飛機剎車裝置受力的有限元分析及結構優化設計

潘虹

摘 要 在飛機的剎車裝置中，起落架是飛機的主要承受力量的結構，尤其是在飛機起飛降落以及在地面停放的時候，起落架都會承受很大的載荷，而此時飛機剎車裝置上機輪輪轂的受力對于飛機機輪的質量是一個很重要的標準。通過有限元分析法，對飛機輪轂的結構及受力分析，從而對飛機的剎車裝置的結構進行優化設計。

關鍵詞 飛機剎車裝置;輪轂受力;有限元分析法;結構優化

飛機的機輪作為飛機剎車裝置的重要組成部分，在飛機的起飛或者降落的時候都會承擔非常巨大的沖擊力，在這個過程中還會產生很高的溫度。在整個起落架系統中，每一部分的裝置都起著重要的作用，尤其是飛機機輪輪轂的受力是衡量飛機機輪質量的一個重要標準，對于整個起落架系統而言，它的重要性也是不言而喻的。在飛機著陸地面滑跑的階段，飛機的剎車裝置能夠將飛機的動能轉化為熱能，從而減小飛機著陸滑跑的距離。通過有限元分析法對飛機的剎車裝置以及起落架和飛機機輪進行受力分析，從而了解每個部件的受力情況，進而做出相關的結構優化，進行新產品的設計開發。

1關于有限元分析法的研究

在科學技術的研究領域中，研究者們常常會面臨著許多力學問題和其他物理問題，雖然已經知道了他們所遵循的基本方法和相應的定解條件，但無論是解決力學問題還是解決物理問題，人們都會面臨著精確度的問題，在工業的很多領域中，精確度都是一個非常重要的標準，科學家們為了解決這個問題，通過不斷的研究得出了數值解法[1]。在近幾十年來，計算機技術的快速發展，對于數值的運算提供了很大的幫助，而數值方法的應用也越來越廣泛，越來越成為解決科學技術問題的重要工具。在科學界對于有限元法的定義可以理解為：有限元法是基于計算機而進行的一種數值計算方法，對于連續問題它能夠通過有限數目的單元離散來近似，每個單元都有一定數目，其作為一種分析工具，對于復雜問題和復雜結構能夠進行強有力的分析。目前在技術領域中，有限元法的應用已經十分的廣泛，對于彈塑性結構動力學以及動力學問題，有限元法都能夠計算出滿意的結果。

簡而言之，有限元的求解思路就是根據力學的相關原理，利用變分法將相關的方程建立應用到結構離散化的各個單元上，進而進行分析計算，得到每個單元的應變和位移，最后得出結構內部的應力、應變。近幾十年來，有限元法的理論和應用都得到了不斷發展，已經從彈性力學擴展到空間問題，分析的對象涉及的范圍也越來越多，未來值得肯定的是，隨著計算機技術、現代力學以及計算數學的發展，有限元法作為一種有效的數值分析工具，對社會經濟建設和科學技術的發展都會起到很大的作用。

2國內外對于飛機剎車裝置的研究現狀分析

飛機剎車裝置作為飛機剎車系統的重要組成部分，其核心部件是剎車副，剎車副決定著整個剎車裝置的結構和性能。通過對剎車副的材料以及熱學與力學的研究，可以對剎車裝置的重量、性能和壽命進行一個很好的設計。相比較于早期飛機剎車盤的材料，在現代的先進飛機中其剎車盤絕大部分都是采用了更為先進的碳—碳復合材料，從而使得剎車盤的使用壽命更長，更加的穩定[2]。

在西方發達國家，很早就將碳—碳復合材料作為飛機的剎車盤的材料，已經基本取代了金屬材料的剎車盤，所以早期的時候這種先進的技術都是被國外的大型跨國公司所壟斷。國內對于這種先進材料的研究起步較晚，但經過十足的努力，我國關于碳—碳復合材料的剎車盤的研究也取得了很大的成果，碳—碳剎車盤現在也已經應用到我國軍用飛機和民用飛機上。

對于剎車副溫度場和受力的研究，我國相比較西方國家研究的起步較晚，從而西方的技術也相對的比較成熟一些。國內也有這方面的研究但是目前并不是很多，但也有部分學者做出了一定的研究內容，闡述了飛機剎車副制動過程中溫度場的計算方法，討論了邊界條件和各相關參數的確定方法，對于摩擦材料物性參數對溫度場的影響也做出了相關研究。

3對于飛機剎車裝置的設計以及力學的分析

（1）對于飛機剎車裝置的設計，是圍繞其核心部件剎車副的設計展開的。根據剎車機輪的尺寸、輪軸尺寸、飛機的著陸剎車能量等參數進行剎車副的設計，根據相應的公式計算得到剎車副的機構參數后，對剎車副和剎車裝置使用有限元分析法進行結構分析[3]。

（2）通過對剎車裝置的剎車副的參數設計，根據相應的計算方法得出剎車能量，經過一系列的計算、比對，我們可以得知在飛機沒有踩剎車時，動盤和靜盤之間存在一定的間隙，需要將剎車盤的單盤厚度設定到一定的數值，以保證沒有剎車阻力。

（3）對剎車副進行有限元分析的時候，由于飛機在剎車的過程中時間短且會產生非常大的能量，剎車盤在厚度和徑向方向上會存在較大的溫度梯度，因此會產生很大的熱應力，這時需要分析剎車副溫度場的邊界條件。通過相關的計算公式和方法，對剎車副溫度場進行一個有限元計算，得到剎車副的各個節點在不同時刻上的溫度數值。

（4）通過對剎車副的熱應力的計算分析，我們可以得到剎車盤熱應力的一些特點。在剎車開始的初期，由于整體溫度不高，而在摩擦面上產生了很大的熱流密度，導致此時在摩擦盤厚度方向的溫度梯度很大，所以其是引起熱應力的主要因素。在剎車的中后期，剎車副內部碳—碳復合材料的導熱率很高，此時外邊界的熱應力明顯比內部大。在過程中我們還發現熱應力的最大值比溫度的最大值出現的較早一些。

4結束語

隨著我國工業實力的不斷發展，航空工業的發展也日新月異，對飛機的剎車裝置進行有效的研究，有助于在飛機的生產過程中對相關結構進行不斷的優化。以計算機為基礎的有限元分析法在飛機剎車裝置的研究上起到了十分重要的作用，其在軍民兩個領域都得到了廣泛的應用。通過對飛機剎車裝置相關的部件的承受力進行有限元分析，從而對飛機的相關結構進行優化，保證飛機的飛行安全。

參考文獻

[1] 陳雨晨.基于ANSYS的飛機機輪輪轂受力分析與結構細節優化設計[D].南京：南京航空航天大學，2012.

[2] 韓建輝.飛機剎車系統的設計與性能仿真分析[D].南京：南京航空航天大學，2012.

[3] 簡正柱.飛機制動過程中剎車副溫度場的數值模擬研究[D].長沙：中南大學，2007.