基于ABAQUS的起落架足垫着陆接触力分析

摘要

【目的】随着无人飞行器对飞行安全要求的不断提升，起落架系统的动力学特性研究已成为无人机设计领域的重要课题。聚焦六杆式起落架橡胶足垫的着陆接触力学行为，针对其非线性力学特性建模难题展开系统性研究。通过构建精确的动态接触模型，揭示橡胶缓冲件在冲击载荷下的力学响应机制，为起落架足端缓冲装置的结构优化提供理论支撑。【方法】基于连续接触力法理论框架，构建了橡胶材料的非线性接触力学模型。该模型耦合Hertz接触理论与Mooney-Rivlin应变能函数，通过非理想弹性碰撞关系表征橡胶材料的超弹性特性及其接触面动态耦合效应。在ABAQUS平台中，采用Mooney-Rivlin超弹性本构模型建立了有限元模型，并结合隐式动力学求解器对着陆碰撞过程进行了数值模拟。同时，构建了带力传感器的落震实验台，获取实测数据用于模型验证。该方法结合理论建模、软件仿真与实验验证，有效克服了传统经验公式的局限性。【结果】研究系统分析了多物理参数对接触力学特性的影响。当着陆高度在50～200 mm变化时，接触力峰值成正比增长，增幅达1.78 kN。当负载质量在5～20 kg变化时，接触力峰值与其呈近似线性关系，增幅达1.02 kN。此外，足垫厚度的增加对冲击力的减小作用有限，而足垫形状优化可有效改善接触抖动现象。对比研究表明，相较于传统圆柱形足垫，圆锥形足垫受力更均匀，能有效减少接触抖动。实验验证表明，在着陆高度为100 mm的工况下，仿真模拟与实测数据的接触力峰值误差约为6%,关键参数的相位偏移控制在3 ms以内，充分证明了模型的有效性。【结论】研究表明，接触力与着陆高度、足垫厚度呈近似正比例关系，但足垫厚度影响较小；优化足垫形状可显著降低接触抖动，其中圆锥形足垫具有最佳缓冲性能。本研究的理论创新体现在以下方面：融合连续接触力法与超弹性本构模型，建立适用于橡胶缓冲件的动态接触预测方法，突破了传统方法难以处理非线性耦合效应的技术瓶颈；系统分析多物理因素对足端接触力的影响，实现了缓冲结构性能的量化评价，为足端参数优化提供了可靠的理论依据。

关键词

橡胶足垫 / 着陆碰撞 / 连续接触力法 / 弹性接触 / 力学模型 / 有限元软件 / 接触力分析 / 吸能缓冲