飛機起落架支撐桿強度有限元分析

錢麗麗

【摘 要】本文對某型飛機起落架支撐桿進(jìn)行了強度分析，利用最快捷的前處理軟件ANSA完成所有前處理任務(wù)，利用高級非線性有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行強度計算及結(jié)果處理，得到了可靠的結(jié)果，結(jié)果表明強度滿足要求，為飛機起落架支撐桿的強度、損傷預(yù)測及維護提供了有效的指導(dǎo)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】有限元分析；強度；起落架；支撐桿；ANSA；ABAQUS

FEM Analysis on Stay bar of an Airplane Landing Gear

QIAN Li-li

（Avic Xian Aircraft Industry （Group） Company，Yanliang Shaanxi 710089， China）

【Abstract】Strength analysis of stay bar of an airplane landing gear be done in this paper， the fastest preprocessor soft ANSA be used to finish all preprocessor work， and advanced nonlinear finite element analysis software ABAQUS be used to calculate strength of model and post-processing. The result shows that the strength is meet the requirement， at the same time provides effective guidance for strength of bar of an airplane landing gear， damage prediction and maintenance.

【Key words】FEA analysis； Strength； Landing gear； Stay bar； ANSA； ABAQUS

0 引言

起落架是飛機起飛和降落過程中的關(guān)鍵部件，而斜支撐桿是連接起落架和機體的關(guān)鍵部件，其作用就是抵抗緩沖支柱傳來的一部分載荷，并且相對于支柱外筒約束其對機身的旋轉(zhuǎn)，主要承受軸向載荷，其性能的優(yōu)劣直接影響著飛機的起飛和著陸安全。國內(nèi)外也有非常多的學(xué)者對起落架斜支撐桿進(jìn)行了深入的研究，如王小峰[1]等對飛機起落架撐桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化及強度進(jìn)行了有效的研究，得到了較為合理的撐桿結(jié)構(gòu)。刑穎[4]對飛機起落架撐桿強度進(jìn)行了有限元分析，并研究了動態(tài)載荷向靜態(tài)載荷的轉(zhuǎn)換，得到了比較好的結(jié)果。本文針對某支線飛機的起落架斜支撐桿利用CATIA建立三維模型、利用ANSA進(jìn)行前處理、利用ABAQUS的靜力學(xué)方法計算了結(jié)構(gòu)強度，檢驗其強度的可靠性。

1 模型簡化

對起落架斜支撐桿進(jìn)行分析時重點關(guān)注斜支撐桿的受力狀態(tài)，因此只需要對斜支撐桿進(jìn)行實體建模，并采用高質(zhì)量的六面體單元劃分網(wǎng)格，其它部件進(jìn)行等效簡化，均采用梁單元（BEAM）代替，梁單元的截面形狀根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等效處理，經(jīng)過等效的起落架從輪軸點傳遞到四個鉸接點的載荷與實驗測得載荷進(jìn)行對比，關(guān)鍵載荷的誤差范圍可控制在5%之內(nèi)，說明起落架結(jié)構(gòu)簡化合理、傳力路徑正確。

2 有限元模型建立

2.1 網(wǎng)格劃分

通過ANSA軟件對起落架模型進(jìn)行簡化，對斜支撐桿劃分高質(zhì)量的全六面體網(wǎng)格模型，對其余部件通過一個的梁單元連接，這種網(wǎng)格組合不僅提高了計算效率，而且能夠?qū)π敝螚U進(jìn)行精細(xì)化研究，而且保證了計算精度。在支撐桿的壁厚比較薄的區(qū)域均布置3層以上的高質(zhì)量六面體單元，單元長寬比控制在3以內(nèi)，單元類型采用C3D8I，這種非協(xié)調(diào)的單元增加了修正的位移公式，即使在單元厚度為1層的情況下也能給出非常高精度的分析結(jié)果[2]，因此從網(wǎng)格和單元類型的選擇上保證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本模型共生成六面體單元44136個。

起落架其余部件采用圓柱截面梁和長方形截面梁模擬，單元類型選擇B31單元，這種單元為三維一階梁單元，能夠真實的模擬梁單元的拉、壓及彎曲狀態(tài)，如圖 2所示。本模型共生成梁單元17個。

2.2 材料參數(shù)

如圖 2箭頭所指的三個零件為材料1：彈性模量=210000MPa，泊松比=0.3；其余零件為材料2：彈性模量=71000MPa，泊松比=0.3。斜支撐桿的材料為30CrMnSiNi2A，彈性模量=210000MPa，泊松比=0.3屈服強度為1667MPa。

2.3 載荷、連接及邊界

1）載荷

根據(jù)試驗條件，為模型施加試驗所加載荷，載荷加載點為起落架輪軸點，共六個方向的載荷，分別為X、Y、Z三個方向的力和三個方向的扭矩，其中力的單位為N，扭矩的單位為N·mm，具體載荷大小及方向見表1所示。共有4個工況，每個工況代表起落架在不同狀態(tài)下的受力情況，只有CASE1具有側(cè)向力，其余工況都不存在側(cè)向力，加載后的狀態(tài)如

2）連接

對于斜支撐桿和其相連接的兩個零件，采用COUPLING耦合約束將斜支撐桿的鉸接孔內(nèi)表面耦合到相連接的零件梁單元的端點，這樣就能保證。由于斜支撐桿的連接形式?jīng)Q定了其不能承受彎矩，因此只耦合x、y、z三個方向的平動自由度，不耦合三方向的轉(zhuǎn)動自由度[3]。連接后的狀態(tài)如圖 3綠色方框所示。

3）邊界

約束起落架與機頭連接部位的所有平動和轉(zhuǎn)動自由度，其中包括4個連接到側(cè)壁上的鉸接點，1個連接到框上的鉸接點。約束后的狀態(tài)如圖 3紅色橢圓框所示。

完成所有前處理工作后，輸出ABAQUS求解inp文件，直接批處理提交計算。

3 分析結(jié)果討論

通過對四種工況下支撐桿進(jìn)行強度分析，結(jié)果表明，在CASE2情況下支撐桿的應(yīng)力和位移最大，最大應(yīng)力為1212MPa，最大位移為4.27mm。對照支撐桿的屈服強度計算其安全系數(shù)，安全系數(shù)=屈服強度/分析應(yīng)力×100%，安全系數(shù)大于1說明強度合格，否則強度不合格。詳細(xì)結(jié)果及安全系數(shù)如表 2所示。

4 結(jié)論

采用梁單元對起落架模型進(jìn)行了合理的簡化，保留了支撐桿的詳細(xì)細(xì)節(jié)。利用ANSA軟件對支撐桿進(jìn)行了全六面體網(wǎng)格劃分、梁單元簡化、材料定義、邊界定義、載荷定義、連接定義等所有前處理工作。

通過ABAQUS對四種工況下的強度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，所有工況下支撐桿的應(yīng)力均未超屈服強度，因此支撐桿的強度合格。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王小峰，王永軍.飛機起落架撐桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化及有限元分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2008，6，8（12）.

[2]莊茁，張帆，岑松，等.ABAQUS非線性有限元分析與實例[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006，6.

[4]刑穎.飛機起落架撐桿強度的有限元分析[J].科技視界，2013，01.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]