基于ANSYS的飛機(jī)前起安裝支架焊修方案的分析

　楊兆軍

（中國民航飛行學(xué)院飛機(jī)修理廠，四川廣漢618307）

故障診斷與維修

基于ANSYS的飛機(jī)前起安裝支架焊修方案的分析

楊兆軍

（中國民航飛行學(xué)院飛機(jī)修理廠，四川廣漢618307）

某型飛機(jī)的前起落架安裝支架是該型飛機(jī)起落架系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，隨著學(xué)院的飛行訓(xùn)練小時(shí)數(shù)和總起落次數(shù)的增加，部分支架發(fā)生了裂紋故障，對其進(jìn)行焊接修復(fù)是維修中的難點(diǎn)工作。利用Pro/E軟件對支架的各種焊片形狀和焊接位置進(jìn)行了三維建模，并導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，對比得出最佳的焊修方案，為起落架支架的焊修工作提供了理論上的依據(jù)。

安裝支架；焊接修復(fù)；Pro/E；ANSYS；有限元強(qiáng)度分析

某型飛機(jī)的前起落架安裝支架是將前起落架安裝在機(jī)身上的重要部件，承受著前起落架傳遞過來的各種載荷［1］。由于本身設(shè)計(jì)存在缺陷，加之該型飛機(jī)主要用于訓(xùn)練飛行，起飛和降落頻率高，在該機(jī)型使用幾千飛行小時(shí)后，發(fā)現(xiàn)一些支架在安裝管和上支管之間的焊縫區(qū)域產(chǎn)生了裂紋，如圖1所示。按照飛機(jī)的適航要求，該支架一旦產(chǎn)生裂紋，必須進(jìn)行更換。為了降低飛機(jī)維修成本，工廠決定對安裝支架作焊接加強(qiáng)修理，為了獲得修理方案的理論支撐，本文運(yùn)用Pro/E軟件對支架的各種可能的焊修方案進(jìn)行來了三維建模，并將其導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析［2］，通過對分析結(jié)果的對比，從中選出可行的加強(qiáng)修復(fù)方案。

圖1　支架裂紋

1　有限元模型

1.1建立三維模型

采用PRO/ENGINEER對原支架和焊修方案建立三維模型，又因上支管和安裝管上的線段無法構(gòu)建在同一個(gè)平面上，焊片在焊接時(shí)只有經(jīng)過彎曲變形后，方能和支架上的兩管面相貼合，所以，在對焊片進(jìn)行三維建模時(shí)，使用了Pro/ENGINEER中的“混合掃描”項(xiàng)功能；在建模時(shí)，當(dāng)焊縫體現(xiàn)不明確時(shí)，如果進(jìn)行倒圓角，就會(huì)形成更小的倒角，一是會(huì)造成ANSYS在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)很困難，二是會(huì)造成ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中，從而使分析的結(jié)果與實(shí)際情況不符。所以，在對焊修方案進(jìn)行三維建模時(shí)，忽略一些小的倒角，用“伸入接觸”來代替實(shí)際的焊縫。

1.2有限元模型的建立

將支架的Pro/E模型導(dǎo)入到ANSYS軟件中。支架的材質(zhì)為國外的合金鋼材料，近似我國15CrMn－MoVA結(jié)構(gòu)鋼［3］。材料的彈性模量2.06E+11 Pa，泊松比3.0，屈服極限為1.190E+09 Pa，強(qiáng)度極限為1.263E+09 Pa.ANSYS軟件中常用的三維實(shí)體單元有solid45、solid85、solid95等。本文采用常用的solid45單元［4］。

2　有限元分析

2.1約束和加載

圖1所示支架是通過4個(gè)焊接在支管上的安裝板，用12顆螺栓固定在機(jī)身上，所以對4個(gè)安裝板與機(jī)身框的接觸面實(shí)施約束。通過對前起落架減震支柱進(jìn)行壓力測試，獲得了壓力平均值F=9 508 N.前起落架通過一根大螺栓穿過安裝管固定在支架上，所以其它部位受力很小，主要加載面設(shè)定在安裝管下端面上。如圖2所示。

圖2　支架三維圖

2.2支架有限元分析

從ANSYS軟件分析結(jié)果可知，原支架所受的σmax為0.226E+09 Pa，其位于上支管與安轉(zhuǎn)管之間的焊縫區(qū)域，即產(chǎn)生裂紋的位置，如圖3所示。支架最大位移發(fā)生在上支管和安裝管處，最大位移為0.303 mm，說明在此情況下安裝支架產(chǎn)生了大變形，對安裝支架剛度有影響，如圖4所示。

圖3　支架應(yīng)力圖

圖4　支架位移圖

3　焊接加強(qiáng)修復(fù)方案有限元分析

3.1焊接加強(qiáng)修復(fù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)支架的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了八種焊接加強(qiáng)修復(fù)方案，如圖5所示。

圖5　焊接加強(qiáng)修復(fù)方案

方案1：焊片形狀為直角梯形，上底寬15 mm、下底寬12 mm、高為11 mm，焊片厚度為1.6 mm.焊接位置：梯形上底距安裝管上端面11 mm，直角腰距安裝管中軸面左側(cè)8mm.

方案2：焊片形狀：上底為7.3 mm、下底為55 mm、高為35.6 mm的梯形，焊片的厚度為1.4 mm.焊接位置：下底邊距安裝管中軸面左側(cè)3 mm，腰邊距安裝管上端面3.5 mm.

方案3：焊片形狀為梯形，上底寬9.2 mm、下底寬46 mm、高為45.6mm，焊片的厚度為1.3 mm.焊接位置：下底距安裝管中軸面左側(cè)6 mm，梯形腰距安裝管上端面3.5 mm，并將焊片上底的兩角進(jìn)行圓角過渡。

方案4：焊片形狀為三角形，邊長分別為51 mm和66 mm，兩邊夾角為116°，焊片的厚度為1.5 mm，然后將焊片與上支管的焊接部位倒角成圓角。焊接位置：116°角頂距安裝管中軸面左側(cè)5 mm，距安裝管上端面5.5 mm.該方案是在綜合了前兩方案基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加力臂長度。

方案5：焊片形狀為梯形，下底和上底分別為42.5mm和20 mm，高為35 mm，焊片的厚度為0.9 mm，然后將焊片彎成曲面。焊接位置：下底邊在安裝管中軸面上，距安裝管上端面4.7mm.

方案6：焊片形狀為四邊形，四條邊分別為25 mm、55 mm、85 mm、43mm，焊片的厚度為1.3 mm.焊接位置：將兩焊片焊接在上部和中部兩支管之間。

方案7：焊片形狀為梯形，下底和上底分別為51 mm和8 mm，高為46.5 mm，焊片的厚度為1.5 mm，在焊接時(shí)將焊片彎成曲面。焊接位置：下底在安裝管中軸左側(cè)5.6 mm，距安裝管上端面5.5mm.

方案8：焊片形狀為兩梯形。該焊接方案是在方案7的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，在上部兩支管之間再焊接一塊焊片，以期望通過此來增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。安裝管兩側(cè)焊片的形狀、尺寸和位置與方案7相同，上支管間焊片形狀為下底和上底分別為43.2 mm和35.3 mm，高為11mm的梯形，焊片的厚度為1.1 mm.焊接位置：焊片焊接在兩上支管中立面上，梯形上底距安裝管中立面28.3 mm.

3.2焊接加強(qiáng)修復(fù)方案有限元分析

將八種焊接加強(qiáng)修復(fù)方案的三維模型逐一導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖6所示。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖6　焊修方案有限元分析

下面按照方案編號，對有限元分析結(jié)果進(jìn)行羅列：

（1）裂紋區(qū)域的應(yīng)力值為0.192E+09 Pa，比原支架在該區(qū)域的應(yīng)力值有所減小，但在上支管與焊片之間的焊縫區(qū)域產(chǎn)生了更大的應(yīng)力集中，σmax達(dá)到0.346E+09 Pa.

（2）裂紋區(qū)域的應(yīng)力值為0.188E+09 Pa，比原支架在該區(qū)域的應(yīng)力值有所減小，但在上支管與焊片之間的焊縫區(qū)域形成了更大的應(yīng)力集中，σmax達(dá)到0.241E+09 Pa.

（3）裂紋區(qū)域的應(yīng)力值為0.174E+Pa，比原支架在該區(qū)域的應(yīng)力值有所減小，但在上支管與焊片之間的焊縫區(qū)域形成了更大的應(yīng)力集中，σmax達(dá)到0.224E+09Pa.

（4）裂紋區(qū)域的應(yīng)力值為0.116E+09 Pa，明顯降低了原支架裂紋裂紋的應(yīng)力值，但上支管與焊片之間的焊縫區(qū)域的σmax達(dá)到0.209E+Pa.

（5）裂紋區(qū)域的應(yīng)力值為0.196E+09 Pa，但在上支管與焊片之間的焊縫區(qū)域的σmax達(dá)到0.220E+09 Pa.

（6）裂紋區(qū)域的應(yīng)力值為0.218E+09 Pa，比原支架裂紋區(qū)域的最大應(yīng)力值降低不明顯。

（7）裂紋區(qū)域的應(yīng)力值為0.126E+09 Pa，明顯降低了原裂紋區(qū)域的應(yīng)力值，σmax在上支管與焊片之間的焊縫區(qū)域，為0.162E+09 Pa，最大位移量為0.232E -03 m，最大位移量和最大應(yīng)力值都比原裝安裝支架裂紋區(qū)域的σmax有了大的降低。

（8）裂紋區(qū)域的應(yīng)力值為0.137E+09 Pa，明顯降低了原裂紋區(qū)域的最大應(yīng)力值，但在兩上支管與焊片之間焊縫區(qū)域的σmax達(dá)到0.308E+09 Pa.

安裝支架的焊接修復(fù)方案可能還其它好的方案，目前只作了以上八個(gè)方案的有限元分析，以后將不斷研究出新的焊接修復(fù)方案，并作有限元分析，以便找到可行的最佳方案。

4　最佳焊接加強(qiáng)修復(fù)方案選取

通過對八種焊接加強(qiáng)修復(fù)方案的有限元分析結(jié)果的比較分析，選取最佳焊接加強(qiáng)修復(fù)方案。

八種修復(fù)方案中，在安裝管與上支架之間焊縫處的最大應(yīng)力值都有所減小，但部分方案的最大應(yīng)力值減小不明顯，甚至1、2、8三種修復(fù)方案的最大應(yīng)力值已大大超過原支架的最大應(yīng)力值。通過對八種焊修方案的分析比較，方案7的最大應(yīng)力值及分布情況最為理想，所以就目前安裝支架的焊修開發(fā)工作而言，將會(huì)采用方案7進(jìn)行焊接維修工作。

［1］江治俊.TB200型飛機(jī)前起落架安裝支架焊接修復(fù)［J］.中國民航飛行學(xué)院報(bào)，2010，（5）：29-31.

［2］吳江，楊兆軍.某型飛機(jī)翼肋組件的有限元分析及改進(jìn)［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2014，（2）：55-57.

［3］楊兆軍.某型飛機(jī)前起支架失效機(jī)理分析［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，（24）：74-75.

［4］徐貴旭.基于ANSYS的大采高液壓支架的優(yōu)化分析［J］.機(jī)械研究與與應(yīng)用，2015，（3）：9-10.

Analysis ofWelding Repair Plan for Aircraft Front Bracket based on the ANSYS

YANG Zhao-jun
（Aircraft Maintenance Base，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan Sichuan 618307，China）

A certain type of aircraft nose landing gear mounting bracket is the key components of the aircraft landing gear system，with increase of college flight training hours and total landing numbers，part of the stent occurrence crack fault.The welding repair and maintenance work is difficult.The Pro/E software to support all kinds of welding shape and welding position for 3D modeling，and imported into the ANSYS software of finite element strength analysis，comparing the bestwelding repair scheme，for landing gear bracketwelding repair work provides a theoretical basis.

mounting bracker；welding repair；Pro/E；ANSYS；finite element strength analysis

V267

A

1672-545X（2016）06-0201-04

2016-03-17

楊兆軍（1975-），男，四川綿竹人，工程師，工程碩士，研究方向?yàn)楹娇掌骶S修與適航。