飛機起落架扭力臂結構設計分析與仿真優化

施嘉俊

摘要：飛機起落架是飛機停止起落和滑動運行過程中的非常重要的支撐機械裝置，保障飛機行進登乘人員安全重要地位。本文主要根據現有飛機起落架結構，建立飛機起落架扭臂的結構三維數字化模型，分析扭臂的載荷特點及受力分析，檢驗起落架的各組件間的聯動關系的合理性，進而優化設計。

關鍵字：飛機起落架扭力臂;數字化模型;有限元分析

1.前言

隨著科技領域某些尖端難題的重大突破，國際社會矛盾激化和軍事競爭競爭的愈演愈烈，以及民用飛機的日漸崛起，航空業在國家發展戰略上占有舉足輕重的地位。航空航天領域主要兩方面的發展和強化，其一是以軍事戰略及軍用航空用品方面的工業發展及工業發展，這方面可以保障國家航空領空的安全，已經解決國事領空及國家領土爭端問題，軍事航空領域的強弱，威脅著國家的存亡，是國家立足國際之本，是國家發展戰略的重中之重的地位。其次就是以軍事民用相融合的工業生產，從軍用和民生方面解決人民群眾美好生活的期許和愿望。因此，航天航空業尤其軍用民用飛機的研制優化，以及航空航天的武器裝備及其附屬部件的研發設計、創新優化、建模制造等等都是一個國家航空航天領域力量的強大的重要象征和能力體現。航天航空軍用武器的的先進性設計、先進性制造、先進性維修等一體化的要求更快速更精準更智能的產出和應用。在制作世界頂級的航空航天武器設備同時，還要保證設備及其附屬機械裝置的可靠性及延長使用生命周期并保證安全，也是這方面研究的重要方向。

飛機起落架是飛機的重要輔助裝置，在飛機起飛和著陸關鍵運行過程中，承擔著飛機安全飛行與降落的重要安全保障。目前飛行器的研發方向是向著最具安全性、最輕重量、最緊湊結構型等方向需求較多，飛機起落架在承力、滑跑、起飛、著陸、剎停，轉彎等過程中起著關鍵安全作用。起落架是由前起落架和主起落架兩部分組成，目前起落架配置形式分為前三點式、后三點式、自行車式、多支結合點式等，如圖1所示。按按照起落架的結構分為：桁架式、梁架式、混合式，小車架式等。其中梁架式起落架是根據支柱梁的支撐形式區分簡單支柱式、撐桿支柱式，搖臂式和外伸臂式等較多種結構形式。

2.飛機起落架扭力臂分析與設計

2.1飛機起落架扭力臂結構

飛機起落架扭力臂系統結構由五個零件組成，其中防扭臂有上下兩個組成，銜接銷軸有三個，上下扭力臂都需要固定加強板筋固定銜接到對于腔或主體中，見圖2所示。起落架結構中還有承受落地等外力的受力柱，落地時候的減震器，這兩者合在一起就是減震支柱;另外還包含扭力臂、剎車裝置系統、滑動機輪等部件，當放下并鎖時候空間桿裝置需要承受和傳遞機輪上的集中合力，這樣就可以便于松鎖時候進行疊起和垂放。上下扭力臂鏈接通過支柱和空腔間的縮動進行緩沖和減壓，各軸銷間在飛起和落下是都需要固定一定的角度之間，以避免出現受力問題。

2.2起落架扭力臂受力載荷計算

飛機起落架的扭力臂的載荷受力分析，需要根據原始設計手冊和實際的工程情況的具體數據和結構分析，飛機起落架的受力載荷情況分析需要以下內容：

（1）受力載荷受力類型分析，這部分的受力載荷主要是著陸過程中起落架收到的撞擊受力載荷，而這個受力載荷可以分解成為運動航向的受力載荷和垂直方向受力載荷兩個分量，既可以通過受力分析進行求得受壓壓強及壓力的表達式。

（2）受力載荷計算

下扭力臂固結于緩沖支柱活塞桿的下扭力臂支座孔，而活塞桿和機輪連接，機輪的輪胎直接承受來自地面的沖擊載荷，因此對扭力臂載荷的計算就簡化到輪軸上進行計算，而計算機受力載荷需要在飛機設計結構及起落架結構等重要的一些參數，其中包括：最大設計的起飛重量、著陸過程中的最大重量、著陸重量、著陸是動力功、起落的功能儲備量、緩沖系統吸收的最大功能、起落架垂直過載受力載荷值，扭力臂轉矩及傳遞力等眾多計算參數合力分析。

2.3飛機起落架扭力臂數字化建模

機械制作模型可以采用CAILA環境進行建模。起落架扭力臂建模的過程為兩個步驟：

第一：首先進入建模環境選擇建立扭力臂，然后在模型零件中選取并配置的模型，并要設計扭力臂和銷腔裝備設計。

第二：整體裝備設計，建立起落架扭力臂組合整合模型，然后進行整體流程測試仿真。

2.4扭力臂結構數學模型

（1）本文主要研究飛機起落架扭力臂在體積與重量的最佳值模型，結構設計是考慮在滿足材料應力極限的變形條件下，在滿足扭轉變形所規定的扭矩載荷條件下，在結構方面進行優化設計計算分析，探索體積與重量的最佳值模型。其目標函數和約束函數的關系用拉格朗日函數表示為：

根據公式（3）及單約束問題，公式（4）及多約束復雜問題，從公式（3）到公式（4）可以采用迭代法從起始點逐步優化，扭力臂結構優化設計數學模型，本型號的起落架扭力臂裝配體由五個零件組成，在仿真分析時會占用大量的計算機內存，還會對主要的研究項目帶來一定的影響，因此，有必要對模型進行簡化，以滿足仿真分析。

3.起落架扭力臂模型仿真與優補

在建模軟件中建立起落架扭力臂模型，需要進行設計模型變量、模型參數，上面兩個數據需要前期的研發的仿真結果，通過修改和優化變形參數、等效應力參數等眾多因子，才能保證扭力臂緩沖器的減震功能和扭力臂的角度及受力合理。并要設計約束變量修改目標函數的參數，進而可以通過扭力臂模型腳在扭矩的受力負荷，通過求解建模，如圖2，扭力臂模型連接圖，圖3某組件負荷受力圖。

扭力臂優化后需要對五個組件進行優化修改，上扭臂優化四邊形腔體及筋板，設置通孔保證擴減和分散應力。下扭力臂修補通過設置下腹板區域，通過拉伸處理來減少和擴減集中的贏利。銷軸修補需要在軸壁上增加臺階軸數，減少軸端面厚度等。通過以上的局部組件的優化，然后在將優化后的扭力臂與優化前的扭臂分析對比，通過產生的上下扭力臂的加速度曲線圖、平移受力曲線圖、各組件功能曲線圖、軸銷受力載荷曲線圖、軸銷受力加速度曲線圖、整體綜合受力曲線圖和效應變換圖等。通過這些對比及分析不足，然后在進行參數修改和仿真，最終達到目標設計要求。

4.結束語

飛機起落架扭力臂的優化設計和結構優化設計根據具體的機型和載重負荷等多因素綜合進行，本文研究的結構優化首先根據前期素材和進行優化建立扭力臂的三維數字化模型，然后對模型再次進行了動力學和有限元靜力學仿真分析，根據仿真分析結果對扭力臂各組件從多方位進行結構優化，對優化后的扭力臂的運動特性、動力性能、應力分布進行需求比較，可以應用工程實踐。再扭力臂設計優化還可再以下多方面進行：（1）根據起落架的三維建模模型，可以對緩沖介質進行優化，可以大大減小扭力臂的應力;（2）通過構架整機增加外筒以及活塞聯動桿，以檢驗和測試理論設計。（3）建立起落架有限元模型，對扭力臂的非線性的有限元靜力、非線性材料等研發仿真，以優化應力等算法模型。（4）起落架扭力臂非正常情況下如斷裂扭曲等內在機理問題深入刨析改進。通過持續優化和改進才能達到更理性和實際實用，并確保安全航行。

參考文獻：

[1]邱東海.無人機起降滑跑與減振緩沖關鍵技術研究[D].長春：中國科學院大學，2018.

[2]崔璐.某艦載直升機艦面動力學簡化建模方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2017.

[3]孟慶友.Y12F 型飛機起落架結構設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[4]趙宏偉.A320 系列飛機遙控無桿牽引車結構設計和力學分析[D].天津：中國民航大學，2017.

[5]蔡高存.飛機主起落架力學建模與分析[J].機械工程師，2018（04） .

[6]孟清河等.起落架系統技術體系構建研究[J]. 航空科學技術，2019.

[7]傅莉等.磁流變飛機起落架模型參考自適應緩沖控制及聯合仿真[J].沈陽航空航天大學學報，2017.

[8]郭大鵬.輕型固定翼飛機飛行仿真建模與系統開發[D].沈陽：沈陽航空航天大學，2018.

[9]PS Suresh，Niranjan K Sura，K Shankar. Investigation of nonlinear landing gear behaviorand dynamic responses on high performance aircraft[J]. Proceedings of the Institution ofMechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering，2019，233（15）.

[10]于漪丁.小型磁流變飛機起落架建模與緩沖控制研究[D].沈陽：沈陽航空航天大學，2018.