CN115809508A - 飞机起落架机械系统建模方法、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机起落架机械系统建模方法、设备及存储介质，该方法包括构建飞机起落架机械系统三维模型；基于飞机起落架机械系统三维模型，构建飞机起落架机械系统动力学仿真模型；将飞机起落架机械系统动力学仿真模型中的每个Modelica语言模型与三维标准几何文件进行关联，并设置三维标准几何文件的路径和位置，实现所述飞机起落架机械系统动力学仿真模型的可视化；对飞机起落架机械系统动力学仿真模型进行参数设置，并通过接触模块连接起落架Modelica语言模型的轮胎及跑道模型，完成建模。本发明对提高飞机起落架机械系统的研发效率，降低研发成本，以及减少飞机起落架机械系统的设计开发迭代具有重要意义。

Description

飞机起落架机械系统建模方法、设备及存储介质

技术领域

本发明属于工程系统建模仿真计算领域，尤其涉及一种基于Modelica语言的飞机起落架机械系统建模方法、设备及存储介质。

背景技术

飞机起落架系统是涉及机、电、液、控多专业多学科的复杂系统，交联关系复杂，而飞机起落架的设计、生产周期长，投入大，如果前期验证不充分，往往导致在交付后出现各种故障问题，极大的影响成本和进度。而前期基于物理样机的试验验证成本高，且周期长，难以满足现代飞机起落架在生产设计和结构优化方面的需求。为此，借助虚拟样机技术，搭建飞机起落架系统仿真模型，为飞机起落架的设计优化提供数据支撑，对提高项目的设计研发效率及系统安全性、可靠性具有重要意义。

Modelica语言是一种面向对象的、基于方程的、非因果的多领域统一建模语言,在涉及机械、电子、控制、液压、气动、热等多学科、多专业耦合的大规模复杂异构模型的构建方面具有天然的优势。同时Modelica语言具有很好的开放性,能够集成多种异构模型,可以在统一建模平台中建立不同学科、不同专业的模型,进行仿真模型的集成，并开展系统级的集成仿真，其构建的模型还具有较高重用性和可扩展性。

飞机起落架机械系统作为飞机起落架系统的重要组成部分，不但需要考虑机械系统内部部件的交联运动关系，还需要结合机械系统与飞机、环境、跑道等各方面影响因素。因此，飞机起落架机械系统的成败也决定了飞机在整个地面状态的运营安全。所以，对飞机起落架机械系统开展仿真及试验验证工作是飞机设计的重要环节之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞机起落架机械系统建模方法、设备及存储介质，以解决传统基于物理样机的试验验证成本高，周期长，难以满足飞机起落架在生产设计和结构优化上的需求问题。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种飞机起落架机械系统建模方法，所述建模方法包括以下步骤：

构建飞机起落架机械系统三维模型；

基于所述飞机起落架机械系统三维模型，构建飞机起落架机械系统动力学仿真模型；

将所述飞机起落架机械系统动力学仿真模型中的每个Modelica语言模型与三维标准几何文件进行关联，并设置所述三维标准几何文件的路径和位置，实现所述飞机起落架机械系统动力学仿真模型的可视化；

对所述飞机起落架机械系统动力学仿真模型进行参数设置，并通过接触模块连接起落架Modelica语言模型的轮胎及跑道模型，完成建模。

进一步地，利用三维建模软件构建所述飞机起落架机械系统三维模型。

进一步地，构建所述飞机起落架机械系统三维模型的具体实现过程为：

构建飞机起落架机械系统中各部件的模型，部件模型包括机体模型、前起落架模型、左主起落架模型、右主起落架模型、前起落架舱门模型以及主起落架舱门模型；

基于所述飞机起落架机械系统中各部件之间的运动关系，构建部件模型与部件模型之间的运动副，所述运动副包括移动副、转动副、万向节、球铰。

进一步地，构建所述飞机起落架机械系统动力学仿真模型的具体实现过程为：

利用三维转换插件将所述飞机起落架机械系统三维模型中的每个部件模型导出，形成对应部件的Modelica语言模型，将部件Modelica语言模型与部件Modelica语言模型之间的运动副转换成Modelica语言运动副模型；

在起落架模型对应的Modelica语言模型中构建弹簧阻尼模块，其中，所述起落架模型包括前起落架模型、左主起落架模型、右主起落架模型；

打开每个部件对应的Modelica语言模型，并与世界模块建立连接关系，再对所有部件的Modelica语言模型进行封装组合，得到所述飞机起落架机械系统动力学仿真模型。

进一步地，在所述起落架模型对应的Modelica语言模型中构建弹簧阻尼模块的具体实现过程为：

对起落架模型对应的Modelica语言模型的外筒部件与活塞杆部件之间的移动副进行额外的接口设置，生成外部机械接口；

调用Modelica3.2.3标准库内的弹簧阻尼模块，将所述弹簧阻尼模块与所述外部机械接口连接，实现弹簧阻尼模块在起落架模型对应的Modelica语言模型中的构建。

进一步地，各部件对应的Modelica语言模型与世界模块建立连接的具体实现过程为：

调用Modelica3.2.3标准库内的世界模块，将所述世界模块与各部件对应的Modelica语言模型通过姿态转换模块进行连接；

其中，所述姿态转换模块用于约束世界模块与各部件对应的Modelica语言模型之间的坐标系偏移关系，调整各部件对应的Modelica语言模型在世界模块中的位置。

进一步地，所述飞机起落架机械系统动力学仿真模型的参数包括各部件Modelica语言模型的参数、Modelica语言运动副模型的参数、姿态转换模块的参数、世界模块的参数、弹簧阻尼模块的参数；

各部件Modelica语言模型的参数包括部件质量、质心质量、转动惯量以及初始化参数，所述初始化参数包括部件名称、形状、颜色、材质、初始位置和姿态、尺寸；

所述Modelica语言运动副模型的参数包括运动副的运动方向以及初始运动信息，所述初始运动信息包括初始位置和速度；

所述姿态转换模块的参数包括相对位置和姿态；

所述世界模块的参数包括重力加速度大小及其作用方向；

所述弹簧阻尼模块的参数包括弹簧刚度系数和阻尼系数。

进一步地，所述通过接触模块连接起落架Modelica语言模型的轮胎及跑道模型的具体实现过程为：

调用接触模块，利用接触模块将前起落架Modelica语言模型、左起落架Modelica语言模型、右起落架Modelica语言模型的轮胎与跑道模型进行连接；

其中，所述接触模块用于模拟轮胎与跑道的接触，给轮胎提供竖直方向的接触作用力，实现起落架在跑道上的支撑和滑行。

基于同一发明构思，本发明还提供一种飞机起落架机械系统建模设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的飞机起落架机械系统建模方法的步骤。

基于同一发明构思，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的飞机起落架机械系统建模方法的步骤。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所提供的一种飞机起落架机械系统建模方法、设备及存储介质，采用的Modelica语言是一种面向对象的、基于方程的、非因果的多领域统一建模语言，适用于涉及机械、电子、控制、液压、气动、热等多学科、多专业耦合的大规模复杂异构模型的构建领域，其构建的模型具有较高重用性和可扩展性。

相对于传统的通过数学公式开展的三维机理建模方法，本发明更加简单便捷，其仿真结果可以进行可视化分析，使技术人员能够结合飞机起落架机械系统的三维运动动画和仿真曲线进行动力学分析，提高了仿真建模过程中的调试效率和建模准确性。

相比多软件联合仿真的建模方法，本发明能够在统一的仿真平台开展机械、电子、控制、液压、气动、热等多学科、多专业的仿真分析计算，大大降低了系统集成仿真开发难度，求解效率更高。

本发明在进行模型构建时，采用基于各三维部件运动关系的动力学建模方法，相比其他方法更准确，更贴合实际机械系统情况，为飞机起落架系统开展收放、滑跑、转弯、刹车等复杂场景的仿真分析奠定基础，对提高飞机起落架机械系统的研发效率，降低研发成本，以及减少飞机起落架机械系统的设计开发迭代具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中飞机起落架机械系统建模方法流程图；

图2是本发明实施例中飞机起落架机械系统动力学仿真模型示意图；

图3是本发明实施例中某型飞机起落架机械系统仿真动画图；

图4是本发明实施例中飞机起落架机械系统仿真模型示意图。

其中，1-世界模块，2-刚体模型，3-球铰，4-移动副，5-弹簧阻尼模块，6-转动副，7-姿态转换模块，8-万向节，9-机体模型，10-前起落架舱门模型，11-前起落架模型，12-右主起落架模型，13-主起落架舱门模型，14-左主起落架模型，15-接触模块，16-跑道模型。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种飞机起落架机械系统建模方法，包括以下步骤：

步骤1：构建飞机起落架机械系统三维模型

根据飞机起落架机械系统设计方案，采用主流三维建模软件构建飞机起落架机械系统三维模型。本实施例中，采用三维建模软件CATIA构建飞机起落架机械系统三维模型，具体构建步骤为：

步骤1.1：构建飞机起落架机械系统中各部件的模型，部件模型包括机体模型9、前起落架模型11、左主起落架模型14、右主起落架模型12、前起落架舱门模型10以及主起落架舱门模型13；

步骤1.2：基于飞机起落架机械系统中各部件之间的运动关系，构建部件模型与部件模型之间的运动副，运动副包括移动副4、转动副6、万向节8、球铰3。

步骤2：构建飞机起落架机械系统动力学仿真模型

将构建的飞机起落架机械系统三维模型转换成基于Modelica语言的飞机起落架机械系统动力学仿真模型，具体实现过程为：

步骤2.1：利用KineTrans插件将飞机起落架机械系统三维模型中的每个部件模型导出，形成对应部件的Modelica语言模型(即.mo格式文件，包含三维模型的相关数据信息)，将部件Modelica语言模型与部件Modelica语言模型之间的运动副转换成Modelica语言运动副模型。

对应部件的Modelica语言模型具体为：机体Modelica语言模型、前起落架Modelica语言模型、左主起落架Modelica语言模型、右主起落架Modelica语言模型、前起落架舱门Modelica语言模型以及主起落架舱门Modelica语言模型。

步骤2.2：在起落架模型对应的Modelica语言模型中构建弹簧阻尼模块5。

其中，起落架模型包括前起落架模型11、左主起落架模型14、右主起落架模型12，起落架模型对应的Modelica语言模型即为前起落架Modelica语言模型、左主起落架Modelica语言模型、右主起落架Modelica语言模型。

本实施例中，在起落架模型对应的Modelica语言模型中构建弹簧阻尼模块5的具体实现过程为：

步骤2.21：对起落架模型对应的Modelica语言模型的外筒部件与活塞杆部件之间的移动副4进行额外的接口设置，生成外部机械接口；

步骤2.22：调用Modelica3.2.3标准库内的弹簧阻尼模块5，将弹簧阻尼模块5与外部机械接口连接，实现弹簧阻尼模块5在起落架模型对应的Modelica语言模型中的构建。

步骤2.3：在多领域统一建模与仿真分析软件MWorks.Sysplorer中打开每个部件对应的Modelica语言模型，并与世界模块1建立连接关系，再对所有部件的Modelica语言模型进行封装组合，得到飞机起落架机械系统动力学仿真模型，如图2所示。

本实施例中，各部件对应的Modelica语言模型与世界模块1建立连接的具体实现过程为：

调用Modelica3.2.3标准库内的世界模块1，将世界模块1与各部件对应的Modelica语言模型通过姿态转换模块7进行连接。

其中，姿态转换模块7用于约束世界模块1与各部件对应的Modelica语言模型之间的坐标系偏移关系，调整各部件对应的Modelica语言模型在世界模块1中的位置。

步骤3：飞机起落架机械系统动力学仿真模型的可视化

利用MWorks.Sysplorer将飞机起落架机械系统动力学仿真模型中的每个Modelica语言模型与三维标准几何文件(.stl)进行关联，并设置三维标准几何文件的路径和位置。设置完成后，在进行飞机起落架机械系统动力学仿真时，可以实时查看飞机起落架机械系统工作过程的动画演示，实现飞机起落架机械系统动力学仿真模型的可视化，如图3所示的某型飞机起落架机械系统仿真动画图。

步骤4：飞机起落架机械系统动力学仿真模型的参数设置

如图2中所示的飞机起落架机械系统动力学仿真模型，飞机起落架机械系统动力学仿真模型搭建完成后，还需要对动力学仿真模型各部件Modelica语言模型的参数进行设置。本实施例利用多领域统一建模与仿真分析软件MWorks.Sysplorer打开模型，并进行参数设置。

飞机起落架机械系统动力学仿真模型的参数包括各部件Modelica语言模型的参数、Modelica语言运动副模型的参数、姿态转换模块7的参数、世界模块1的参数、弹簧阻尼模块5的参数。

各部件Modelica语言模型(即刚体模型2)是构建飞机起落架机械系统的主要部件模型，飞机起落架机械系统三维模型中各部件模型转换成Modelica语言模型时，将各个独立的部件模型视为一个刚体模型2，并将各部件三维模型的主要数据附加在对应的刚体模型2中，每一个刚体模型2可以关联一个三维几何文件。在仿真时，根据所设计飞机起落架机械系统各个部件的实际质量参数对刚体模型2中的参数进行设置，具体参数包括部件质量、质心质量、转动惯量以及初始化参数。初始化参数是指模型解算的初始时刻的取值，主要包括三维部件的名称、三维部件的形状、三维部件的颜色和材质、三维部件的初始位置和姿态、三维部件的长宽高、以及三维部件的其他额外信息。

根据飞机起落架机械系统各部件在三维空间中的运动关系，在飞机起落架机械系统各部件的Modelica语言模型之间，设置运动副(例如移动副4、转动副6、万向节8、球铰3等)，同时还设置运动副的运动方向以及初始运动信息，初始运动信息包括初始位置和速度等。对于需要添加驱动的运动副(例如移动副4)需要对其进行额外的接口设置，生成外部机械接口，用于传递力和位移信息。

姿态转换模块7的参数包括相对位置和姿态，主要确定飞机起落架机械系统各相邻部件之间的相对位置和姿态关系。

世界模块1的参数包括重力加速度大小及其作用方向，主要确定当前仿真环境的重力场参数。

弹簧阻尼模块5的作用主要是模拟起落架缓冲支柱的缓冲功能，其参数设置主要是调节缓冲性能涉及的弹簧刚度系数和阻尼系数。

步骤5：通过接触模块15连接起落架Modelica语言模型的轮胎及跑道模型16

飞机起落架机械系统动力学仿真模型已完成，然而，在进行飞机起落架机械系统仿真时，还需要与地面接触，本实施例通过接触模块15连接飞机轮胎组件与跑道，模拟飞机轮胎与跑道的接触，给飞机提供竖直方向的接触力作用。接触模块15可以设置地面的刚度阻尼，通过设置接触模块15的刚度阻尼系数、摩擦系数和接触深度来实现飞机轮胎与跑道的接触。基于接触模块15也可以模拟不同跑道参数下飞机起落架机械系统滑跑时的工作性能。通过设置机体模型9的参数，可以赋给飞机初始位置和初始速度，也可以通过外部信号连接轮胎与缓冲支柱连接的转动副6，给一定的速度，实现飞机的滑跑仿真，如图4所示。

本实施例中，通过接触模块15连接起落架Modelica语言模型的轮胎及跑道模型16的具体实现过程为：

调用接触模块15，利用接触模块15将前起落架Modelica语言模型、左起落架Modelica语言模型、右起落架Modelica语言模型的轮胎与跑道模型16进行连接。其中，接触模块15用于模拟轮胎与跑道的接触，给轮胎提供竖直方向的接触作用力，实现起落架在跑道上的支撑和滑行。

本发明提供的一种基于Modelica语言的飞机起落架机械系统建模方法，通过主流三维建模软件，搭建飞机起落架机械系统三维模型，并将三维模型的相关数据信息转换为基于Modelica语言规范的结构刚体模型；再将构建好的刚体模型与三维标准几何文件进行关联，实现起落架机械系统模型的可视化；对仿真模型各个部件模型进行封装和参数设置，最后结合飞机起落架机械系统的实际工况，搭建飞机起落架机械系统运动仿真场景，并开展各场景下的仿真分析工作。本发明方法对提高飞机起落架机械系统的研发效率，降低研发成本，以及减少飞机起落架机械系统的设计开发迭代具有重要意义，为飞机起落架机械系统建模提供一种新路径，为飞机起落架系统设计提供数字化支撑。

本发明方法是基于Modelica语言进行仿真模型的构建。Modelica语言是一种面向对象的、基于方程的、非因果的多领域统一建模语言，便于飞机起落架机械系统与飞机起落架其他系统(如控制、液压、电气等)进行联合仿真分析。

本发明通过飞机起落架机械系统各部件之间的布局及交联耦合关系，设置飞机起落架机械系统各部件的动力学属性参数以及各部件之间的运动关系，并在外部生成功能信号接口，传递飞机起落架机械系统动力学仿真信息，在此基础上，还可以单个起落架及舱门的运动载荷仿真分析。利用接触模块连接飞机轮胎与跑道，通过设置接触模块的刚度阻尼系数、摩擦系数和接触深度来模拟飞机与跑道的接触，在此基础上，还可以实现飞机起落架系统的收放、滑跑、转弯、刹车、落震以及摆振等不同复杂场景的仿真分析。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞机起落架机械系统建模方法，其特征在于，所述建模方法包括以下步骤：

构建飞机起落架机械系统三维模型；

基于所述飞机起落架机械系统三维模型，构建飞机起落架机械系统动力学仿真模型；

将所述飞机起落架机械系统动力学仿真模型中的每个Modelica语言模型与三维标准几何文件进行关联，并设置所述三维标准几何文件的路径和位置，实现所述飞机起落架机械系统动力学仿真模型的可视化；

对所述飞机起落架机械系统动力学仿真模型进行参数设置，并通过接触模块连接起落架Modelica语言模型的轮胎及跑道模型，完成建模。

2.根据权利要求1所述的飞机起落架机械系统建模方法，其特征在于，利用三维建模软件构建所述飞机起落架机械系统三维模型。

3.根据权利要求1所述的飞机起落架机械系统建模方法，其特征在于，构建所述飞机起落架机械系统三维模型的具体实现过程为：

构建飞机起落架机械系统中各部件的模型，部件模型包括机体模型、前起落架模型、左主起落架模型、右主起落架模型、前起落架舱门模型以及主起落架舱门模型；

基于所述飞机起落架机械系统中各部件之间的运动关系，构建部件模型与部件模型之间的运动副，所述运动副包括移动副、转动副、万向节、球铰。

4.根据权利要求1所述的飞机起落架机械系统建模方法，其特征在于，构建所述飞机起落架机械系统动力学仿真模型的具体实现过程为：

利用三维转换插件将所述飞机起落架机械系统三维模型中的每个部件模型导出，形成对应部件的Modelica语言模型，将部件Modelica语言模型与部件Modelica语言模型之间的运动副转换成Modelica语言运动副模型；

在起落架模型对应的Modelica语言模型中构建弹簧阻尼模块，其中，所述起落架模型包括前起落架模型、左主起落架模型、右主起落架模型；

打开每个部件对应的Modelica语言模型，并与世界模块建立连接关系，再对所有部件的Modelica语言模型进行封装组合，得到所述飞机起落架机械系统动力学仿真模型。

5.根据权利要求4所述的飞机起落架机械系统建模方法，其特征在于，在所述起落架模型对应的Modelica语言模型中构建弹簧阻尼模块的具体实现过程为：

对起落架模型对应的Modelica语言模型的外筒部件与活塞杆部件之间的移动副进行额外的接口设置，生成外部机械接口；

调用Modelica3.2.3标准库内的弹簧阻尼模块，将所述弹簧阻尼模块与所述外部机械接口连接，实现弹簧阻尼模块在起落架模型对应的Modelica语言模型中的构建。

6.根据权利要求4所述的飞机起落架机械系统建模方法，其特征在于，各部件对应的Modelica语言模型与世界模块建立连接的具体实现过程为：

调用Modelica3.2.3标准库内的世界模块，将所述世界模块与各部件对应的Modelica语言模型通过姿态转换模块进行连接；

其中，所述姿态转换模块用于约束世界模块与各部件对应的Modelica语言模型之间的坐标系偏移关系，调整各部件对应的Modelica语言模型在世界模块中的位置。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的飞机起落架机械系统建模方法，其特征在于，所述飞机起落架机械系统动力学仿真模型的参数包括各部件Modelica语言模型的参数、Modelica语言运动副模型的参数、姿态转换模块的参数、世界模块的参数、弹簧阻尼模块的参数；

各部件Modelica语言模型的参数包括部件质量、质心质量、转动惯量以及初始化参数，所述初始化参数包括部件名称、形状、颜色、材质、初始位置和姿态、尺寸；

所述Modelica语言运动副模型的参数包括运动副的运动方向以及初始运动信息，所述初始运动信息包括初始位置和速度；

所述姿态转换模块的参数包括相对位置和姿态；

所述世界模块的参数包括重力加速度大小及其作用方向；

所述弹簧阻尼模块的参数包括弹簧刚度系数和阻尼系数。

8.根据权利要求1～6中任一项所述的飞机起落架机械系统建模方法，其特征在于，所述通过接触模块连接起落架Modelica语言模型的轮胎及跑道模型的具体实现过程为：

调用接触模块，利用接触模块将前起落架Modelica语言模型、左起落架Modelica语言模型、右起落架Modelica语言模型的轮胎与跑道模型进行连接；

其中，所述接触模块用于模拟轮胎与跑道的接触，给轮胎提供竖直方向的接触作用力，实现起落架在跑道上的支撑和滑行。

9.一种飞机起落架机械系统建模设备，其特征在于，所述设备包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现权利要求1～8中任一项所述的飞机起落架机械系统建模方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～8中任一项所述的飞机起落架机械系统建模方法的步骤。

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