飛機(jī)起落架扭力臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與仿真優(yōu)化

施嘉俊

摘要：飛機(jī)起落架是飛機(jī)停止起落和滑動(dòng)運(yùn)行過程中的非常重要的支撐機(jī)械裝置，保障飛機(jī)行進(jìn)登乘人員安全重要地位。本文主要根據(jù)現(xiàn)有飛機(jī)起落架結(jié)構(gòu)，建立飛機(jī)起落架扭臂的結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化模型，分析扭臂的載荷特點(diǎn)及受力分析，檢驗(yàn)起落架的各組件間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系的合理性，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵字：飛機(jī)起落架扭力臂;數(shù)字化模型;有限元分析

1.前言

隨著科技領(lǐng)域某些尖端難題的重大突破，國際社會(huì)矛盾激化和軍事競爭競爭的愈演愈烈，以及民用飛機(jī)的日漸崛起，航空業(yè)在國家發(fā)展戰(zhàn)略上占有舉足輕重的地位。航空航天領(lǐng)域主要兩方面的發(fā)展和強(qiáng)化，其一是以軍事戰(zhàn)略及軍用航空用品方面的工業(yè)發(fā)展及工業(yè)發(fā)展，這方面可以保障國家航空領(lǐng)空的安全，已經(jīng)解決國事領(lǐng)空及國家領(lǐng)土爭端問題，軍事航空領(lǐng)域的強(qiáng)弱，威脅著國家的存亡，是國家立足國際之本，是國家發(fā)展戰(zhàn)略的重中之重的地位。其次就是以軍事民用相融合的工業(yè)生產(chǎn)，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(yè)尤其軍用民用飛機(jī)的研制優(yōu)化，以及航空航天的武器裝備及其附屬部件的研發(fā)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新優(yōu)化、建模制造等等都是一個(gè)國家航空航天領(lǐng)域力量的強(qiáng)大的重要象征和能力體現(xiàn)。航天航空軍用武器的的先進(jìn)性設(shè)計(jì)、先進(jìn)性制造、先進(jìn)性維修等一體化的要求更快速更精準(zhǔn)更智能的產(chǎn)出和應(yīng)用。在制作世界頂級(jí)的航空航天武器設(shè)備同時(shí)，還要保證設(shè)備及其附屬機(jī)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(jī)起落架是飛機(jī)的重要輔助裝置，在飛機(jī)起飛和著陸關(guān)鍵運(yùn)行過程中，承擔(dān)著飛機(jī)安全飛行與降落的重要安全保障。目前飛行器的研發(fā)方向是向著最具安全性、最輕重量、最緊湊結(jié)構(gòu)型等方向需求較多，飛機(jī)起落架在承力、滑跑、起飛、著陸、剎停，轉(zhuǎn)彎等過程中起著關(guān)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(diǎn)式、后三點(diǎn)式、自行車式、多支結(jié)合點(diǎn)式等，如圖1所示。按按照起落架的結(jié)構(gòu)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(jù)支柱梁的支撐形式區(qū)分簡單支柱式、撐桿支柱式，搖臂式和外伸臂式等較多種結(jié)構(gòu)形式。

2.飛機(jī)起落架扭力臂分析與設(shè)計(jì)

2.1飛機(jī)起落架扭力臂結(jié)構(gòu)

飛機(jī)起落架扭力臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由五個(gè)零件組成，其中防扭臂有上下兩個(gè)組成，銜接銷軸有三個(gè)，上下扭力臂都需要固定加強(qiáng)板筋固定銜接到對(duì)于腔或主體中，見圖2所示。起落架結(jié)構(gòu)中還有承受落地等外力的受力柱，落地時(shí)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(tǒng)、滑動(dòng)機(jī)輪等部件，當(dāng)放下并鎖時(shí)候空間桿裝置需要承受和傳遞機(jī)輪上的集中合力，這樣就可以便于松鎖時(shí)候進(jìn)行疊起和垂放。上下扭力臂鏈接通過支柱和空腔間的縮動(dòng)進(jìn)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(xiàn)受力問題。

2.2起落架扭力臂受力載荷計(jì)算

飛機(jī)起落架的扭力臂的載荷受力分析，需要根據(jù)原始設(shè)計(jì)手冊(cè)和實(shí)際的工程情況的具體數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)分析，飛機(jī)起落架的受力載荷情況分析需要以下內(nèi)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(gè)受力載荷可以分解成為運(yùn)動(dòng)航向的受力載荷和垂直方向受力載荷兩個(gè)分量，既可以通過受力分析進(jìn)行求得受壓壓強(qiáng)及壓力的表達(dá)式。

（2）受力載荷計(jì)算

下扭力臂固結(jié)于緩沖支柱活塞桿的下扭力臂支座孔，而活塞桿和機(jī)輪連接，機(jī)輪的輪胎直接承受來自地面的沖擊載荷，因此對(duì)扭力臂載荷的計(jì)算就簡化到輪軸上進(jìn)行計(jì)算，而計(jì)算機(jī)受力載荷需要在飛機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及起落架結(jié)構(gòu)等重要的一些參數(shù)，其中包括：最大設(shè)計(jì)的起飛重量、著陸過程中的最大重量、著陸重量、著陸是動(dòng)力功、起落的功能儲(chǔ)備量、緩沖系統(tǒng)吸收的最大功能、起落架垂直過載受力載荷值，扭力臂轉(zhuǎn)矩及傳遞力等眾多計(jì)算參數(shù)合力分析。

2.3飛機(jī)起落架扭力臂數(shù)字化建模

機(jī)械制作模型可以采用CAILA環(huán)境進(jìn)行建模。起落架扭力臂建模的過程為兩個(gè)步驟：

第一：首先進(jìn)入建模環(huán)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(shè)計(jì)扭力臂和銷腔裝備設(shè)計(jì)。

第二：整體裝備設(shè)計(jì)，建立起落架扭力臂組合整合模型，然后進(jìn)行整體流程測試仿真。

2.4扭力臂結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

（1）本文主要研究飛機(jī)起落架扭力臂在體積與重量的最佳值模型，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是考慮在滿足材料應(yīng)力極限的變形條件下，在滿足扭轉(zhuǎn)變形所規(guī)定的扭矩載荷條件下，在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算分析，探索體積與重量的最佳值模型。其目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的關(guān)系用拉格朗日函數(shù)表示為：

根據(jù)公式（3）及單約束問題，公式（4）及多約束復(fù)雜問題，從公式（3）到公式（4）可以采用迭代法從起始點(diǎn)逐步優(yōu)化，扭力臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，本型號(hào)的起落架扭力臂裝配體由五個(gè)零件組成，在仿真分析時(shí)會(huì)占用大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，還會(huì)對(duì)主要的研究項(xiàng)目帶來一定的影響，因此，有必要對(duì)模型進(jìn)行簡化，以滿足仿真分析。

3.起落架扭力臂模型仿真與優(yōu)補(bǔ)

在建模軟件中建立起落架扭力臂模型，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)模型變量、模型參數(shù)，上面兩個(gè)數(shù)據(jù)需要前期的研發(fā)的仿真結(jié)果，通過修改和優(yōu)化變形參數(shù)、等效應(yīng)力參數(shù)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(shè)計(jì)約束變量修改目標(biāo)函數(shù)的參數(shù)，進(jìn)而可以通過扭力臂模型腳在扭矩的受力負(fù)荷，通過求解建模，如圖2，扭力臂模型連接圖，圖3某組件負(fù)荷受力圖。

扭力臂優(yōu)化后需要對(duì)五個(gè)組件進(jìn)行優(yōu)化修改，上扭臂優(yōu)化四邊形腔體及筋板，設(shè)置通孔保證擴(kuò)減和分散應(yīng)力。下扭力臂修補(bǔ)通過設(shè)置下腹板區(qū)域，通過拉伸處理來減少和擴(kuò)減集中的贏利。銷軸修補(bǔ)需要在軸壁上增加臺(tái)階軸數(shù)，減少軸端面厚度等。通過以上的局部組件的優(yōu)化，然后在將優(yōu)化后的扭力臂與優(yōu)化前的扭臂分析對(duì)比，通過產(chǎn)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(yīng)變換圖等。通過這些對(duì)比及分析不足，然后在進(jìn)行參數(shù)修改和仿真，最終達(dá)到目標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

4.結(jié)束語

飛機(jī)起落架扭力臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)具體的機(jī)型和載重負(fù)荷等多因素綜合進(jìn)行，本文研究的結(jié)構(gòu)優(yōu)化首先根據(jù)前期素材和進(jìn)行優(yōu)化建立扭力臂的三維數(shù)字化模型，然后對(duì)模型再次進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)和有限元靜力學(xué)仿真分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果對(duì)扭力臂各組件從多方位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)優(yōu)化后的扭力臂的運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力性能、應(yīng)力分布進(jìn)行需求比較，可以應(yīng)用工程實(shí)踐。再扭力臂設(shè)計(jì)優(yōu)化還可再以下多方面進(jìn)行：（1）根據(jù)起落架的三維建模模型，可以對(duì)緩沖介質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，可以大大減小扭力臂的應(yīng)力;（2）通過構(gòu)架整機(jī)增加外筒以及活塞聯(lián)動(dòng)桿，以檢驗(yàn)和測試?yán)碚撛O(shè)計(jì)。（3）建立起落架有限元模型，對(duì)扭力臂的非線性的有限元靜力、非線性材料等研發(fā)仿真，以優(yōu)化應(yīng)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(nèi)在機(jī)理問題深入刨析改進(jìn)。通過持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)才能達(dá)到更理性和實(shí)際實(shí)用，并確保安全航行。

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