基于有限元分析的起落架艙門載荷校準方法

唐　寧　劉敬禮

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基于有限元分析的起落架艙門載荷校準方法

唐寧劉敬禮

起落架艙門載荷校準試驗是起落裝置試飛過程中的關鍵性工作之一，但校準試驗件即鎖環(huán)底座尺寸較小，為有效的應變改裝帶來困難。為確定合理的試驗方案，采用有限元方法建立了鎖環(huán)底座有限元模型，對虛擬加載條件下的應變改裝區(qū)域虛擬電橋響應系數(shù)分布進行計算，從而對改裝方案的優(yōu)化提供了量化依據(jù)。計算結(jié)果與校準試驗結(jié)果對比表明，該方法具有較好的精度及可行性。

飛機載荷測量指在真實飛行條件下對飛機結(jié)構(gòu)所受外力的測量，是驗證飛機結(jié)構(gòu)完整性，完成新機定型所必須的試驗項目。目前載荷測量方法主要包括測壓法、應變法及變形測量方法等，應變法因其可行性及精度均能滿足實際應用要求，被認為是唯一標準通用的方法。應變法具體實施可分為地面校準試驗及飛行載荷實測兩部分，其中校準試驗是載荷測量的基礎，其目的是得到應變及載荷間的對應關系即載荷方程，在得到飛行實測數(shù)據(jù)后，代入相關載荷方程可求得飛行載荷。

在某型機載荷試飛過程中，為測量飛行過程中關閉狀態(tài)下起落架艙門氣動力，擬采用應變法對艙門鉤環(huán)鎖鎖環(huán)底座進行脫機校準，為得到較好的試驗效果，應制定合理的應變改裝方案，但鎖環(huán)底座結(jié)構(gòu)尺寸較小且機上空間狹小，采用多種方案同時測量的方法并不可行，而采用試錯法則會造成試驗時間及成本的增加，因此本文基于有限元方法，通過組建虛擬電橋并計算其響應系數(shù)，確定合理的應變改裝方案，并與校準試驗結(jié)果進行了對比驗證。

鎖環(huán)底座結(jié)構(gòu)及受力分析

鉤環(huán)鎖是起落架下位鎖、上位鎖及艙門鎖的常用形式，其通過安裝在機體結(jié)構(gòu)上的鎖鉤將運動構(gòu)件上的鎖環(huán)鉤住，從而實現(xiàn)將運動構(gòu)件固定在所需位置的功能。起落架艙門鎖環(huán)底座結(jié)構(gòu)如圖1所示，在機上使用中，底座通過其底部四個螺栓孔固定于艙門結(jié)構(gòu)筋條上，底座上部通過鎖環(huán)與鎖鉤連接，鎖環(huán)與鎖環(huán)底座可拆卸分離。

在機上使用時，起落架艙門氣動力經(jīng)底座經(jīng)安裝螺栓傳遞到底座兩耳片，再由安裝在底座上的鎖環(huán)傳遞到鎖鉤上達到平衡，鎖鉤載荷方向與底座安裝面呈90°角，為單向拉伸載荷。雖然受力情況較為簡單，但由于鎖環(huán)底座尺寸小，可進行應變改裝的區(qū)域面積小，且無法簡化成板、梁等力學模型，在缺少足夠分析依據(jù)的情況下，無法確定應力集中區(qū)域范圍及定性的應力分布，僅憑經(jīng)驗布置應變計可能導致較差的應變響應，因此對應變計的有效布置提出了較高要求，這同時也是諸如作動器拉板等小部件載荷標定試驗中均面臨的困難。

圖1　鎖環(huán)及鎖環(huán)底座結(jié)構(gòu)

圖2　鎖環(huán)底座及鎖環(huán)有限元模型

鎖環(huán)底座有限元模型

有限元模型的網(wǎng)格劃分的過程是將一個表示結(jié)構(gòu)或連續(xù)體的求解域離散為若干個子域即單元，并通過其邊界上的節(jié)點互聯(lián)成為組合體的過程，而單元類型的選擇要依據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點，準確的反映出與結(jié)構(gòu)的傳力特性，因此在模型及載荷位移邊界均合理的條件下，有限元方法為結(jié)構(gòu)應力應變量化分析提供了可靠基礎。

鎖環(huán)底座為空間三維實體結(jié)構(gòu)，故采用體單元進行有限元建模，單元類型主要為線彈性的16節(jié)點六面體單元以及8節(jié)點四面體過渡單元，有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

為模擬鎖環(huán)底座真實約束及受載情況，對有限元模型施加相應位移及載荷邊界條件。因鎖環(huán)底座被將螺栓完全固定于艙門上，故將其安裝面下表面所有節(jié)點六向自由度均約束；載荷通過鎖環(huán)對稱的傳遞到兩耳片上，為對真實情況進行模擬，在鎖環(huán)與耳片接觸部位設置了接觸單元，并在鎖環(huán)軸心直線所有節(jié)點上均施加垂直向上的節(jié)點力P/n，n為均勻分布的鎖環(huán)軸線方向節(jié)點數(shù)，P為所施加載荷量值。

圖3　應變測量電橋電路圖

虛擬應變電橋

載荷測量實際上是以應變測量橋路所測得組合應變?yōu)榛A，從而建立起載荷-應變模型。一個典型的應變測量電橋電路如圖3所示。

應變的測量值是通過應變計電阻改變從而引起電橋的輸出電壓發(fā)生增量ΔUg反映出來的，對全橋電路，輸入輸出電壓及應變間的關系如下，S為應變計靈敏度，對同型應變計為定值：

基于上式，通過結(jié)構(gòu)受力分析，在結(jié)構(gòu)相應部位的特定方向上布置應變計并接入電橋橋臂，便可通過組合消除不利載荷，對軸力、扭矩及扭矩等載荷類型進行測量。

一個星期后，斯通只身潛水進入奧古斯丁聚水坑，去重新完成伊恩和肯尼中斷的探險任務。中間集結(jié)營地有一支后援隊作好了準備，他就游回到那充滿空氣的石室。為了紀念伊恩·羅蘭，探察隊已將這石室命名為“羅蘭氣鐘”。

在載荷測量中，為得到較為準確的測量結(jié)果，一般要求應變電橋布置在應變響應較大、應力單向性好且遠離應力集中的區(qū)域，因此，應變改裝部位、應變計布置方向及組橋方式的確定有著重要影響。為量化評估這種影響，需對盡可能多的情況進行考察，而有限元方法為這種評估提供了經(jīng)濟可行的手段。在有限元計算結(jié)果中，通過對可實施應變改裝部位節(jié)點應變的提取，可得到各節(jié)點的線應變，及切應變，在平面應力條件下，對于在某一節(jié)點以角布置的應變計，即方向應變，以逆時針方向為正，其應變可通過上述三個應變值進行計算如下：

圖4　任意方向應變推導示意圖

對如圖4所示矩形微元OAPB，兩邊長分別為dx及dy，則對角線OP長為：

綜上，可對各橋臂應變計應變值進行計算，從而根據(jù)式（1）得到電橋輸出響應，為后續(xù)電橋質(zhì)量評估及改裝方案的優(yōu)化提供依據(jù)。

基于響應系數(shù)分布的應變改裝方案優(yōu)化

對于鎖環(huán)底座，考慮到應變改裝及機上恢復使用的可行性，擬在單側(cè)耳片外表面布置拉壓電橋， 而應變片布置方向是影響應變輸出的重要因素，因此應選擇易于測量并確定的角度，據(jù)此，擬定以下兩種應變改裝方案。

方案1：在外表面左右對稱位置處，分別布置垂直片并組成拉壓電橋，豎直方向應變片與底邊成90°角，如圖5（a）所示。

方案2：在外表面左右對稱位置處，以平行于斜邊方向布置垂直片并組成拉壓電橋，斜邊與底邊角為63.5°，如圖5（b）所示。

對有限元模型施加單位載荷即P=1KN的總載荷，計算得到耳片外表面von-mises應力分布如圖6所示，據(jù)此可得應力集中影響區(qū)域，從而避免在該區(qū)域布置應變計而影響校準結(jié)果。

因耳片外表面法向力為零，為平面應力狀態(tài)，故對該平面面內(nèi)應變計算結(jié)果，及進行提取。分別對方案1及方案2的電橋響應系數(shù)分布進行計算，因孔邊存在應力集中，故選擇應力變化平緩區(qū)域的節(jié)點。根據(jù)式（1）及式（7）得兩方案響應系數(shù)分布分別如圖7（a）及7（b）所示，由于應變計布置的對稱性，僅畫出單側(cè)分布，其中應變?nèi)ˇ苔艦閱挝涣俊?/p>

根據(jù)圖7所示計算結(jié)果可對應變改裝部位進行合理選擇，為應變改裝方案的優(yōu)化提供依據(jù)，實際校準試驗中在方案2的基礎上選擇如圖7（b）所示部位對稱布置了垂直應變片，其應變計中心位于a=0.53d，b=0.24l處，處在響應系數(shù)范圍在28～38間的區(qū)域，之所以選擇該部位，是因為該區(qū)域響應系數(shù)分布較為平均、覆蓋面積大且響應較好，而應變計所得到的測量結(jié)果是應變計基底覆蓋區(qū)域內(nèi)的均值，相對于響應系數(shù)梯度較大的區(qū)域，布置在該區(qū)域可較好的驗證計算結(jié)果。

圖5　（a） 方案1應變改裝示意圖

圖5　（b） 方案2應變改裝示意圖

圖6　耳片外表面von-mises應力分布

圖7　（a） 方案1響應系數(shù)分布

圖7　（b） 方案2響應系數(shù)分布

圖8　校準實驗數(shù)據(jù)

試驗驗證

校準試驗共進行三個加載循環(huán)，施加拉向載荷，根據(jù)試驗結(jié)果線性擬合得到響應系數(shù)為32.11，與該區(qū)域所預測范圍28～38相符，對于試驗數(shù)據(jù)中所出現(xiàn)的進回程數(shù)據(jù)不一致，可能的原因為試驗設計夾具的制造誤差導致的夾具與鎖環(huán)間的間隙，這在有限元模型中并未考慮。

結(jié)語

本文根據(jù)載荷校準試驗特點，結(jié)合有限元方法，通過組建虛擬電橋并計算響應系數(shù)分布的方法，實現(xiàn)了對起落架艙門鎖環(huán)底座載荷校準試驗方案設計的指導及優(yōu)化，經(jīng)校準試驗結(jié)果驗證，預測值與試驗值較為吻合，證明了該方法的可行性。在后續(xù)諸如作動器拉板等小部件載荷校準試驗中均可采用該方法，為載荷校準試驗方案的制訂提供了新的途徑。

唐 寧 劉敬禮

中國飛行試驗研究院

唐寧，男，碩士，中國飛行試驗研究院，主要研究方向為飛機載荷強度。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.013