基于有限元法仿真的直升機不同降落方式對機輪軸的影響分析

李 兵 魏 敏 朱英杰 張東波

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2.69008部隊，新疆 五家渠 831300）

0 引言

直升機作為一種低空飛行器，廣泛應用于各個領域，在日常使用中，由于其頻繁起降，飛行駕駛員的操控方式及起落架與地面的剛性接觸碰撞，易造成起落架損壞，給直升機的使用帶來安全隱患。而起落架的輪軸作為關鍵連接部件，相對來說，更易出現損壞。輪軸在保障起落架正常性能方面占有舉足輕重的作用［1］。

本文針對某型起落架機輪系統的輪軸，使用大型商用ANSYS有限元通用軟件，并通過對輪軸建立簡化的三維幾何模型，計算剖析了輪軸在前飛降落和垂直降落這2種最常見的降落工作方式下的應力應變分布情況。對于前飛降落，考察了輪胎與地面在3個摩擦因數以及機輪系統剎車時對輪軸的影響，進行仿真分析。對于垂直降落，則考慮3個不等的動載系數因子對輪軸的加載情況。最后依據應力與應變的分析計算結果，在2種常見工況下，得出了更具合理操控直升機降落的方式。

1 機輪系統輪軸的簡化及受力情況分析

該型起落架由緩沖支柱、液壓收放作動筒、機輪軸、機輪與剎車系統等組成。輪軸與緩沖支柱的下端相連接，當機輪接觸地面時，所承受的撞擊力通過輪軸傳遞給起落架的緩沖支柱。由緩沖支柱油氣裝置減震及吸收大部分的撞擊能量，以此減少撞擊力［2］。輪軸的材料為合金鋼（SS），該材料具有良好的綜合力學機械性能，其材料物理性能參數如下［3］：彈性模量21000MPa，泊松比0.28，質量密度7700kg/m3。機輪系統輪軸的受力情況由直升機所處的工作狀況來確定，通常有以下幾種情況：起飛狀態、飛行狀態、降落著陸狀態以及停機于地面等。在起飛和飛行這2種工況中，起落架受力不大或者沒有受力，對輪軸沒有重要的影響，而停機狀態下輪軸屬于靜力支撐［4］，對此種狀況進行考察意義不大。著陸狀態下輪軸在這個過程中所承受的載荷復雜多變，對輪軸的使用壽命有極大的關系。因此，本文著重分析輪軸在直升機降落著陸工況下的受力情況。受力情況簡圖如圖1所示。

圖1 起落架降落受力示意圖

輪軸在垂直降落著陸時受力分析：當起落架垂直降落著陸時，輪軸受到來自地面的沖擊載荷，該型號直升機與停機坪停機時每個起落架所承受的重量大約為1500kg，而沖擊載荷系數由起落架的垂直降落速度來決定，可得知常規垂直速度著陸時，重心點取載荷系數為2.5，但最大不會超過4.0，根據起落架實際工作情況，擬取動載荷系數為 1.6、2.6、3.6來進行探討分析［5］。

輪軸在帶前飛速度降落過程中的受力分析：在這種情況中，前飛降落時由于機輪受到來自地面上的水平摩擦力，由力平移原則可知，與垂直降落相比，輪軸受到水平切向扭矩與豎直方向上繞緩沖支柱上支點彎力矩，那么摩擦力的大小與機輪和剛性地面的摩擦系數大小以及垂直于地面方向上的沖擊載荷大小有關。機輪橡膠輪胎變形程度不同，摩擦系數取值就不同。本文在取載荷系數為3.6時，摩擦系數分別取0.55、0.6、0.65三個值來研究［5］。

2 機輪系統輪軸的有限元計算分析

本文對輪軸建立有限元模型時，進行了適當的簡化。采用ANSYS大型有限元軟件來進行分析，選用單元體為solid187進行網格劃分，劃分后節點數25261個，單元數為16904。

2.1 輪軸在垂直降落時的有限元分析

在起落架垂直降落時，當雙腔油氣緩沖支柱達到最大極限時，輪軸受力最大，故考察這個極限瞬間載荷情況，基于此來估算輪軸在該瞬間應力下的疲勞壽命比較有實際意義。對輪軸模型添加約束時，鑒于輪軸在軸向上沒有位移，可以約束該方向的位移。采用上文取的3個動載荷系數來加載載荷。

根據對機輪軸垂直降落的有限元分析結果，可得知Y方向上應力最大，最大值在輪轂與緩沖支柱內桿下端連接部位之間出現，充分說明彎力矩與動載荷對機輪軸的應力分布有較大的影響，同時通過對比，不同載荷系數下最大應力出現遞增趨勢，具體表現為每增加1.0，應力最大值擴增約600kPa，因此動載荷系數對輪軸的應力分布有極其重要的影響。如表1所示。

表1 垂直降落時輪軸在不同載荷系數下的應力應變值

2.2 直升機前飛降落時機輪軸的有限元分析

起落架系統在直升機帶前飛速度降落時，因為受到地面給機輪施加摩擦力，機輪軸的受力情況就變得較為復雜。本文通過計算載荷數為3.6時，根據上文取到的3個不同地面情況下的摩擦因子值來考查機輪軸的應變應力情況，有限元分析時，所取約束與垂直降落相同。

通過比較各個方向上的應力最大值，可知Y向為最大應力值。從應力等值圖中可以發現，應力最大值在機輪側靠近軸肩處，說明動載荷與摩擦力產生的力矩對輪軸影響很大。在載荷系數為3.6時，摩擦系數每增加0.05，總應力最大值增加大約100kPa，如表2所示。

表2 起落架帶前飛速度降落時輪軸在不同摩擦系數下的應力應變值

通過各個方向上的位移圖對比發現，可知Y方向上的位移圖與總位移圖相似度較大，說明輪軸的位移主要發生在Y方向上，也就是說，起落架在前飛降落中由摩擦力產生的力矩對輪軸變形有較大影響，說明輪軸在直升機前飛降落中容易損壞。

3 結論

通過對兩種降落方式進行仿真分析，可得出以下結論：（1）垂直降落時，隨著動載荷系數的增加，機輪軸所承受的應力呈近似線性變化，其應變在可以接受的安全裕度內，在其實際使用環境工況下，機輪軸可以接受更為苛刻的工作條件，直至達到其屈服極限產生塑性變形，而導致失效。（2）前飛降落時，由于不可忽視水平方向上的摩擦力與前飛動量對機輪軸的沖擊影響，機輪軸表現出強烈的加載響應，應力與應變呈現不規律變化，出現大幅度攀升波動變化，甚至與垂直降落相差達7倍之多。由此可知，前飛降落時，動載系數越大而且降落場地越惡劣，對直升機起落架機輪軸的直接損壞有極其重要的影響。同時在有限元分析時，輪軸的受力情況簡化為集中力，但在實際情況中并不是這樣，這種集中力簡化方式可能對分析結果帶來一定的誤差，在分析中，同時對某一點較大集中力均布到多個點，使有限元模型更加與實際受力情況貼近。通過對照之前的載荷加載方法，不同方向上的應力等值曲線分布基本沒有什么變化，表明載荷施加的效果相同，只是應力最大值變小，充分說明改變后的加載方法較為合理。

［1］羅漳平，向錦武.直升機起落架抗墜毀性能的有限元仿真評估［J］.航空學報，2003，24（3）：216～219

［2］章劍，董澤峰，廖良全，等.直升機起落架轉向與對中機構耐久性試驗裝置的研制及應用［J］.直升機技術，2012（6）：62～65

［3］聞邦椿.機械設計手冊［M］.第5版.機械工業出版社，2010

［4］姜年朝，劉國富，戴勇，等.基于ANSYS的滑橇式起落架動態設計方法研究［J］.現代機械，2008（1）：45～46

［5］王昂，毛德華.飛機設計手冊［M］.航空工業出版社，2005