某單發(fā)活塞式飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)的有限元建模與模態(tài)分析

摘要：近年來(lái)我國(guó)的通用航空產(chǎn)業(yè)得到了大力發(fā)展，這對(duì)通航飛機(jī)的安全性提出了更加嚴(yán)峻的要求。剎車(chē)盤(pán)作為飛機(jī)安全的重要部件之一，各種文獻(xiàn)對(duì)其研究較少。因此，本文對(duì)某型單發(fā)活塞式飛機(jī)的剎車(chē)盤(pán)進(jìn)行了測(cè)量，并結(jié)合Hypermesh和Nastran軟件進(jìn)行了有限元建模和自由模態(tài)與約束模態(tài)分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：通用航空；剎車(chē)盤(pán)；有限元；模態(tài)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）07-0261-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： In recent years， China's general aviation industry has been vigorously developed， which puts more severe requirements on the safety of general aviation aircraft. Brake discs are one of the important components of aircraft safety. But the study on the brake disc is few. So， in this article， the brake disc of a kind of a single piston aircraft was measured. And the finite element model was built with Hypermesh and free and constraint modal analysis and the comparison were conducted with Nastran.

Key words： general aviation； brake disc； finite element method； modal analysis.

1 引言

我國(guó)的通用航空近年來(lái)得到大力發(fā)展。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)通用航空2017年全年飛行83.75萬(wàn)小時(shí)，同比增長(zhǎng)9.5%。截至2017年底，全國(guó)獲得通用航空經(jīng)營(yíng)許可證的企業(yè)365家，新增56家，比上年增長(zhǎng)14.1%。通航機(jī)隊(duì)在冊(cè)總數(shù)為2984架（其中固定翼飛機(jī)1865架，旋翼機(jī)1017架），新增300多架，比上年增長(zhǎng)15.0%。截至2018年6月底，已在中國(guó)民用航空局取得使用許可證的通航機(jī)場(chǎng)已達(dá)168個(gè)，且多地仍在規(guī)劃或正在建設(shè)通用機(jī)場(chǎng)已逾百座。通用航空的迅速發(fā)展，也對(duì)通用航空飛行、管理、維修提出了更大的挑戰(zhàn)，通航安全必須得到更大的重視。

相比運(yùn)輸航空，通航飛機(jī)大多數(shù)為小型飛機(jī)，其中活塞式飛機(jī)更是占有相當(dāng)?shù)谋戎?。小型飛機(jī)飛行距離相對(duì)較短，起降次數(shù)多，因此剎車(chē)盤(pán)作為飛機(jī)降落時(shí)的主要制動(dòng)部件，對(duì)飛機(jī)的安全降落發(fā)揮了重要作用。但是，查閱各種文獻(xiàn)，對(duì)通航飛機(jī)剎車(chē)盤(pán)的研究相對(duì)較少，因此本文擬在通航產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的背景下，聚焦于某通航單發(fā)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的剎車(chē)盤(pán)，對(duì)其進(jìn)行有限元建模與分析，以為后期相關(guān)研究奠定一個(gè)基礎(chǔ)。

2 剎車(chē)盤(pán)

本文將要研究的剎車(chē)盤(pán)為通航小型飛機(jī)的活塞式盤(pán)式制動(dòng)器中的組件之一。其通過(guò)駕駛員踩制動(dòng)踏板，將制動(dòng)壓力傳遞到制動(dòng)管路，再傳遞到制動(dòng)器活塞，通過(guò)活塞的運(yùn)動(dòng)使摩擦片與高速旋轉(zhuǎn)的剎車(chē)盤(pán)接觸，二者之間的摩擦力矩使機(jī)輪逐漸減速直至完全停止。圖1所示即為本文要研究的剎車(chē)盤(pán)在機(jī)輪上的位置圖。

為了建立剎車(chē)盤(pán)的有限元模型，需要首先對(duì)剎車(chē)盤(pán)從飛機(jī)機(jī)輪上進(jìn)行拆解和測(cè)量。查閱該機(jī)型的AMM手冊(cè)，找到相應(yīng)章節(jié)，按照標(biāo)準(zhǔn)程序?qū)υ撝苿?dòng)器進(jìn)行拆解，圖2所示為手冊(cè)中該制動(dòng)器的安裝示意圖和具體組件分解圖。

圖3所示為剎車(chē)盤(pán)的實(shí)物圖，其通過(guò)三顆緊固螺栓與主機(jī)輪輪轂固定在一起。對(duì)其進(jìn)行幾何數(shù)據(jù)測(cè)量，得到其二維中心剖面圖如圖4所示。

3 剎車(chē)盤(pán)有限元模型

根據(jù)圖4所測(cè)得的該剎車(chē)盤(pán)的幾何尺寸數(shù)據(jù)，利用Solidworks三維建模軟件進(jìn)行幾何模型建模，得到如圖5所示的剎車(chē)盤(pán)三維模型。將該剎車(chē)盤(pán)三維模型以.igs格式導(dǎo)入到專(zhuān)業(yè)的網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh中進(jìn)行下一步的網(wǎng)格劃分、材料屬性添加、邊界條件施加等，即可得到圖6所示的剎車(chē)盤(pán)有限元模型。

該剎車(chē)盤(pán)有限元選用的網(wǎng)格尺寸為3mm，共有14348個(gè)節(jié)點(diǎn)，52586個(gè)Ctetra4單元組成。剎車(chē)盤(pán)的材料屬性如表1所示。

由于剎車(chē)盤(pán)通過(guò)其帽部的三顆周向均勻布置的緊固螺栓與機(jī)輪輪轂相連，因此在該三個(gè)螺栓孔處和剎車(chē)盤(pán)帽部端面施加全固定約束，約束其三個(gè)平動(dòng)和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。從而得到了該剎車(chē)盤(pán)的有限元模型。

4 剎車(chē)盤(pán)模態(tài)分析

模態(tài)作為物體的固有屬性，可以反映物體在外界激勵(lì)下的振動(dòng)表現(xiàn)，同時(shí)也能表現(xiàn)其剛度水平。因此對(duì)上節(jié)建立的剎車(chē)盤(pán)有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析。該功能通過(guò)添加EIGRL卡片來(lái)實(shí)現(xiàn)，選取前8階模態(tài)進(jìn)行分析。最后選擇SOL 103 Normal Modes求解模塊利用Nastran求解器進(jìn)行模態(tài)求解。

得到的該剎車(chē)盤(pán)前8階自由模態(tài)與約束模態(tài)結(jié)果如表2所示。

從表2的剎車(chē)盤(pán)前8階模態(tài)分析結(jié)果可以看出，由于剎車(chē)盤(pán)為軸對(duì)稱和中心對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，因此有很多成對(duì)模態(tài)，即模態(tài)頻率相同或相近，振型相同或相似，僅在相位上有差別。如自由模態(tài)的第1、2階，第3、4階等。且約束模態(tài)的振動(dòng)頻率由于約束的影響使得其均大于對(duì)應(yīng)階次的自由模態(tài)頻率。對(duì)比對(duì)應(yīng)階次的自由模態(tài)與約束模態(tài)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在前8階中，二者模態(tài)的第1、2階和第5、6階振型相同，頻率不同。但是其他階次無(wú)論是頻率還是振型，都相差較大。根據(jù)文獻(xiàn)[6]的模態(tài)振型數(shù)字特征描述來(lái)看，自由模態(tài)的第3階和第4階均為（0，2）的周向模態(tài)，但是約束模態(tài)的卻并無(wú)此階模態(tài)；且約束模態(tài)的第7階為（1，0）的周向模態(tài)，第3階和第4階為剎車(chē)盤(pán)的局部模態(tài)?？梢钥闯?，由于約束的添加，剎車(chē)盤(pán)的剛度增加從而使其各階頻率均大于對(duì)應(yīng)的自由模態(tài)，且出現(xiàn)了自由模態(tài)前8階所沒(méi)有的模態(tài)振型。

5 結(jié)論

本文首先對(duì)某型單發(fā)活塞式飛機(jī)的主機(jī)輪進(jìn)行了拆解得到了剎車(chē)盤(pán)模型，然后通過(guò)測(cè)量其幾何尺寸數(shù)據(jù)得到了其三維模型，通過(guò)有限元軟件Hypermesh進(jìn)行了有限元模型建模，并利用Nastran軟件進(jìn)行了自由模態(tài)分析與約束模態(tài)分析。通過(guò)對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，其模態(tài)結(jié)果呈成對(duì)出現(xiàn)，及頻率相同或相近，振型相差一個(gè)相位。而且自由模態(tài)與約束模態(tài)由于約束的添加在某些階次的頻率和振型均相差較大。本文的研究結(jié)果可以為后續(xù)的相關(guān)研究提供一定的模型基礎(chǔ)和參考意義。

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