某型飛機主起下位鎖撐桿方案CATIA有限元選型優化

陳建平 劉木君

（中航通飛研究院，廣東 珠海 519040）

1 概述

1.1 主起結構概述

某大型飛機著陸系統采用前三點式可收放起落架。起落架前輪布置在遠離飛機重心的機身前部，主起落架布置在飛機重心之后翼身對接后加強框34框機身兩側。前起落架和主起落架均為單支柱雙輪并列式起落架。該型飛機主起落架為支柱外伸式方案。其主要結構由主支柱、橫向桿、垂向桿、航向桿、下位鎖、上位鎖及收放機構等構成，主要結構見圖1。

1.2 主起結構受力分析

橫向桿接頭和垂向桿接頭位于34框平面內，主要承受框平面內載荷。其中橫向桿接頭主要載荷為側向載荷。主起航向桿和垂向桿設計為二力桿形式，承受桿件軸向載荷。垂向桿部位主要承受垂向載荷，航向桿主要用于承受從主支柱傳到上部的航向載荷。主起下位鎖通過前后兩個連接點分別于機身33框、35框連接，受載既有航向載荷，同時還有側向載荷，受載大且受力復雜。上位鎖用于起落架收起時固定起落架。收放機構主要承受主起收放載荷，受載較小。

1.3 下位鎖撐桿方案問題的提出

該型飛機主起方案的設計，參考了國外US-1飛機結構形式。由圖2對比可知，US-1飛機在下位鎖部位專門設計了撐桿結構，用以傳遞下位鎖部位較大載荷。而某型飛機的主起結構與US-1飛機有類似之處，同時下位鎖部位也是大受載點和復雜受力部位，目前設計方案下位鎖處的受力究竟如何，撐桿有多大的作用，下位鎖處是否需要設計撐桿？同時撐桿及連接點位置對載荷有何影響？……如何進行下位鎖撐桿方案優化選型成為當務之急。

US-1飛機主起落架結構形式某型飛機下位鎖連接方案

2 CATIA有限元建模及計算

2.1 各方案結構建模

為解決上述問題，按照現有下位鎖方案，建立各種下位鎖撐桿連接方案模型。根據實際載荷方向、撐桿連接的前后位置及鎖殼處連接點內外位置的不同，共建立無撐桿、前部內撐桿、前后內撐桿、前部外撐桿、前后外撐桿五種方案模型。根據不同方案模型建立下位鎖局部CATIA有限元模型進行接頭支座支反力計算。以前部內側撐桿方案為例，方案模型詳見圖3，其余各方案模型見后面圖6。

表1 有限元建模網格劃分表

表2 下位鎖撐桿各方案數據對比 單位：N

2.2 模擬各接頭部位螺栓連接

撐桿與撐桿座、撐桿與鎖殼、鎖殼與鎖殼支座、鎖殼與鎖臂之間建立螺栓孔圓柱面同軸通用分析連接，選取用戶自定義連接屬性命令，起始端、末端選取剛性形式，中間段采用BEAM元，半徑為連接件尺寸。

2.3 零件網格劃分

網格類型：各零件網格均采用四面體二維單元網格。

各零件網格大小劃分見表1，網格劃分三維模型見圖4。

2.4 建立支撐約束

在撐桿座、鎖殼支座與機身連接面上建立固支約束，后繼計算讀取這些部位的支反力數值。

2.5 載荷施加

在鎖臂外側，選取四個螺栓孔面建立虛擬剛性零件，作為載荷施加對象。

根據主起載荷計算報告，選取下位鎖受載嚴重的起轉載荷工況進行計算，施加載荷為起轉工況時估算的下位鎖鎖臂載荷：

根據主起落架各接頭載荷初步計算結果及主起落架收放原理試驗數據，收放機構承載較小，對下位鎖部位受載影響不大，計算中按忽略簡化處理。

主起落架起轉載荷：Px=263542N，Pz=329427N。

主起轉軸離地面：3123mm，上下位鎖距：1263mm，支柱離機身側面接頭孔：560mm

下位鎖鎖臂載荷計算：Px=-Px×3123/1263=－263542×3123/1263=-651656（N）

Py= Pz×560/1263=329427×560/1263=146064（N）

計算得出的鎖臂載荷Px、Py的反向載荷即為本有限元方案計算中的外部施加載荷。

2.6 運行計算

無撐桿方案計算模型及結果見圖5，各方案比較計算模型見圖6。

3 各方案數據對比分析

通過對上述各方案進行CATIA有限元建模及計算，其結果數據對比見表2。

從以上計算數據可以看出：

支座2、3上Fy明顯大于Fx，Fy約為Fx的2倍以上，同時支座2處載荷明顯大于支座3。

增加內撐桿設計對降低支座2、3處X方向縱向力有效果，但降幅最大僅為22.7%，也即內撐桿在分擔縱向力上的效率僅為22.7%。

外撐桿在降低縱向力方面作用不大，最大降幅為8.3%。

內、外撐桿對支座2、3處Fy作用力降低作用不大，最大降幅5.1%。

增加撐桿設計后，其分擔縱向力的最大效率僅為22.7%，撐桿支座受載很小，支座2、3處仍舊剩余大部分縱向載荷需要縱向梁傳遞，同時對于降低支座2、3位置的Fy方向載荷不起作用。而在支座2、3位置處Fy約為Fx的2倍以上，應重點考慮框上Y方向橫向力的承受傳遞，縱向力相對應為次要因素。

綜上所述，在下位鎖位置為傳遞縱向力而增加撐桿及相應接頭連接設計意義不大， 故選擇按無下撐桿方案設計。

結語

通過上述CATIA有限元分析方法，成功解決了某型飛機主起下位鎖撐桿方案的選型問題。其方法簡便、實用、有效，計算結果數據直觀可用，與傳統強度有限元建模計算軟件相比較，工作量大幅減少，并實現與原始結構數模的無縫對接，對類似結構設計具有較好的實用參考意義。

[1]中航飛機起落架有限責任公司.某型飛機起落架系統技術方案[R].長沙：中航飛機起落架有限責任公公司，2013.

[2]湯沢豐.世界の傑作機[J]2010，No.140.東京：株式會社文林堂.

[3]邊寶龍.某型飛機起落架地面載荷計算[R].珠海：中航通飛研究院，2012.

[4]陳建平.某型飛機主起落架與機體結構連接結構方案報告[R].珠海：中航通飛研究院，2012.

[5]盛選禹.CATIA V5 R17有限元分析實例教程[M].北京：機械工業出版社，2009.