马达的参数如等速还是变速，我们这里简化为等速马达，为了方便观察我们把速度设为默认的10，当然飞机起落架的真实收放速度是很快的。
设置好速度后模型中将出现马达的符号，如图4-1所示
图4-1添加马达
当模型能够正常运动之后，拖动时间条，并转动装配体到初始运动位置。
我们这模拟的是飞机起落架的拿起，故其初始位置为轮胎垂直放下时，由于计算机功能不够强大，我们只模拟8s的时间。
如图4-2所示
图4-2
仅有运动还不够，还应该用Motion分析功能，对运动过程中的位移、速度、加速度等计算分析产生图表出来，便于我们直观地进行分析和判断。
这里活塞杆的线速度我们已经固定了，因此我们对活塞杆的角位移图像进行求解，以及拿起时轮胎的运动路径和轮胎的求解以及活塞缸与活塞杆之间的力的结果如下列图表所示
图4-3活塞杆的角位移
图4-5飞机轮胎的运动路径
图4-6活塞缸与活塞杆的作用力
因为这里的线性马达速度是恒定的，所以杆件的角速度也是恒定的值，角加速度为0，所以这里我们不对速度与叫加速度进行分析。
4.2有限元分析：
飞机起落架是飞机落地时的主要承载部件。
因此对材料的要求非常高一般的材料都不能满足，我们这里有限元分析用的材料为合金钢，并只对受力比较大的活塞杆做了有限元分析。
其分析结果图如图4-7、4-8、4-9所示
图4-7活塞杆安全系数图解图4-8活塞杆变形图解
图4-9活塞杆应力图解
由图解可以看出活塞杆圆柱面受弯曲的部分应力最大，材料的强度还达不到要求，安全系数也相对较低，因此应换更好的能抗弯的合金材料，设计的尺寸也存在不合理，应进一步优化。
心得体会：
在SolidWorks这门软件的学习当中，我了解到了更多的三维实体建模方法。
同时还学会了怎样利用这门软件进行运动仿真。
给自己做出的模型给以一定的实用性评价。
在这个过程中查阅的资料也增加了自己的见闻，了解了飞机起落架在国内的一些行情。
知道了一个小小的起落架却关系着飞机的使用性能和乘客的安全，以及它对材料的高要求，甚至产生了专门研究它的学问。
及它的相关信息与一般知识。
并且学习这么软件本身就是一件很愉快的事，在这么软件的应用与学习中，我在对软件的熟悉的过程中也认识了更多的同学，一起交流学习心得及使用技巧的同时，也加深了同学与老师之间的感情。
最重要的收获还是自己又多学会了一门三维绘图软件，为我以后出去工作打下了一定的基础。
参考文献：
[1]张晋西，等.SolidWorks及COSMOSMotion机械仿真设计[M].北京：
清华大学出版社，2007.
[2]张忠将.Solidworks基础与应用精品教程.北京:
机械工业出版社，2010.
[3]机构运动仿真基础实例清华大学出版社
[3]XX文库
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