基于GCAir实现起落架“一维和三维”全链路协同仿真
导读
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现状与挑战
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作为飞机着陆与滑行的关键承力组件，起落架的设计需要满足以下两个至关重要的核心要求：
1. 能量吸收能力：在飞机着陆冲击、跑道颠簸等动态工况下，起落架的缓冲系统起着关键作用。以油气式支柱为例，它能够有效地耗散飞机动能。当飞机着陆瞬间，巨大的冲击力会使油气式支柱内的油液被压缩，同时节流阀产生非线性阻尼作用，将动能转化为热能等其他形式的能量，从而降低传递至机身的过载，保护机身结构以及机上人员和设备的安全。
2. 结构完整性：无论是在静态还是动态条件下，起落架的主支柱、扭力臂等承力构件都必须具备充分的强度与刚度。主支柱作为起落架的主要支撑部件，要承受飞机的重量以及各种动态载荷；扭力臂则负责传递和平衡扭矩。只有确保这些承力构件具备足够的强度和刚度，才能防止它们在使用过程中发生塑性变形或疲劳断裂，从而保障起落架的正常工作和飞行安全。
在当前的工程实践中，针对这两类性能的分析通常采用不同软件的方法：
缓冲性能分析：利用一维系统仿真软件（如 Amesim、Dymola）构建包含油液压缩、节流阀非线性阻尼的刚柔耦合模型。在这个过程中，工程师需要精确设置模型的各项参数，以模拟不同下沉速度下的能量吸收特性。通过改变飞机着陆时的下沉速度，观察模型中油液压缩和节流阀阻尼的变化情况，从而深入了解起落架在不同工况下的缓冲性能，为优化设计提供依据。
结构强度分析：通过三维有限元软件（如 ANSYS、Abaqus）开展静力学/瞬态分析。在静力学分析中，对起落架在静态载荷下的应力分布进行详细评估；在瞬态分析中，则考虑飞机在各种动态操作下的应力变化情况。通过这些分析，可以评估应力集中区的屈服裕度，了解起落架结构在不同工况下的承载能力。此外，还可以结合 nCode 进行疲劳寿命预测，综合考虑各种因素对起落架结构疲劳寿命的影响，为制定合理的维护计划提供参考。
有鉴于此，世冠科技创新推出了“一维+三维”全链路协同仿真解决方案。该方案基于GCAir系统仿真测试验证一体化平台（简称“GCAir”），充分发挥了一维仿真和三维仿真的优势，实现了从系统级动力学至部件级强度分析的无缝衔接。在系统级动力学分析阶段，利用一维仿真快速准确地把握起落架整体的动力学特性；在部件级强度分析阶段，通过三维仿真深入研究各个部件的应力分布和变形情况。这种全链路协同仿真方式显著提高了仿真效率及工程适用性，为起落架的设计优化和性能验证提供了更为高效、准确的手段。
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解决方案
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技术路线
Technology Roadmap
根据GCAir精心构建的起落架“一维与三维”联合仿真技术路线，以下将进行更为详细的具体说明：
首先，搭建一维系统软件模型，要严格遵循FMI标准导出FMU模型，并确保所导出的FMU模型完全符合相关标准规范。
随后，将FMU模型导入GCAir进行集成操作，通过对模型进行全面适配与优化，以确保后续工作的顺利进行。同时，借助GCAir独特的TCP模块，能够精准生成采用TCP通讯方式的Slave FMU。在生成过程中，该模块对通讯协议、数据传输格式等关键要素进行了精细设置与调整，确保Slave FMU能够稳定、高效地进行数据交互，并通过配置文件成功实现GCAir与三维有限元软件（Abaqus）之间的数据通信。
最终，启动SIMULIA协同仿真引擎。该引擎凭借其卓越性能与强大计算能力，能够有序协调各方资源，从而实现联合仿真的稳定运行，为整个项目的顺利推进提供有力保障。
一维系统建模阶段
运用一维系统仿真软件构建具备高精度的油气缓冲系统，依据FMI（Functional Mock-up Interface）标准导出功能模型单元（FMU），确保系统输入输出接口得以完整保留。
GCAir 平台集成处理
将FMU模型导入 GCAir，借助 GCAir接口模块导出Slave FMU。
三维有限元建模
于 Abaqus 软件中构建包含材料非线性、接触对等特性的起落架精细化有限元模型。同时，需在 Abaqus 模型中明确界定输入和输出变量，以保障后续与GCAir 所生成 FMU 模型接口的顺利连接。
联合仿真配置及仿真
通过 XML 格式的配置文件确立变量映射关系、系统的仿真属性以及仿真的数值方法，达成GCAir 与三维有限元软件（Abaqus）之间的数据通信。启动 SIMULIA协同仿真引擎以运行仿真流程，该过程将自动唤起GCAir 软件，从而实现“一维与三维”的协同仿真。
图1 技术路线
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案例介绍
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案例介绍
Case Introduction
以下内容将通过一个具体的单作用油气缓冲器起落架模型实例来展开详细讲解。在模拟实际工况的激励载荷作用下，我们将针对该起落架的缓冲性能以及结构强度展开深入且全面的仿真分析。通过构建精确的模型，细致地模拟激励载荷对起落架产生的各种影响，从而对起落架在不同条件下的缓冲效果和结构所能承受的强度进行精准的评估与分析。
步骤一：构建AMEsim缓冲器模型
首先，在AMEsim软件环境中精心构建作动筒支柱缓冲器模型。这一过程需要仔细设置各项参数，确保模型的准确性和可靠性。完成模型构建后，接下来要创建Functional Mock-up Interface（FMI）接口模块。此模块的创建涉及到多个细节的调整与配置，以确保其能够与其他系统或组件顺利对接。创建完成后，进行连接操作，将各个模块按照预定的逻辑和结构进行有效的连接。最后，在确认所有连接无误后，导出FMU文件，以便后续的使用和分析。
图3 AMEsim缓冲器模型
步骤二：使用GCAir联合仿真工程
在GCAir上，我们需要进行一系列精确的操作以确保模型的顺利导入和数据的准确绑定。首先，将由 AMEsim 生成的缓冲器 FMU 模型导入到GCAir中，确保模型能够正确无误地加载到平台中。接着，导入起落架激励载荷数据。这些数据是后续分析和仿真的基础，因此必须确保其完整性和准确性。
在完成模型和数据的导入后，接下来的关键步骤是将输入与输出变量准确绑定至GCAir接口模块。这一过程涉及到对每个变量的仔细识别和匹配，确保每个输入变量能够正确对应到相应的输出变量，从而实现数据的无缝传输和模型的有效运行。具体操作如下图所示:
图4 GCAir联合仿真工程
在GCAir接口模块中定义输入和输出变量，并导出Slave fmu。
图5 TCP模块设置
步骤三：起落架有限元模型
在Abaqus有限元模型的精心构建与细致分析这一复杂过程之中，对于其中的传感器以及执行器进行精准无误的定义，无疑是整个流程里极为关键的环节，需确保该模型具备准确模拟实际物理现象的能力，进而实现高效且有效的数据交互与深度分析。
传感器作为Abaqus有限元模型导出的标量，承担着精确传输活塞杆节点位移变化的重要使命。这些力学信息是模型分析的重要依据，而传感器所获取并传输的数据，就成为了模型分析时的关键输出变量，为后续的研究和判断提供了坚实的数据基础。
执行器作为Abaqus有限元模型的标量，积极地接收缓冲器作用力以及激励载荷数据，并将这些数据精准无误地施加到模型之中。通过这样的方式，执行器出色地模拟了实际物理系统的力学行为，使得模型能够尽可能地贴近真实的物理状况。这将为研究人员提供极大的便利，助力他们更为深入、全面地研究系统性能，挖掘其中隐藏的规律和特点。
图6 起落架有限元模型
配置文件
配置文件需明确Abaqus模型与GCAir生成的FMU信号的映射关系，包括变量、参数、信号名称、数据类型和取值范围，确保无缝对接和数据准确传输。同时，规定仿真属性，如时间步长、时长和初始条件。合理设定时间步长以捕捉动态变化并保证效率；确定时长以完整模拟系统行为；设置初始条件以确保结果可靠性。
此外，明确数值方法，如有限元法或有限差分法，并说明选择原因和优势。合理设置参数，如收敛准则和迭代次数，以确保数值计算稳定性和精度。这些规定为仿真提供基础和指导，保障顺利开展和结果准确。
图7 起落架有限元模型
启动仿真
借助终端应用程序，录入相应命令，以启动联合仿真。
图8 启动仿真
效果显现
经过深入的研究与细致的分析，最终所得到的结果表明，在整个过程当中存在着以下两种行之有效的方式。
方式一：可以充分借助GCAir所独具特色的二维面板这一强大工具。这一二维面板具备诸多卓越的功能，其中尤为突出的一点在于，它能够以一种极为直观且动态的方式，清晰地呈现出数据的变化情况。无论是数据的上升、下降，还是保持稳定等各种状态，都能通过该二维面板生动形象地展示出来，让人们可以一目了然地观察到数据在不同时刻的具体表现，从而为后续的分析和决策提供有力的依据 。
图9.GCAir中功量图显示
方式二：当顺利完成整个仿真运行这一关键步骤之后，接下来需要借助Abaqus软件来打开与之对应的结果文件。在仿真运行过程中，系统会依据预先设定的各项参数以及复杂的计算规则，生成一系列包含丰富信息的数据文件，而我们此刻要打开的正是其中承载着关键应力与应变数据的结果文件。通过Abaqus软件打开该文件后，我们就能够方便且直观地查阅到应力与应变的云图。这些云图以一种形象且可视化的方式，将应力与应变在模型各个部位的具体分布情况清晰地呈现出来，为后续深入分析模型的力学性能、评估结构的稳定性等工作提供了极为重要的参考依据 。
图10.Abaqus云图显示
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价值体现
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Model Ensembling
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总结与展望
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1. 提升仿真精度与物理真实性
消除传统串行分析误差累积：传统仿真串行分析有局限，靠假设简化模型致误差累积。联合仿真直接耦合一维液压阻尼（如缓冲器油液压力）与三维结构变形（如支柱应力），避免因假设简化，贴近真实物理状态，提高仿真精度。 捕捉多物理场耦合效应：联合仿真可实时反映多种物理现象及耦合效应。如油液压缩性致结构刚度变化与载荷重分布、热 - 力耦合（如刹车发热致材料软化）、流固耦合（如油液湍流致支柱振动），为研发提供准确参考。
减少迭代周期：传统仿真分段模式数据手工传递繁琐且易出错。联合仿真实现设计参数修改后自动更新全系统模型，单次仿真（如减震效率）可同时获系统性能与结构响应（如疲劳热点），提高效率，加速研发。 降低物理试验成本：传统研发需大量极端工况（如重着陆、侧风起降）台架试验，耗时耗资。联合仿真虚拟试验可准确预测极端工况性能，减少实际台架试验次数，降低成本。
优化矛盾指标：联合仿真可同步权衡多个关键指标，如在减震性能（一维指标）与结构重量（三维指标）、动态柔顺性与静态强度间找平衡，优化设计方案，提升系统整体性能。 提前识别隐性风险：联合仿真能发现传统方法难捕捉的耦合失效模式，如缓冲器压力波动（50-80Hz）与结构模态（75Hz）共振、收放机构液压冲击致锁钩微动磨损，提前识别风险，保障系统可靠安全 。
