关于飞机起落架撑杆强度的有限元分析

关于飞机起落架撑杆强度的有限元分析

井溪

中航复合材料有限责任公司北京101300

摘要：作为连接飞机与起落架的关键件，撑杆设计将直接影响飞机的起落安全。基于这种认识，本文在分析飞机起落架撑杆受力情况的基础上，使用有限元分析法对撑杆的强度展开了分析。而经过分析可以发现，撑杆将在飞机起落过程中出现较大变形，所以还要增加撑杆的强度，才能为飞机起落提供更多的安全保障。

关键词：飞机起落架；撑杆强度；有限元分析

引言：在飞机起落的过程中，撑杆将起到缓冲和控制支柱受力的作用。所以，只有拥有较大的强度，撑杆才能够提供足够的扭矩作用，从而确保飞机的安全起落。因此，有必要利用有限元分析法对飞机起落架撑杆强度展开建模分析，从而更好的加强飞机起落架的撑杆设计，继而为飞机起落提供更多保障。

1飞机起落架撑杆的受力情况分析

在飞机起飞和降落的过程中，轮胎触地点的集中力将作用在主起落架上。从力的传递过程来看，通过轮胎触地点和机轮中心这两个作用力点，地面载荷会被传递至活塞杆。通过活塞杆与外筒之间密封的高压油气混合体的油液压力，则能够使地面载荷在筒轴线方向上的分力得到平衡。而在垂直与筒轴线方向，地面载荷的分力将会通过活塞杆与外筒的接触面传递至外筒上。经过扭力矩，其产生的扭矩将传递至外筒。而通过斜撑杆和上接头与机身的连接，最终外筒会将这些载荷和转矩传递给机身。由于飞机落地是动态的撞击过程，所以随着飞机轮胎的接地，飞机起落架将承受不断变化的力[1]。想要对飞机起落架支撑杆最大变形的部位和时刻进行分析，还要使用流体动力学的动静法，并且选取起落架受撞击力最大时刻进行研究与分析。在该时刻，飞机起落架支撑杆到支柱顶端转轴的垂直距离可以设定为d，其与支柱的夹角可以设定为θ，其为支柱提供的支撑力可以设定为F。而支柱中心到轮轴中心距离可以设定为a，轮胎垂直反力则为Fu，轮轴中心垂直受力为Pv。根据公式F=Pv*a/d可知撑杆的受力情况，而根据M=Pv*a可知斜撑杆下端的弯矩。由于是对飞机垂直着陆进行分析，所以能够使地面产生的航向摩擦力得到简化，因此可以只对垂直方向的撑杆受力状态展开分析。

2飞机起落架撑杆强度的有限元分析

2.1有限元模型的建立

采取有限元分析法分析飞机起落架撑杆强度展开分析，需要建立起落架斜撑杆的有限元模型。为简化问题的求解，并且使求解的准确性得到增加，还要根据分析侧重点对模型进行有针对性的简化。具体来讲，就是去掉导管和下位锁传感器等对斜撑杆应力影响不大的附件[2]。为达成理想的分析效果，还要在网格划分过程中忽略焊接处焊接应力及焊缝对斜撑杆受力的影响。而采取该种分析方法虽然会得到保守的结果，但是能够为问题的分析提供便利。从模型结构上来看，其将为中间为工字钢的对称结构，在结构两端有耳。根据斜撑杆的结构特点，可以选择拥有10个节点的Solid92单元进行建模。而该单元为四面体单元，可以为3D实体解耦的分析提供便利，并且拥有较高的精度。撑杆的材料则为40CrNi2Si2MoVA，密度为7.82*103kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为2.1*1011MPa。使用有限元分析软件对模型进行自由网格划分，可以使复杂的撑杆结构得到合理划分。同时，使用该种网格划分形式，也能够根据实际情况使撑杆局部的网格得到加密处理[3]。比如在撑杆两端需要承受较大的力的情况下，就可以使用大密度的网格。而实现网格的疏密划分，则能够使模型相对计算精度得到保持，并且减少网格的计算量和数量。经过网络划分后，撑杆将生成14576个节点和8798个单元。

2.2模型参数的设置

在对撑杆强度进行分析时，需要施加相应的约束条件和载荷。而由于使用动静法对起落架斜撑杆进行静力分析，所以可以减少一些约束条件。从功能上来讲，斜撑杆需要起到减小支柱承受弯矩和协助起落架收起及放下的作用，所以需要对撑杆与机身连接处端面施加X方向位移约束。利用该约束条件，则能够使撑杆受力产生的绕其他两轴转动和X方向的位移受到限制。针对撑杆与起落架支柱连接的端面，则需要进行X方向位移约束施加，从而使撑杆受力产生的绕其他两轴转动和X方向的位移受到限制。而撑杆受力最大时刻为0.18s，此时飞机着陆加速度将达到6.83m/s2。同时，轮胎垂直力为2.06*105N，撑杆最大力为1.03*105N。由于对撑杆施加的载荷为惯性力，所以其加载方向与加速度方向相反。

2.3分析结果与讨论

对模型进行求解后，可以发现整个撑杆强度最大能够达到0.149E+7Pa。从撑杆应力分布上来看，其下端的应力比较集中，容易导致其发生断裂。所以从整体上来看，摇臂的强度虽然能够满足安全使用要求，但经过长期使用后却容易出现疲劳破坏。在飞机着陆的过程中，撑杆虽然不会断裂，但是却会发生弯曲变形，并且其应力将出现周期性衰减变化。因此在飞机维修的过程中，还应该加强对应力集中部位的改良[4]。此外，撑杆上部也出现了应力集中问题，所以在维修飞机的过程中也需要做重点检查。为确保飞机起落架的安全使用，还要在飞机着陆后进行新的斜撑杆的更换。

结论：总之，使用有限元分析法对飞机起落架撑杆强度进行分析，能够通过建立有限元模型了解撑杆的受力情况。而根据分析结果，还要采取增加撑杆厚度等措施增强撑杆强度，才能够确保飞机起落架的安全使用。因此，相信本文对飞机起落架撑杆强度问题展开的探讨，可以为相关工作的开展提供指导。

参考文献：

[1]姚光生,秦可伟,席园.飞机起落架撑杆结构有限元分析及结构优化[J].河北农机,2014,01:45-46.

[2]陈建平,刘木君.某型飞机主起下位锁撑杆方案CATIA有限元选型优化[J].中国新技术新产品,2014,11:85-87.

[3]张铁军,李曙林,常飞等.飞机起落架有限元模态分析[J].现代制造工程,2012,11:10-13+45.

[4]杜楠楠,魏小辉,房务官等.飞机起落架支柱部件强度分析[J].江苏航空,2011,S1:36-38.