Simulation dynamischer Phänomene bei Fahrwerken von Verkehrsflugzeugen

Abstract

Die Entwicklung von Flugzeugfahrwerken kann sich im Detail relativ schwierig und kostenintensiv gestalten. Ein hinreichend guter Entwurf erspart komplizierte und aufwendige Nachbesserungen im Verlauf der späteren Erprobung des Flugzeuges. Die Simulation von entsprechenden Modellen des Fahrwerkes aber auch des gesamten Flugzeuges stellt eine Möglichkeit dar, den Entwicklungsprozess zu verbessern. Vor allem das dynamische Verhalten des Fahrwerkes und unerwünschte Phänomene wie Gear-Walk, Shimmy gilt es zu verbessern bzw. zu vermeiden.<br />Um solche Modelle zu erstellen, benötigt man allen voran, ein, für die Anwendung bei Verkehrsflugzeugen geeignetes, Reifenmodell. Das in dieser Arbeit verwendete HSRI-Modell wird für diese Zwecke adaptiert, wobei dem Umstand Rechnung getragen wird, dass bei der Anwendung in der Luftfahrt nur wenige Daten zur Verfügung stehen.<br />Dieses Reifenmodell dient als Basis für analytisch-numerische Betrachtungen und Simulationen, welche unterschiedliche Komplexitätsgrade aufweisen. Solche Modelle geben sowohl Einsicht in das Stabilitätsverhalten als auch in die Vorgänge beim Landen und Aufsetzen eines Flugzeugfahrwerkes. Dabei kommen auch Modelle mit Federbeinen, welche durch die Methode der Finiten-Elemente abgebildet werden, zur Anwendung.<br />Die mit diesen Modellen gewonnenen Ergebnisse finden in weiterer Folge Eingang in die Erstellung von Fahrwerksmodellen mit elastisch modellierter Struktur in einem Mehrkörpersystem-Programm. Hier kommen sowohl Betrachtungen von generellen Fahrwerkkonfigurationen als auch von realitätsnahen Modellen des Fahrwerks eines Airbus A320 zur Anwendung.<br />Letzteres ermöglicht auch, konkret Maßnahmen zur Optimierung des dynamischen Verhaltens des Fahrwerkes dieses Flugzeuges zu untersuchen.<br />Sowohl passive als aktive Systeme werden untersucht und miteinander verglichen.<br />Das dynamische Verhalten eines Fahrwerkes kann nur begrenzt unabhängig vom Einfluss der Flugzeugzelle untersucht werden, deswegen wird ein Modell der Rumpf- und Flügelstruktur mit elastisch modellierter Struktur des Airbus A320 zusammen mit dem Flugzeugfahrwerk in einer der realen Flugführung entsprechenden Landesimulation untersucht. Ein Vergleich verschiedener Ausgangsparameter bei der Landung wird ebenso unternommen, wie die Diskussion unterschiedlicher Detaillierungsgrade bei der elastischen Ausführung der Flugzeugzelle.<br />

Designing and developing an aircraft-landing gear system is a challenging and costly task. Using an efficient computer model during the design phase may avoid complicated and costly modifications while the experimental test procedures are carried out with the aircraft.<br />Computer based simulations of certain models of the landing gear or even the whole aircraft represent a possibility to accelerate the design and development process and improve the result. To generate such simulation models, a mathematical tyre model is needed, which is suitable for application in the field of heavy aircrafts like commercial airliners. Due to the fact that only few data for aircraft tyres do exist and that accessibility of data is restricted, establishing a valid tyre model is an essential part of this work. In this thesis the so-called HSRI-tyre model is adapted and used for this purpose. Semi-analytical and numerical studies and simulations of a landing aircraft with different levels of complexity and based upon the tyre model as mentioned before are conducted. The high-fidelity models used in this study make use of the finite element-method to create a detailed model of the landing gear leg. Results obtained from such simulation models give an insight into the behaviour of dynamic stability and allow a detailed examination of the events taking place at touch-down of an aircraft wheel upon landing. The results obtained from those simple models are used when more complex models are generated using a multi-body-dynamics program, which considers also flexibility of the structure. Studies of landing gear configurations are conducted in a general manner and more realistic models of the landing gear system of an Airbus A320 are being examined.<br />Passive as well as active systems to suppress undesired oscillations of the gear leg are analysed and discussed.<br />Frequently the analysis of the landing gear system regarding the dynamical behaviour is conducted in such a way that the structural influence of the air-frame is not considered. In this thesis, however, a model of the fuselage and the wings of the Airbus A320 considering elastic properties of the structure combined with the model of the landing gear system mentioned above is investigated in simulations conducting a realistic landing- and roll-out manoeuvre. The influence of different flying parameters starting from the landing flare and their resulting effects regarding the dynamic phenomena of the landing gear upon touch-down are discussed. Finally a comparison of different modelling levels regarding the elastic properties of the air-frame structure and their impact on the behaviour of the landing gear is presented.<br />