飛機(jī)著陸過程中航空輪胎的力學(xué)性能分析

李彥斌，吳 健，安 爽，粟本龍，王友善

[哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）橡膠復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，山東 威海 264209]

航空輪胎是飛機(jī)的重要部件，主要用于飛機(jī)的起飛和著陸過程。航空輪胎結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要有橡膠基體、骨架材料等，且生產(chǎn)工序繁多。同時(shí)航空輪胎使用條件嚴(yán)苛，具有負(fù)荷大、速度高、頻率大、變形大、胎壓高、溫升大等特點(diǎn)。著陸階段是飛機(jī)發(fā)生安全事故的高發(fā)階段。

為探究飛機(jī)著陸過程中的實(shí)際工況與邊界條件，國內(nèi)外研究人員展開了豐富的研究。T.NIEZGODA等[1]在建立起落架動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了起落架的數(shù)值模型。J.PYTKA等[2-4]利用車輪力傳感器測(cè)試了作用于起落架輪胎上的力和力矩，并開發(fā)了應(yīng)用于飛機(jī)起落架測(cè)試的輪式測(cè)功機(jī)。R.K.SCHMIDT[5]針對(duì)飛機(jī)起落架用輪胎的合理選擇進(jìn)行了研究。

由于航空輪胎的復(fù)雜性，開展實(shí)際航空輪胎試驗(yàn)研究成本極高，因此開展橡膠試樣級(jí)的試驗(yàn)成為極佳選擇。H.GUO等[6]利用開發(fā)的有限元模型，評(píng)估飛機(jī)試驗(yàn)輪胎的性能和安全標(biāo)準(zhǔn)，其中涵蓋了不同飛機(jī)著陸質(zhì)量和垂直速度下從軟著陸、硬著陸到碰撞著陸的輪胎加載場景。A.K.KONDé等[7]提出了一種建模和預(yù)測(cè)飛機(jī)輪胎的滾轉(zhuǎn)和偏航行為的方法，同時(shí)通過試驗(yàn)測(cè)試橡膠性能。D.CHEN等[8]從理論和試驗(yàn)兩方面研究了不同滑動(dòng)速度對(duì)胎面膠料摩擦學(xué)行為的影響，利用ABAQUS軟件建立了橡膠試樣摩擦溫度和熱力耦合模型。

此外，國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)整個(gè)使用周期下航空輪胎行為也展開了深入研究[9-14]。A.P.IVANOV[15]提出了輪胎滾動(dòng)近似模型，該模型考慮縱向和橫向滑動(dòng)耦合以及由彈性力引起的紡絲和變形狀態(tài)。A.A.KIREENKOV等[16]考慮了氣動(dòng)輪胎準(zhǔn)靜態(tài)變形有限元模擬得到的接觸壓力分布，并研究了結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)的干摩擦模型。P.WU等[17]提出了一種新型的基于地面動(dòng)力的起降系統(tǒng)。Y.LI等[18]為了研究飛機(jī)輪胎在著陸時(shí)產(chǎn)生的熱量，分別搭建了起落架與道面接觸模型、摩擦采樣點(diǎn)模型以及有限元分析模型。

本工作針對(duì)著陸過程中航空輪胎的力學(xué)性能展開研究，以實(shí)際著陸工況為邊界條件，探索航空輪胎內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材料性能，以助力我國大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)和國產(chǎn)航空輪胎研究。

1 橡膠材料高速摩擦試驗(yàn)

硫化是橡膠材料加工的主要工藝之一，橡膠硫化要求在一定的壓力、溫度、時(shí)間等條件下進(jìn)行。本次橡膠材料高速摩擦試驗(yàn)主要分為滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)和滾動(dòng)摩擦試驗(yàn)兩種?；瑒?dòng)摩擦試驗(yàn)選用塊狀試樣（見圖1），滾動(dòng)摩擦試驗(yàn)選用輪狀試樣（見圖2）。兩種試樣均選用11種不同類型的胎面材料原膠，采用如圖3所示的模具，通過平板硫化機(jī)硫化，硫化條件為151 ℃/10 MPa×60 min；主要工藝流程為：預(yù)成型橡膠料坯分組編號(hào)→料坯下料→模具預(yù)熱→硫化參數(shù)設(shè)定→硫化→冷卻成型等?；瑒?dòng)摩擦試驗(yàn)等效為模擬飛機(jī)全制動(dòng)工況，滾動(dòng)摩擦試驗(yàn)等效為模擬飛機(jī)自由滑動(dòng)過程。

圖1 塊狀試樣

圖2 輪狀試樣

圖3 模具

在高速摩擦機(jī)上，分別使用塊狀和輪狀試樣夾具進(jìn)行高速摩擦試驗(yàn)，塊狀試樣主要參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速710 r·min-1，接 觸壓強(qiáng) 1.6 MPa，夾具載荷 270 N，試驗(yàn)時(shí)間 3 s；輪狀試樣主要參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速 1 420 r·min-1，接觸壓強(qiáng) 0.8 MPa，夾具載荷 170 N，試驗(yàn)時(shí)間 2 min。

夾持檢測(cè)機(jī)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下沿導(dǎo)軌移動(dòng)，使試樣與砂輪接觸后，馬上啟動(dòng)砂輪主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行摩擦測(cè)試。此時(shí)，三向力傳感器采集到的X，Y，Z方向的力值被實(shí)時(shí)采集記錄。測(cè)試時(shí)間達(dá)到設(shè)定值后砂輪停轉(zhuǎn)，試樣通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)脫離砂輪，測(cè)試結(jié)束。整個(gè)試驗(yàn)過程采用相同的試驗(yàn)條件，并及時(shí)保存各個(gè)編號(hào)試樣的力學(xué)信息。最后通過計(jì)算機(jī)記錄并分析數(shù)據(jù)。

2 著陸過程航空輪胎有限元仿真建模

2.1 典型航空輪胎結(jié)構(gòu)

航空輪胎包含胎面、冠帶層、緩沖層等。圖4所示為一種典型的航空輪胎結(jié)構(gòu)。

圖4 航空輪胎結(jié)構(gòu)示意

2.2 著陸過程仿真模型的建立

圖5所示為某型號(hào)大型飛機(jī)機(jī)輪分布，該型號(hào)飛機(jī)擁有2個(gè)前輪和4個(gè)后輪。飛機(jī)著陸時(shí)一般后輪先接地，在理想狀態(tài)下，一般認(rèn)為4個(gè)后輪同時(shí)接地。著陸過程單個(gè)主起落架輪胎垂直力隨時(shí)間分布曲線見圖6。由圖6可得，飛機(jī)著陸過程沖擊區(qū)間內(nèi)，從輪胎接觸地面到0.3 s時(shí)，輪胎受到200 kN的最大垂直力。

圖5 某型號(hào)大型飛機(jī)機(jī)輪分布示意

圖6 著陸過程單個(gè)主起落架輪胎垂直力隨時(shí)間分布曲線

利用TYABAS有限元軟件對(duì)航空輪胎各層材料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定邊界條件和材料參數(shù)等。利用ABAQUS建立某型號(hào)航空輪胎的二維有限元模型，如圖7所示，二維模型共有6 185個(gè)節(jié)點(diǎn)、3 735個(gè)CGAX4H單元，并在內(nèi)襯層加載1.53 MPa壓強(qiáng)使得輪胎充氣。而后，將二維模型旋轉(zhuǎn)為三維模型，如圖8所示，三維模型共有465 240個(gè)節(jié)點(diǎn)、281 128個(gè)CGAX4H單元，并設(shè)置地面，其中地面對(duì)輪胎底部壓力為200 kN。

圖7 航空輪胎的二維有限元模型:

圖8 航空輪胎的三維有限元模型

3 結(jié)果與討論

3.1 高速摩擦試驗(yàn)

圖9所示為塊狀試樣和輪狀試樣磨損率和摩擦因數(shù)。由圖9（a）可得，4#塊狀試樣比較耐磨，10#塊狀試樣次之，而1#塊狀試樣則易磨損。由圖9（b）可得，輪狀試樣整體磨損量較小，3#和4#輪狀試樣摩擦因數(shù)相對(duì)較大。

圖9 試樣磨損率和摩擦因數(shù)

圖10和11分別為塊狀試樣和輪狀試樣高速摩擦試驗(yàn)前后表面形貌對(duì)比。由圖10和11可見：高速摩擦對(duì)橡膠材料表面形貌影響極大；塊狀試樣的滑動(dòng)摩擦表面產(chǎn)生明顯的劃痕，由于高溫摩擦生熱橡膠表面有明顯灼傷；輪狀試樣的滾動(dòng)摩擦表面粘著部分橡膠且表面產(chǎn)生部分凹坑。

圖10 塊狀試樣摩擦試驗(yàn)前后形貌對(duì)比

圖11 輪狀試樣摩擦試驗(yàn)前后形貌對(duì)比

3.2 橡膠基體材料的應(yīng)力和應(yīng)變

通過分析ABAQUS軟件后處理模塊，可以得知航空輪胎各層橡膠基體材料在加載過程中力學(xué)性能變化趨勢(shì)，主要分析了最大Mises應(yīng)力和最大主對(duì)數(shù)應(yīng)變。航空輪胎基體材料各部位在不同邊界負(fù)荷下的力學(xué)性能變化趨勢(shì)見圖12。由圖12可見，鋼絲圈包膠最大Mises應(yīng)力相對(duì)最大，胎體膠最大主對(duì)數(shù)應(yīng)變相對(duì)最大；整體上呈現(xiàn)負(fù)荷越大輪胎越容易失效的趨勢(shì)。

圖12 航空輪胎基體材料各部位力學(xué)性能變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

飛機(jī)著陸過程是航空輪胎容易發(fā)生失效的階段。本工作以航空輪胎為研究對(duì)象，研究著陸過程中航空輪胎的力學(xué)性能，通過開展高速摩擦試驗(yàn)，揭示胎面材料摩擦規(guī)律。同時(shí)，建立航空輪胎有限元模型，在一定條件下，分析航空輪胎結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。主要結(jié)論如下。

（1）航空輪胎摩擦主要發(fā)生于胎面材料，胎面材料對(duì)摩擦行為影響極大，高速摩擦?xí)沟孟鹉z材料表面產(chǎn)生明顯傷痕。

（2）不同負(fù)荷對(duì)航空輪胎力學(xué)性能影響不同，整體上呈現(xiàn)負(fù)荷越大，越容易失效的趨勢(shì)。易發(fā)生應(yīng)力、應(yīng)變失效的部位有鋼絲圈包膠、胎體膠等。