Function of Aircraft Landing Gear飞机起落架协调收放功能耦合建模与可靠性优化设计

针对飞机高空低温长航时巡航后着陆的严苛工况,为解决起落架左右协调收放可靠性不足、低 温介质特性引发非对称失效的工程问题,开展了起落架液压系统协调收放功能的可靠性优化设计研究。基 于AMESim-MATLAB参数化联合仿真平台,构建基于时效性与对称性的串联失效模式的可靠性分析模型, 完成某型飞机起落架液压系统协调收放功能的可靠度评估与灵敏度分析;以飞机起落架液压系统协调收放 功能的综合可靠度最大化为优化目标,构建包含收放时效性约束、动作对称性约束及参数工程约束的多约束 可靠性优化模型,实现设计参数的最优匹配。结果表明,优化后起落架液压系统协调收放功能的综合可靠度 由0.6520提升至0.9801,满足设计阈要求,收放时效性与动作对称性均得到显著改善。所提方法可为复杂 航空机电液系统的可靠性设计、参数匹配与维修保障提供理论支撑。

Coupling Modeling and Reliability Optimization Design for Coordinated Retraction-extension Function of Aircraft Landing Gear

Abstract

We carry out reliability optimization design for the coordinated retraction-extension function of the landing gear hydraulic system. It addresses the harsh landing condition of aircraft after high-altitude, low temperature and long-endurance cruising, and solves the engineering problems of insufficient reliability in left-right coordinated retraction-extension of landing gear and asymmetric failure caused by low-temperature medium characteristics. Based on the AMESim-MATLAB parametric joint simulation platform, we establish a reliability analysis model with series failure modes considering timeliness and symmetry. It completes the reliability evaluation and sensitivity analysis of the coordinated retraction-extension function of the landing gear hydraulic system for a certain aircraft. We take the maximization of the comprehensive reliability of the coordinated retraction-extension function as the optimization objective. It constructs a multi-constrained reliability optimization model that includes retraction-extension timeliness constraint, action symmetry constraint and parameter engineering constraint to realize the optimal matching of design parameters. Results show that the comprehensive reliability of the coordinated retraction-extension function of the landing gear hydraulic system is improved from 0.6520 to 0.9801 after optimization, which meets the design threshold requirement. The retraction-extension timeliness and action symmetry are both significantly improved. The proposed method provides theoretical support for the reliability design, parameter matching and maintenance support of complex aerospace electromechanical-hydraulic systems.

0 引言

起落架作为飞机着陆系统的核心部件,其收放可 靠性直接决定飞机飞行安全,尤其针对高空低温长航 时巡航的飞机,着陆工况的严苛性对液压系统收放性 能提出更高要求。某型飞机在此工况下,起落架液压 系统存在左右两侧协调收放一致性差、可靠性不足的 问题,同时,加工制造误差、密封件磨损老化、油液特性 波动及外部载荷扰动等多源不确定性因素,导致飞机 起落架液压系统的液压油黏度、电机转速、收放作动筒 的泄漏系数与摩擦系数等关键参数会发生变化,多因 素耦合作用进一步加剧了非对称收放失效风险,亟需 开展参数匹配与可靠性优化研究。 传统可靠性分析与优化设计多依赖随机概率模 型,需要充足的试验样本确定参数分布规律,而起落架 液压系统物理试验成本高昂、极端工况易造成不可 逆损伤,实际工程中难以获取大量有效样本,导致传统 概率方法的应用前提难以满足。近年来,AMESim、 MATLAB/Simulink等液压系统专业仿真技术日趋成 熟,相关方法在航空液压领域已得到成熟应用,能 够高效搭建多学科耦合仿真模型,精准复现飞机起落 架收放动力学特性与流量动态响应过程,显著降低物 理试验成本与极端工况损伤风险,能为航空液压系统 性能分析、可靠性评估与优化设计提供技术支撑。蒋 林等[4]采用AMESim与MATLAB联合仿真实现液压 伺服系统刚度优化,证明多场联合仿真在液压系统性 能分析中的有效性。代理模型技术快速发展,以克里 金(Kriging)为代表的代理模型可高精度逼近系统隐 式响应,显著减少高耗时仿真调用次数,大幅提升可靠 性分析与优化的计算效率,其高效求解策略已在航空 发动机结构、全电飞机能源系统、伺服传动机 构等复杂装备设计中得到广泛验证。陆艺鑫等 面向航空发动机涡轮轴低周疲劳寿命问题,构建参数 化联合仿真平台与自适应Kriging代理模型,显著提升疲劳寿命可靠性优化的计算效率与求解精度。智能优 化算法广泛应用,遗传算法、粒子群算法等智能 全局寻优方法具备强鲁棒性与全局搜索能力,能够有 效处理多约束、非线性、非凸、隐式性能响应的复杂工 程优化问题,为多源不确定性下航空机电液系统的可 靠性优化与参数匹配提供了高效、稳定的数值求解支 撑。文启东等[6]针对多源不确定性复杂系统,提出多 级可靠性优化框架,通过线性化处理与规划算法实现 多目标优化。上述研究为复杂机电液系统可靠性优化 提供了可借鉴的思路,但针对飞机起落架液压系统时 效性失效与对称性失效耦合、流固耦合、非线性隐式响 应、高维区间变量的特点,现有研究仍存在明显不足: 一是大多仅单独开展起落架收放时效性或结构可靠性 评估,未充分考虑时效与左右动作对称耦合失效机理 建模,对两类失效串联作用下的系统全局可靠性刻画 不够深入;二是多源不确定性参数下多停留在单一可 靠性评估层面,缺乏兼顾收放时效约束、对称同步约束 与工程参数边界约束的一体化优化设计框架;三是针 对高空低温长航时严苛着陆工况,液压油黏度、作动筒 泄漏、电机转速等多参数耦合诱发非对称失效的机理 分析与参数匹配优化研究较为薄弱。鉴于上述研究空 白,本研究开展起落架协调收放功能耦合建模与多约 束可靠性优化,可有效弥补现有研究短板,具备明确的 工程必要性与方法创新性。针对某型飞机“高空、低 温、长航时”巡航工况后着陆的严苛要求,起落架液压 系统可靠性设计必须重点解决低温环境下油液黏度剧 增、密封性能下降、系统响应迟滞等问题。本研究以某 型飞机起落架液压系统为研究对象,考虑不确定性条 件,构建了兼顾时效性与对称性的起落架液压系统协 调收放串联失效可靠性模型。在此基础上,采用拉丁 超立方抽样与克里金代理模型,搭建AMESim MATLAB参数化联合仿真平台,实现系统可靠度高效 计算与关键变量灵敏度识别。以系统综合可靠度最大化为优化目标,以收放时效性、动作对称性、参数边界 及工程工艺为约束条件,建立多约束条件下的可靠性 优化模型,并通过遗传算法完成全局寻优,最终获得满 足可靠度阈值、收放时间约束及同步误差限制的最优 参数组合。 研究成果可为起落架液压系统的设计改 进、公差分配、寿命预测及维修策略制定提供理论依据 与技术支撑。

1可靠性优化设计参数化仿真平台框架

为保障飞机起落架液压系统在加工误差、材料离 散性及载荷波动等多重不确定性因素影响下的协调收 放功能可靠性与寿命性能,本研究构建了针对飞机起 落架液压系统协调收放功能的可靠性分析与优化设计 参数化仿真平台,平台整体架构如图1所示。 建立 了其可靠性分析与可靠性优化设计方法。 搭建了涵盖 随机变量输入、参数化建模、联合仿真、代理模型构建、 可靠性分析及优化设计的参数化平台,实现了设计参 数访问值处高保真仿真与可靠性分析的自主调用。 提 出了基于自适应克里金代理模型与遗传算法的类序列 解耦优化策略,通过代理模型协作更新与样本池动态 缩减,显著提升了飞机起落架液压系统协调收放的隐 式功能函数下可靠性分析与优化的计算效率。该参数化平台以MATLAB为控制器,通过编写参 数化命令流,有序集成并调度六大功能模块。

首先,随 机变量输入与参数化建模模块定义设计变量与不确定 性因素的分布参数,驱动几何与仿真模型更新;拉丁超 立方抽样模块据此生成覆盖全域的输入样本。 随后, AMESim-MATLAB 联合仿真模块自动调用液压系统模 型,完成收放动力学仿真并输出关键性能指标。 进而, 克里金代理模型构建与可靠性分析模块基于仿真数据 训练代理模型,实现性能快速预测与系统可靠度及灵 敏度计算。 在此基础上,可靠性优化设计模块以综合 可靠度最大化为目标,加载代理模型并采用遗传算法 进行全局寻优。 最终,优化结果验证模块通过大量独 立样本复核优化方案的鲁棒性。 各模块通过MATLAB 控制器实现数据有序流动与自主交换,形成了从不确 定性量化、仿真分析、可靠性评估到优化设计的全流程 自动化闭环,大幅提升了复杂液压系统可靠性设计的 效率与精度。

2　可靠性分析 

2. 1　飞机起落架液压系统组成及仿真模型构建

飞机起落架收放系统由液压系统驱动以实现其收 放功能。 该型飞机留空时间长,主要操纵舵面采用电 动驱动,而起落架收放、机轮刹车及前轮转弯均由液压 系统驱动。 该型飞机起落架收放系统主要由电动动力 源、控制阀组、作动执行机构及辅助液压元件组成,可 在控制指令下实现多作动筒的协同运动。 为精确获取 系统在参数摄动下的动态响应,本研究基于AMESim 仿真软件构建了起落架收放液压系统模型,以作动筒 位移时间历程曲线表征收放过程,并通过与试验数据 对比验证了模型的准确性。 所建立的仿真模型如图2 所示。 在仿真模型中对其收放动作进行仿真,根据该型飞机维修保障手册性能数据进行比对,结果表明,左右 主起落架收放作动筒的动作时间仿真值与试验值的相 对误差分别为2.81%和3.09%,能够有效复现真实工 况下的动态特性,可为可靠性评估与代理模型训练提供可靠数据来源。 

2. 2　影响起落架液压系统协调收放功能可靠性的不 确定性因素分析

起落架液压系统在制造、装配及服役过程中,受加 工误差、材料离散性、环境扰动及元件老化等因素影响,具体包括:在起落架液压收放系统的全生命 周期中,制造与装配误差会降低运动学精度,可能导致收放轨迹偏离或机构卡滞。 材料性能的离散性会削弱 关键构件的承载能力,影响系统的疲劳寿命与损伤容 限。 环境扰动(如温度、污染物与振动)会改变液压介 质特性,破坏系统压力稳定性与控制精度。 液压元件的性能退化则会导致泄漏、效率下降与响应迟缓,逐步 削弱收放功能。 这些不确定性因素相互耦合,共同提 升了系统的失效概率,因此必须通过可靠性分析与优 化设计进行量化评估与综合控制。 为表征航空液压系统中存在的多源不确定性,本 研究采用随机模型对其进行量化描述。 基于各部件实 际参数的波动特性,共计选取11个不确定性参数作为 输入变量,主要包括液压油动力黏度、电机额定转速、各 作动筒的库仑摩擦系数与泄漏系数等,其具体波动区间 如表1所示。 此类参数的波动将直接影响系统的流量 分配特性、作动速率以及多作动筒间的同步精度,是导 致协调收放功能失效的主要诱因。 在此基础上,采用拉 丁超立方抽样方法生成用于可靠性分析的输入样本。

2. 3　起落架液压系统协调收放失效模式与功能函数 构建 

1)失效模式与功能函数构建 依据某型飞机起落架液压系统的设计技术指标, 要求左右主起落架收放动作的总时间不得超过50s, 且左右作动筒的收放时间差不得大于3s。 

基于此,本 研究将起落架液压系统的协调收放功能界定为两种典型的失效模式: 

(1)起落架收放时效性失效,即放下动作总时间 超出容许阈值; 

(2)起落架收放对称性失效,即左右主起落架收 放动作不同步,其时间差超过规定限值。

这两种失效模式在物理机制上相互独立,任一模 式的发生即判定系统功能失效,因此整个系统可建模 为一个串联可靠性结构。据此,分别构建时效性功能 函数与对称性功能函数,并进一步集成得到表征系统 整体可靠性的综合功能函数。在沿用前期研究中失效 定义准则的基础上,为满足优化设计对更高安全裕度 的需求,本研究将时效性约束与对称性约束的阈值分 别进一步收紧至46 s与2.5 s。对应的综合功能函数：

优化后,所有关键设计参数均严格位于允许区间 内,且保持超过10%的安全裕度,符合公差设计原则, 确保了方案工程可实现性。 

表中各作动筒泄漏系数 显著降低,依据流体力学内泄漏模型,有效提升了系统 能量传输效率,这直接解释了收放时间的缩短。 电机 转速与液压油黏度优化至中值区域,在保证快速响应的同时兼顾了阻尼特性与能耗经济性。最终,优化结 果与全局灵敏度分析结论吻合,针对关键敏感参数 (如泄漏系数与电机转速)进行有效调控,从理论与数 据层面验证了该方案在提升系统动态性能、可靠性与 工程适用性方面的综合成效。 

4　结论 

针对高空低温长航时着陆严苛工况下飞机起落架 液压系统收放时效不足、左右动作非对称、系统可靠度 偏低的工程难题,本研究建立时效-对称串联耦合失 效可靠性模型,融合克里金代理模型与遗传算法构建 多约束可靠性优化方法,得到主要结论如下: 

(1) 构建了起落架液压系统多源不确定性耦合失 效可靠性分析框架,建立AMESim-MATLAB参数化联 合仿真与代理模型协同求解策略,有效解决了液压系 统强非线性、隐式响应下可靠度计算效率低、仿真成本 高的难题,可为同类航空机电液系统小样本可靠性评 估提供新方法支撑; 

(2) 建立兼顾收放时效、动作对称的可靠性优化 模型,通过智能算法全局寻优实现参数匹配优化。优 化后系统综合可靠度由0.6520提升至0.9801,满足 工程可靠度设计阈值;起落架收放时长、左右同步误差 均显著优化,有效抑制了低温工况下时效与对称耦合 失效风险; 

(3) 明晰了调控起落架协调收放可靠性的核心敏 感参数规律,得到一组兼顾可靠性、动态性能与工艺可 行性的最优参数匹配方案;各优化参数均处于合理区 间并留有安全裕度,泄漏系数、电机转速与液压油黏度 是决定系统收放同步性与可靠度的主控因素,可为结 构参数公差设计提供量化依据; 

(4) 所提出的“不确定性+代理模型+智能优化” 框架,可为航空液压系统在小样本、高精度仿真条件下 的可靠性设计提供方法,对起落架液压系统设计改进、 参数匹配与维修策略制定具有参考价值。 

本研究仍存在一定局限性:本研究仅选取液压油 黏度、电机转速、各作动筒泄漏系数等关键随机参数开 展可靠性建模与优化,尚未考虑起落架结构磨损、密封 件老化等时变退化特性;同时仿真建模对管路流固耦 合振动、机构配合间隙等细微非线性因素做了适当简 化。后续可结合装备全生命周期退化试验数据、时变 可靠性分析方法,开展多物理场精细化建模与多源时 变不确定性下的参数优化,进一步提升方法的工程适 用性与推广价值。