飛機起落架結(jié)構(gòu)件件強度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

賴英朋

摘要：飛機起落架主要是飛機實行起降的主要受力件，對飛機來說具有重要性作用。為了確保飛機的安全起降，需要全面加強起落架的使用期限和受力性能等，隨著不斷提升的飛機性能，需要全面優(yōu)化和創(chuàng)新起落架設(shè)計，使其既能夠滿足合理受力和充足強度，還需要在此基礎(chǔ)之上不斷降低起落架的重量。本文主要是探討分析飛機起落架結(jié)構(gòu)件件強度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在此基礎(chǔ)之上主要是通過兩種方式對起落架撐桿和上剎車桿進行強度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理，希望能夠?qū)︼w機起落架結(jié)構(gòu)件設(shè)計起到參考性價值。

關(guān)鍵詞：飛機起落架；結(jié)構(gòu)件；強度分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

文本主要是起落架結(jié)構(gòu)件進行分析研究，特別表現(xiàn)在上剎車拉桿和撐桿上。在分析強度之后，獲得較大的安全裕度，為了使材料潛能全面發(fā)揮，滿足輕量化設(shè)計要求。需要對飛機起落架結(jié)構(gòu)件進行優(yōu)化，使其在符合各項標準要求之下能夠降低自身重量，改善受力性能。此次研究主要是通過CATTA軟件的建模功能和ANSYS Wokebench的拓撲優(yōu)化功能對飛機起落架剎車拉桿強度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。前者主要是建立剎車拉桿的立體模型，之后將模型導(dǎo)入后者軟件當中施加載荷，之后再進行強度分析。如果拉桿存在較大的安全系數(shù)，則需要優(yōu)化去除材料的拓撲。將拓撲材料去除不同程度之后對其進行計算，分析強度。在確定去除材料比例之后，需要將其導(dǎo)入到ANSYS Wokebench軟件當中校核強度，在確定優(yōu)化截面尺寸之后，能夠使飛機起落架滿足輕量化設(shè)計要求。

1.飛機起落架的結(jié)構(gòu)和特點

由于飛機起落架使用條件受到限制，因此具備較低的可靠性。飛機起落架不論是在人為保養(yǎng)和污染因素方面都存在腐蝕情況。一般材料無法應(yīng)用在應(yīng)用環(huán)境比較艱巨的飛機起落架當中。所以在制作飛機起落架時使用高強度鋼材導(dǎo)致材料具有較低的疲勞極限，并且無法進行有效檢查。由于以上原因，飛機起落架常常出現(xiàn)突然失效情況，導(dǎo)致出現(xiàn)較多的飛行事故。按照以上飛機起落架的各項特點，在提升飛機起落架的強度時需要不斷增加飛機起落架的尺寸，然而由于飛機的飛行性能對重量之間存在較大的敏感性，因此某些設(shè)計人員為了加強結(jié)構(gòu)件強度總是通過提升重量實現(xiàn)，該種方法不可取，因此需要全面優(yōu)化飛機起落架的部件結(jié)構(gòu)，這樣能夠使其合理受力。在降低質(zhì)量情況下增加強度，這樣也能夠提升飛機起落架的強度。

2.飛機起落架撐桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和強度分析

2.1選擇撐桿建模軟件

在對飛機起落架撐桿進行建模時可以通過CATIA軟件實現(xiàn)，該軟件屬于一種先進的制圖軟件，能夠全面應(yīng)用在較高設(shè)計要求的建模當中。如果模型的具有復(fù)雜形狀等需要通過該軟件建模。這主要是由于CATIA軟件具備多樣化的曲面編輯功能以及制作工具等，這樣能夠全面滿足各項要求。因此廣泛應(yīng)用在汽車制作，臨床領(lǐng)域和航天領(lǐng)域。

由于此次研究的飛機起落架的撐桿都比較簡單，并且存在較少的曲面，然而在ANSYS軟件當中之間進行建模也出現(xiàn)較多的復(fù)雜性，因此需要借助于CATIA軟件建立立體模型。由于ANSYS軟件和CATIA軟件之間能夠共享數(shù)據(jù)，因此在CATIA軟件當中建立的模型可以之間傳輸?shù)紸NSYS軟件當中，這樣既能夠減少建模時間，還能夠使模型與真實零件之間的差異性不斷降低。

2.2撐桿的立體建模和強度分析

（1）撐桿的三維建模：由于撐桿的三維建模對于優(yōu)化期間的數(shù)學(xué)模型來說具有較大的難度。由于撐桿的界面尺寸沿著長度方向沒有出現(xiàn)較大的改變。因此，可以使用撐桿截面尺寸在長度方向上不變的模型替換實際模型。當建立完實際撐桿模型之后，需要對其進行強度分析。由于簡化模型對分析結(jié)果產(chǎn)生影響，但是然而簡化模型與實際模型在尺寸方面不存在差異性，這樣就能夠確保優(yōu)化結(jié)果的相似性。所以，可以通過簡化模型對撐桿進行強度分析。

使用CATIA軟件對飛機起落架撐桿建立立體模型，下圖為按照簡化之后的尺寸建立的立體模型。

（2）撐桿強度分析：撐桿的實際受力情況需要導(dǎo)入ANSYS Wokebench軟件當中，之后通過坐標系能夠看出。其受力情況只能在X軸方向進行移動，將Y軸和Z軸進行固定。之后需要將耳子內(nèi)孔表面的方向進行固定，確保其不會出現(xiàn)移動情況。之后需要將載荷施加到另一端的耳子內(nèi)表面，撐桿的材料主要是30CrMnSiNi2A，此時的彈性模量為2.1×1011MPa，需要在600kN拉力下分析應(yīng)力。下圖為在該軟件當中撐桿強度分析應(yīng)力云圖：

由上圖可以得出，在耳子附近出現(xiàn)可最大應(yīng)力，大約為750.4MPa。但是30CrMnSiNi2A所能承受的最大應(yīng)力為1666MPa，具有較大的安全裕度，需要全面考慮起落架重量減輕以及全面發(fā)揮材料潛能等，這樣能夠不斷優(yōu)化撐桿截面尺寸。如果在優(yōu)化之后減小了撐桿截面尺寸。這將導(dǎo)致其在相同條件下提升應(yīng)力水平，使撐桿能夠?qū)訌姽ぷ鞣€(wěn)定性，如果出現(xiàn)以上現(xiàn)象，則說明該種優(yōu)化方法比較合理。如果在優(yōu)化之后，截面尺寸幾乎沒有出現(xiàn)明顯的減小情況，并且增加了較多的應(yīng)力，這樣說明該種方案不合理。

3.剎車拉桿的強度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1彈性力學(xué)基本方程

彈性體是彈性力學(xué)主要的研究對象，主要是對彈性體在外力作用之下變形與應(yīng)力之間的關(guān)系的研究。現(xiàn)階段，受到專家學(xué)者青睞的有限元法也是以彈性力學(xué)為主要前提的。為了處理彈性體的力學(xué)問題，得到的結(jié)果是解析解，采用有限元得出的結(jié)果是數(shù)值解，這就說明彈性力學(xué)與有限元之間存在較大的關(guān)聯(lián)性。以此在推導(dǎo)有限元時需要借助于彈性力學(xué)的相關(guān)知識。因此需要明確彈性力學(xué)的基本方程。

（1）位移和應(yīng)變的關(guān)系——幾何方程：如果物體存在較小的位移和變形情況，因此可以將位移導(dǎo)數(shù)的高次冪忽略不計。應(yīng)變向量與位移向量的關(guān)系如下：

（2）應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系——物理方程：在彈性力學(xué)當中，本構(gòu)方程主要表示應(yīng)變和應(yīng)力之間的關(guān)系，主要是建立在彈性體的假設(shè)之上。

3.2上剎車拉桿的加載和強度分析

首先需要在CATIA軟件對飛機起落架剎車拉桿建立立體模型，之后需要將此模型導(dǎo)入到ANSYS Wokebench軟件當中，在上文當中已經(jīng)分析到。需要劃分自由網(wǎng)格，之后需要分為若干節(jié)點和單元。

按照模型的桿件的受力情況和三維坐標進行分析：桿件在X軸產(chǎn)生移動，沒有在Y軸和Z軸產(chǎn)生移動。需要約束拉桿一端內(nèi)孔的3個坐標，需要約束另一端的兩個坐標。使其只能在X軸上進行移動。需要在產(chǎn)生位移一端的內(nèi)孔表面施加應(yīng)力，這樣由于拉桿的工作環(huán)境使其只能受到壓力。

此次研究所使用的拉桿材料，彈性模量以及泊松比與支撐一致。需要在拉桿上施加320kN拉力，之后借助于ANSYS Wokebench軟件對剎車拉桿的應(yīng)力水平進行分析，此時得出，在圓柱耳的肋板和外側(cè)相連接的地方出現(xiàn)了最大應(yīng)力，大約為768.7kN，如下圖所示：

由上圖可以得出，拉桿的最大應(yīng)力為768.7MPa，30CrMnSiNi2A所能承受的最大應(yīng)力為1666MPa，具有較大的安全裕度，為了全面考慮拉桿的性能，需要對該材料進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的，計算機技術(shù)的優(yōu)化原理逐漸發(fā)展。已經(jīng)能夠廣泛應(yīng)用在較多實際問題解決方面，能夠?qū)ζ溥M行優(yōu)化設(shè)計。借助于優(yōu)化算法和計算機技術(shù)，能夠使人們在預(yù)設(shè)條件下獲得最適宜的優(yōu)化方案，這樣能夠在較大程度上降低時間成本，不斷加強工作效率。此次研究主要是通過ANSYS Wokebench軟件對剎車拉桿的結(jié)構(gòu)進行分析，在優(yōu)化之后不僅能夠降低材料成本，還能夠從根本上降低廢棄起落架的重量，并且在優(yōu)化其他部件時提供參考性價值。

4.結(jié)束語

綜上所述，此次研究主要是探討分析了飛機起落架結(jié)構(gòu)件件強度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要是闡述了飛機起落架支撐結(jié)構(gòu)和剎車拉桿結(jié)構(gòu)件，對以上結(jié)構(gòu)件進行強度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要是借助于ANSYS軟件，CATIA軟件，ANSYS Wokebench軟件等對其進行建模處理，之后按照以上軟件的各項功能分析優(yōu)化飛機起落架結(jié)構(gòu)件的各個方式，僅供參考。

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