某型飛機(jī)尾撐作動器失穩(wěn)分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

汪趙宏，王小鋒，黃海清

（中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，湖南 長沙410200）

0 引言

尾撐作動器在飛機(jī)地勤、運(yùn)輸中主要用于支撐飛機(jī)后大門以用于地面維護(hù)和裝卸貨物、設(shè)備等，主要承受壓力載荷，因此其設(shè)計(jì)過程中要充分對其剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行考核驗(yàn)證。

結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)是飛機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的考核指標(biāo)。某型飛機(jī)尾撐作動器在鑒定試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)壓力升高至16 MPa時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品有漏油現(xiàn)象，進(jìn)一步分解檢查后發(fā)現(xiàn)，活塞桿表面出現(xiàn)不同程度的凹陷，發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。為此，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。本文從從理論計(jì)算、仿真模擬等手段對該尾撐作動器的穩(wěn)定性進(jìn)行重新的評估和考核，并提出了改進(jìn)方案，最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明改進(jìn)方案可行。

1 作動器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

尾撐作動器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由外筒、活塞桿、信號感應(yīng)座、保持底座等組成，主要用于裝卸貨時(shí)支撐飛機(jī)，防止飛機(jī)后坐，以及支撐飛機(jī)輔助千斤頂應(yīng)急更換意外爆破的主輪胎。通過液壓驅(qū)動實(shí)現(xiàn)作動器伸長和收縮來滿足支撐飛機(jī)的要求。

圖1 尾撐作動器結(jié)構(gòu)示意圖

活塞桿部分本著減重設(shè)計(jì)的目的，采用薄壁式結(jié)構(gòu)布局，壁厚尺寸2.6 mm（min），活塞桿筒體與球頭部分采用真空電子束焊接來保證連接強(qiáng)度和剛度。如圖2所示?；钊麠U材料：30CrMnSiNi2A，σb=1 670±100 MPa，活塞桿直徑 D0：φ100f7，活塞桿最小壁厚 t：2.6 mm，實(shí)測壁厚 2.69 mm，重量：8.356 kg.其中，引用文獻(xiàn)[1]中的定義，壁厚與曲率半徑之比t/R≤1/10時(shí)為薄壁容器，根據(jù)尺寸計(jì)算，t/R=2.6/50=0.052≤1/10，因此，尾撐作動器活塞桿屬于薄壁結(jié)構(gòu)。

圖2 尾撐作動器活塞桿結(jié)構(gòu)示意圖

2 失穩(wěn)分析

2.1 失穩(wěn)現(xiàn)象

某型飛機(jī)尾撐作動器，試驗(yàn)要求壓力63 MPa，在進(jìn)行靜強(qiáng)度壓力試驗(yàn)過程中，當(dāng)加壓至16 MPa時(shí)發(fā)現(xiàn)活塞桿有漏油現(xiàn)象，中止試驗(yàn)。對尾撐作動器進(jìn)行了分解檢查，在活塞桿表面位置均發(fā)現(xiàn)存在不同程度凹陷，如圖3所示。

圖3 活塞桿表面失穩(wěn)示意圖

通過對表面情況進(jìn)行分析，初步確定為表面發(fā)生徑向失穩(wěn)，并進(jìn)行故障的理論計(jì)算和仿真模擬，并提出改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

2.2 穩(wěn)定性分析

1）軸向穩(wěn)定性分析

尾撐作動器在使用過程中，屬于兩端鉸支階梯形桿件，在彈性范圍內(nèi)總體穩(wěn)定性計(jì)算采用文獻(xiàn)[2]中的計(jì)算方法。通過對尾撐作動器進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型，如圖4所示。

圖4 尾撐作動器軸向穩(wěn)定性理論計(jì)算示意圖

其中，L=1 641 mm，a=871 mm，b=770 mm（b取活塞桿在外筒的支撐中點(diǎn)），Ia=2 351 445.3 mm4，Ib=910 540.3 mm4，Ea=Eb=207 × 103MPa.

安全裕度：（尾撐作動器軸向穩(wěn)定）

2）徑向穩(wěn)定性分析

在進(jìn)行徑向穩(wěn)定性時(shí)，需計(jì)算產(chǎn)品的臨界長度，并與實(shí)際產(chǎn)品長度進(jìn)行對比，確定筒體類型后進(jìn)行穩(wěn)定性考核。從圖2中可以看出，S=670 mm，引用文獻(xiàn)[2]，得到：

經(jīng)計(jì)算，該產(chǎn)品屬于短圓筒類型，因此活塞桿按受均布徑向外壓短圓筒進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算：

3）失效定位

通過對軸向、徑向穩(wěn)定性分析，活塞桿在受壓大于10.42 MPa時(shí)，產(chǎn)品會發(fā)生失穩(wěn)，而在試驗(yàn)加載過程中活塞桿隨壓力升高會發(fā)生行程位移變化，中部已縮回至作動器內(nèi)部，因此a、b、L值發(fā)生變化，即在16 MPa壓力時(shí)發(fā)生徑向失穩(wěn)。

3 改進(jìn)方案

3.1 結(jié)構(gòu)更改

通過分析，影響活塞桿徑向穩(wěn)定性的主要因素有：加強(qiáng)圈中心線之間的距離L、活塞桿壁厚尺寸t、活塞桿外徑D0以及材料選用。綜合評估后，僅通過增加壁厚和補(bǔ)充加強(qiáng)筋的方法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖5.改進(jìn)后的參數(shù)：材料為30CrMnSiNi2A，σb=1 670±100 MPa，活塞桿直徑D0為φ100f7，活塞桿最小壁厚t為3.8 mm，加強(qiáng)圈中心線之間最大的距離L為164 mm，加強(qiáng)筋厚度9 mm，重量為11.81 kg.

圖5 活塞桿改進(jìn)示意圖

3.2 穩(wěn)定性分析

增加壁厚和加強(qiáng)筋對軸向穩(wěn)定起貢獻(xiàn)作用，因此，軸向穩(wěn)定不做分析，僅進(jìn)行徑向穩(wěn)定性分析。

=600.2，L=164 mm＜Lcr=600.2 mm活塞桿組件屬于短圓筒。

通過CATIA軟件中的Analysis Manager模塊對活塞桿進(jìn)行相應(yīng)的分析，對活塞桿施加材料（30CrMnSiNi2A）以及對零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用CATIA軟件進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果一階特征值f=1.528 9，臨界壓力 Pcr=P × f=96.32 MPa，N=-1=0.53安全裕度（徑向穩(wěn)定），如圖6所示。

圖6 有限元分析云圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的尾撐作動器按照改進(jìn)前的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法重新進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，在加壓速率≯3 MPa/s的情況下，將系統(tǒng)壓力緩慢提升至63 MPa，整個(gè)試驗(yàn)過程中產(chǎn)品未發(fā)生局部失穩(wěn)，改進(jìn)效果明顯。但重量指標(biāo)超過41%，這是用戶無法接受的指標(biāo)。

基于以上結(jié)果，需對產(chǎn)品繼續(xù)進(jìn)行減重設(shè)計(jì)，因壓力提升至63 MPa未發(fā)生失穩(wěn)，在此基礎(chǔ)上考慮到改變活塞桿的壁厚是有效可行的方案，因此在上述試驗(yàn)件的基礎(chǔ)上將活塞桿的壁厚按照表1的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了迭代設(shè)計(jì)并反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，理論壁厚在3.4 mm的情況下仍未發(fā)生失穩(wěn)的現(xiàn)象?？紤]到飛機(jī)使用過程中以及加工過程中的不確定因素，最終確定產(chǎn)品理論壁厚尺寸為3.4 mm，最小壁厚3.2 mm，同時(shí)也符合試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)要求。重量指標(biāo)僅超出26.7%，改進(jìn)效果明顯，符合用戶要求。

表1 不同壁厚下的臨界壓力值

5 結(jié)論

本文給出了筒類零件壓力考核的設(shè)計(jì)依據(jù)，并對其穩(wěn)定性進(jìn)行了校核和仿真計(jì)算，通過試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)合理可行，方法正確。對該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供了理論依據(jù)和方法。