一種飛機著陸燈的結構設計及其機械特性分析*

姚晨熙，段富海，楊 光，胡 偉，韓東旭，季賢聰

（大連理工大學機械工程學院，遼寧大連 116023）

0 引言

飛機外部照明燈是現代飛機照明系統(tǒng)中重要的組成部分。相比于機內照明燈，受到風阻、外部振動等載荷作用，機外照明燈的工作環(huán)境更加惡劣[1]。因此對飛機外部照明燈殼體和基體的結構材料要求非常嚴格，需要滿足高強度、高硬度、低密度、化學性質穩(wěn)定、成本低等要求。現在機外照明燈的殼體材料多為鋁合金材料，而使用高品質鋁合金，存在異形件加工成型困難、成本高、重量大等問題。碳纖維復合材料則具有強度高、出色的耐熱性、出色的抗熱沖擊性、低熱膨脹系數、優(yōu)秀的抗腐蝕性和比重小等優(yōu)點。在生產方面熱塑性碳纖維復合材料制備流程簡單、生產效率高、材料比重小，因此以碳纖維復合材料代替鋁合金材料已成為結構輕量化的一個研究方向[2-5]。本文設計了一種典型的機外收放式著陸燈裝置，并分別以鋁合金材料和碳纖維復合材料作為裝置的結構材料進行有限元分析，論證碳纖維復合材料代替鋁合金材料的可行性，同時對所設計的機械結構進行了拓撲優(yōu)化。

1 收放式著陸燈結構設計

本文設計一種典型的飛機外部著陸燈，該著陸燈具有以下特性：

（1）燈光照明方向可實現0°～90°的旋轉，0°處于關閉狀態(tài)，90°處于工作狀態(tài)；

（2）著陸燈處于關閉狀態(tài)時，裝置外部結構形狀與飛機外形吻合，減少阻力；

（3）裝置滿足強度、剛度和壽命要求，在額定工作載荷內不會失效；

（4）整個裝置具有良好的加工工藝性，并且裝配和維修方便、快捷。

飛機著陸燈的燈源已有行業(yè)標準，對形狀和尺寸有一定的規(guī)定，本文設計根據標準選擇ZLF28-600L型燈源[6]。為保證飛機著陸燈運動機構占用空間小、結構簡單易維護、運動位置準確，選擇齒輪作為裝置的傳動機構，以電動機作為裝置原動件，以轉桿為執(zhí)行機構帶動燈源實現0°～90°范圍內的轉動[7]。設計著陸燈殼體如圖1所示，裝置基體如圖2所示。

圖1 著陸燈殼體

圖2 裝置基體設計

使用三維建模軟件對著陸燈三維建模，檢查整個著陸燈裝配體模型有無干涉，裝配模型如圖3所示。

圖3 著陸燈裝配模型

2 著陸燈結構的有限元分析

2.1 基于鋁合金材料

使用有限元仿真軟件Workbench對模型添加鋁合金材料屬性后，劃分網格如圖4所示。按照著陸燈實際安裝情況，并根據式（1）計算阻力，添加約束和載荷。

式中：A為受風阻面積，m2；Cμ為風阻系數，其與形狀有關，這里Cμ取1；v為著陸燈工作時飛機的最大速度，m/s。

圖4 網格劃分及載荷約束設置

計算得到靜力學分析阻力為300 N，作用在上殼體和著陸燈表面[8-10]。最終求解結果如圖5所示。

通過圖5可知，所設計的典型機外著陸燈模型在靜力學條件下，總變形最大處為0.774 mm，裝置最大應力為247.7 MPa，安全因子為5.08，滿足材料強度要求和裝置變形要求。

圖5 基于鋁合金材料的有限元仿真結果

2.2 基于碳纖維復合材料

碳纖維復合材料的靜力學分析與鋁合金基本相同，只是材料的定義方法不同。復合材料分析采用復合材料結構力學，創(chuàng)建的材料力學屬性[10]有彈性模量E=1 373.15 MPa、抗拉強度 σb=1 471 MPa、泊松比 μ=0.28、密度 ρ=1.45 g/cm3。

通過仿真分析得到碳纖維復合材料機外著陸燈模型的總變形、應力如圖6所示，碳纖維復合材料和鋁合金材料的結果對比如表1所示。

圖6 基于碳纖維復合材料的有限元仿真結果

表1 基于鋁合金材料和碳纖維復合材料的仿真結果對比

通過分析對比結果可知：碳纖維復合材料的模型總變形、應力云圖的分布情況優(yōu)于鋁合金材料；以碳纖維復合材料作為殼體材料，減小了裝置的總變形，總變形減小可以保證著陸燈燈光分布的準確性；兩種材料的應力云圖的應力大小范圍幾乎相同，分布情況相同；碳纖維復合材料的安全因子明顯大于鋁合金材料，相同外力作用下碳纖維復合材料的安全程度更高，可以承受更大的外部載荷；碳纖維復合材料的裝配體較鋁合金材料重量降低25.6%，單獨零件重量可降低45.8%。

圖7 著陸燈模型的拓撲結構優(yōu)化

3 機外著陸燈拓撲優(yōu)化

輕量化設計是機外著陸燈的設計目標之一。使用Shape optimization分析程序對機外著陸燈零件進行拓撲優(yōu)化設計。優(yōu)化設計首先選擇Shape optimization分析程序，然后添加材料、零件接觸設置，設置分析參數。求解完成后，分布如圖7(a)、圖7(b)所示。其中紅色表示可以去掉的部分，黃色表示中間過渡部分，黑色表示零件剩余部分。優(yōu)化后可查看零件切除材料后的結構視圖，去除多余材料后的零件如圖7(c)和圖7(d)所示。根據拓撲優(yōu)化模型修改原來的零件模型，修改后的著陸燈下殼體和基體模型如圖8所示，新舊零件的質量如表2所示。

圖8 優(yōu)化后基體和殼體模型

表2 優(yōu)化前后模型質量對比表

表2列出了優(yōu)化前后殼體和裝置基體的質量，優(yōu)化前后質量分別下降了15%和17%，拓撲優(yōu)化降低了結構質量。理論和經驗表明，飛行器結構質量減低30%，飛機耗油量會減少7%～15%，因此對裝置進行拓撲優(yōu)化減輕裝置重量有很大的經濟效益。

4 結束語

本文設計了一種經典的飛機著陸燈模型，并分別對模型的鋁合金屬性和碳纖維復合材料屬性進行有限元分析，通過分析結果可知：碳纖維復合材料的模型總變形、應力云圖的分布情況優(yōu)于鋁合金材料；碳纖維復合材料的裝配體較鋁合金材料重量降低25.6%，單獨零件重量可降低45.8%。通過靜力學分析，可確定碳纖維復合材料在靜力學強度方面優(yōu)于鋁合金材料，并且可以大幅度減輕著陸燈裝置的重量。因此，在靜力學方面碳纖維復合材料可以代替鋁合金材料，并且機械性能更好。本文最后通過拓撲結構優(yōu)化進行輕量化設計，使得殼體和裝置基體的質量在優(yōu)化前后分別下降了15%和17%。