基于有限元法仿真的直升機不同降落方式對機輪軸的影響分析

李 兵 魏 敏 朱英杰 張東波

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003；2.69008部隊，新疆 五家渠 831300）

0 引言

直升機作為一種低空飛行器，廣泛應用于各個領(lǐng)域，在日常使用中，由于其頻繁起降，飛行駕駛員的操控方式及起落架與地面的剛性接觸碰撞，易造成起落架損壞，給直升機的使用帶來安全隱患。而起落架的輪軸作為關(guān)鍵連接部件，相對來說，更易出現(xiàn)損壞。輪軸在保障起落架正常性能方面占有舉足輕重的作用［1］。

本文針對某型起落架機輪系統(tǒng)的輪軸，使用大型商用ANSYS有限元通用軟件，并通過對輪軸建立簡化的三維幾何模型，計算剖析了輪軸在前飛降落和垂直降落這2種最常見的降落工作方式下的應力應變分布情況。對于前飛降落，考察了輪胎與地面在3個摩擦因數(shù)以及機輪系統(tǒng)剎車時對輪軸的影響，進行仿真分析。對于垂直降落，則考慮3個不等的動載系數(shù)因子對輪軸的加載情況。最后依據(jù)應力與應變的分析計算結(jié)果，在2種常見工況下，得出了更具合理操控直升機降落的方式。

1 機輪系統(tǒng)輪軸的簡化及受力情況分析

該型起落架由緩沖支柱、液壓收放作動筒、機輪軸、機輪與剎車系統(tǒng)等組成。輪軸與緩沖支柱的下端相連接，當機輪接觸地面時，所承受的撞擊力通過輪軸傳遞給起落架的緩沖支柱。由緩沖支柱油氣裝置減震及吸收大部分的撞擊能量，以此減少撞擊力［2］。輪軸的材料為合金鋼（SS），該材料具有良好的綜合力學機械性能，其材料物理性能參數(shù)如下［3］：彈性模量21000MPa，泊松比0.28，質(zhì)量密度7700kg/m3。機輪系統(tǒng)輪軸的受力情況由直升機所處的工作狀況來確定，通常有以下幾種情況：起飛狀態(tài)、飛行狀態(tài)、降落著陸狀態(tài)以及停機于地面等。在起飛和飛行這2種工況中，起落架受力不大或者沒有受力，對輪軸沒有重要的影響，而停機狀態(tài)下輪軸屬于靜力支撐［4］，對此種狀況進行考察意義不大。著陸狀態(tài)下輪軸在這個過程中所承受的載荷復雜多變，對輪軸的使用壽命有極大的關(guān)系。因此，本文著重分析輪軸在直升機降落著陸工況下的受力情況。受力情況簡圖如圖1所示。

圖1 起落架降落受力示意圖

輪軸在垂直降落著陸時受力分析：當起落架垂直降落著陸時，輪軸受到來自地面的沖擊載荷，該型號直升機與停機坪停機時每個起落架所承受的重量大約為1500kg，而沖擊載荷系數(shù)由起落架的垂直降落速度來決定，可得知常規(guī)垂直速度著陸時，重心點取載荷系數(shù)為2.5，但最大不會超過4.0，根據(jù)起落架實際工作情況，擬取動載荷系數(shù)為 1.6、2.6、3.6來進行探討分析［5］。

輪軸在帶前飛速度降落過程中的受力分析：在這種情況中，前飛降落時由于機輪受到來自地面上的水平摩擦力，由力平移原則可知，與垂直降落相比，輪軸受到水平切向扭矩與豎直方向上繞緩沖支柱上支點彎力矩，那么摩擦力的大小與機輪和剛性地面的摩擦系數(shù)大小以及垂直于地面方向上的沖擊載荷大小有關(guān)。機輪橡膠輪胎變形程度不同，摩擦系數(shù)取值就不同。本文在取載荷系數(shù)為3.6時，摩擦系數(shù)分別取0.55、0.6、0.65三個值來研究［5］。

2 機輪系統(tǒng)輪軸的有限元計算分析

本文對輪軸建立有限元模型時，進行了適當?shù)暮喕２捎肁NSYS大型有限元軟件來進行分析，選用單元體為solid187進行網(wǎng)格劃分，劃分后節(jié)點數(shù)25261個，單元數(shù)為16904。

2.1 輪軸在垂直降落時的有限元分析

在起落架垂直降落時，當雙腔油氣緩沖支柱達到最大極限時，輪軸受力最大，故考察這個極限瞬間載荷情況，基于此來估算輪軸在該瞬間應力下的疲勞壽命比較有實際意義。對輪軸模型添加約束時，鑒于輪軸在軸向上沒有位移，可以約束該方向的位移。采用上文取的3個動載荷系數(shù)來加載載荷。

根據(jù)對機輪軸垂直降落的有限元分析結(jié)果，可得知Y方向上應力最大，最大值在輪轂與緩沖支柱內(nèi)桿下端連接部位之間出現(xiàn)，充分說明彎力矩與動載荷對機輪軸的應力分布有較大的影響，同時通過對比，不同載荷系數(shù)下最大應力出現(xiàn)遞增趨勢，具體表現(xiàn)為每增加1.0，應力最大值擴增約600kPa，因此動載荷系數(shù)對輪軸的應力分布有極其重要的影響。如表1所示。

表1 垂直降落時輪軸在不同載荷系數(shù)下的應力應變值

2.2 直升機前飛降落時機輪軸的有限元分析

起落架系統(tǒng)在直升機帶前飛速度降落時，因為受到地面給機輪施加摩擦力，機輪軸的受力情況就變得較為復雜。本文通過計算載荷數(shù)為3.6時，根據(jù)上文取到的3個不同地面情況下的摩擦因子值來考查機輪軸的應變應力情況，有限元分析時，所取約束與垂直降落相同。

通過比較各個方向上的應力最大值，可知Y向為最大應力值。從應力等值圖中可以發(fā)現(xiàn)，應力最大值在機輪側(cè)靠近軸肩處，說明動載荷與摩擦力產(chǎn)生的力矩對輪軸影響很大。在載荷系數(shù)為3.6時，摩擦系數(shù)每增加0.05，總應力最大值增加大約100kPa，如表2所示。

表2 起落架帶前飛速度降落時輪軸在不同摩擦系數(shù)下的應力應變值

通過各個方向上的位移圖對比發(fā)現(xiàn)，可知Y方向上的位移圖與總位移圖相似度較大，說明輪軸的位移主要發(fā)生在Y方向上，也就是說，起落架在前飛降落中由摩擦力產(chǎn)生的力矩對輪軸變形有較大影響，說明輪軸在直升機前飛降落中容易損壞。

3 結(jié)論

通過對兩種降落方式進行仿真分析，可得出以下結(jié)論：（1）垂直降落時，隨著動載荷系數(shù)的增加，機輪軸所承受的應力呈近似線性變化，其應變在可以接受的安全裕度內(nèi)，在其實際使用環(huán)境工況下，機輪軸可以接受更為苛刻的工作條件，直至達到其屈服極限產(chǎn)生塑性變形，而導致失效。（2）前飛降落時，由于不可忽視水平方向上的摩擦力與前飛動量對機輪軸的沖擊影響，機輪軸表現(xiàn)出強烈的加載響應，應力與應變呈現(xiàn)不規(guī)律變化，出現(xiàn)大幅度攀升波動變化，甚至與垂直降落相差達7倍之多。由此可知，前飛降落時，動載系數(shù)越大而且降落場地越惡劣，對直升機起落架機輪軸的直接損壞有極其重要的影響。同時在有限元分析時，輪軸的受力情況簡化為集中力，但在實際情況中并不是這樣，這種集中力簡化方式可能對分析結(jié)果帶來一定的誤差，在分析中，同時對某一點較大集中力均布到多個點，使有限元模型更加與實際受力情況貼近。通過對照之前的載荷加載方法，不同方向上的應力等值曲線分布基本沒有什么變化，表明載荷施加的效果相同，只是應力最大值變小，充分說明改變后的加載方法較為合理。

［1］羅漳平，向錦武.直升機起落架抗墜毀性能的有限元仿真評估［J］.航空學報，2003，24（3）：216～219

［2］章劍，董澤峰，廖良全，等.直升機起落架轉(zhuǎn)向與對中機構(gòu)耐久性試驗裝置的研制及應用［J］.直升機技術(shù)，2012（6）：62～65

［3］聞邦椿.機械設(shè)計手冊［M］.第5版.機械工業(yè)出版社，2010

［4］姜年朝，劉國富，戴勇，等.基于ANSYS的滑橇式起落架動態(tài)設(shè)計方法研究［J］.現(xiàn)代機械，2008（1）：45～46

［5］王昂，毛德華.飛機設(shè)計手冊［M］.航空工業(yè)出版社，2005