飛機(jī)起落架支撐桿穩(wěn)定性及強(qiáng)度分析

摘 要：【目的】飛機(jī)起落架是飛機(jī)非常重要的組成部分之一，由于起落架支撐桿強(qiáng)度盈余量較大，可考慮對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)研究以達(dá)到減重目的?！痉椒ā渴褂肁BAQUS軟件對(duì)圓筒結(jié)構(gòu)的飛機(jī)起落架支撐桿進(jìn)行線性屈曲分析和靜強(qiáng)度分析，根據(jù)結(jié)果云圖可知材料強(qiáng)度盈余量較大，從充分發(fā)揮材料的性能和降低起落架整體重量考慮，使用三種方式對(duì)支撐桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)?！窘Y(jié)果】根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，腹板填充式支撐桿結(jié)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)起落架支撐桿減重設(shè)計(jì)，波紋填充式支撐桿結(jié)構(gòu)以及蜂窩填充式結(jié)構(gòu)在減少起落架支撐桿重量的基礎(chǔ)上仍具有較好的力學(xué)性能。【結(jié)論】波紋填充式支撐桿結(jié)構(gòu)和鋁蜂窩填充式結(jié)構(gòu)在滿足支撐桿穩(wěn)定性條件和強(qiáng)度條件的基礎(chǔ)上可以達(dá)到減重目的，也為后續(xù)起落架輕量化設(shè)計(jì)等相關(guān)研究及工程應(yīng)用提供一定的思路。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)起落架支撐桿；ABAQUS；靜強(qiáng)度分析；線性屈曲分析；輕量化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V226" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）10-0044-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.009

Stability and Strength Analysis of Aircraft Landing Gear Support Rods

LI Shuaiwei

（School of Aeronautics and Astronautics， Shenyang Aerospace University， Shenyang 110000， China）

Abstract： [Purposes] The landing gear of an aircraft is one of the most important components. Due to the large strength surplus of the landing gear support rods， it is necessary to conduct relevant research on its structure to achieve weight reduction.[Methods] This article uses ABAQUS software to perform linear buckling analysis and static strength analysis on the cylindrical structure of aircraft landing gear support rods. According to the result cloud map， it can be seen that the material strength surplus is large. Considering fully utilizing the material's performance and reducing the overall weight of the landing gear， three methods are used to improve the structure of the support rods. [Findings] According to the simulation analysis results， it can be seen that the belly plate filled support rod structure cannot achieve weight reduction design for landing gear support rods. The corrugated filled support rod structure and honeycomb filled structure still have good mechanical properties on the basis of reducing the weight of landing gear support rods. [Conclusions] The corrugated filled support rod structure and honeycomb filled structure can achieve weight reduction on the basis of meeting the stability and strength conditions of the support rod， and provide certain ideas for subsequent research and engineering applications such as lightweight design of landing gear.

Keywords：aircraft landing gear strut; ABAQUS; static strength analysis; linear buckling analysis; lightweight design

0 引言

起落架是飛機(jī)的五大組成部分之一，也是飛機(jī)起飛和降落的關(guān)鍵受力部件。在飛機(jī)起飛向前滑跑的過(guò)程中，起落架承載了飛機(jī)的全部重量，而在飛機(jī)降落接觸地面的瞬間，起落架不僅要承載飛機(jī)的重量，還要吸收地面?zhèn)鱽?lái)的沖擊載荷。而起落架的撐桿是連接起落架和機(jī)身的關(guān)鍵承力部件，其主要承受軸向載荷［1］。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)起落架的強(qiáng)度進(jìn)行了深入研究。王小鋒等［2］采用MATLAB軟件對(duì)起落架支撐桿截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析，在給定起落架撐桿截面面積的條件下，得到穩(wěn)定性最好的支撐桿截面尺寸。錢麗麗［3］對(duì)起落架支撐桿強(qiáng)度進(jìn)行分析，為飛機(jī)起落架支撐桿的強(qiáng)度、損傷預(yù)測(cè)及維護(hù)提供了有效的指導(dǎo)。尚永鋒等［4］對(duì)起落架扭力臂進(jìn)行了靜力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得出扭力臂夾角變化對(duì)受力情況的大致影響規(guī)律。姚光生［5］利用Ansys Workbench軟件對(duì)起落架撐桿進(jìn)行了強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而達(dá)到起落架減重的目的。趙通來(lái)等［6］提出一種借用起落架桿系線框模型、基于ABAQUS Beam模型的起落架接頭載荷快速計(jì)算方法，提高了起落架的設(shè)計(jì)效率，縮短了設(shè)計(jì)周期。朱賀等［7］利用Ansys Workbench軟件對(duì)B737飛機(jī)主起落架側(cè)撐桿進(jìn)行有限元分析，得出B737飛機(jī)主起落架側(cè)撐桿結(jié)構(gòu)在降落時(shí)的極限工況下能保證結(jié)構(gòu)的安全性。馬利娜［8］針對(duì)前起落架鎖撐桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用試驗(yàn)方法獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)鎖撐桿結(jié)構(gòu)的承載特性進(jìn)行研究，為前起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。Wu等［9］建立了以疲勞壽命和應(yīng)力為約束的起落架優(yōu)化模型，減輕了起落架重量，并拓展了疲勞壽命約束優(yōu)化方法在復(fù)雜機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)果表明，基于疲勞壽命約束的優(yōu)化方法在實(shí)際工程中具有較好的適用性和應(yīng)用價(jià)值。 Liu等［10］采用四自由度雙質(zhì)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以優(yōu)化的方式進(jìn)行了起落架跌落測(cè)試。結(jié)果表明，垂直荷載和較少研究的縱向荷載以及輪軸和地面接觸荷載均與分析結(jié)果吻合較好。 Mikhailov等［11］提出了一種輕型飛機(jī)起落架支柱設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬方法，考慮起落架的伸縮性和壓縮性問(wèn)題，以及起落過(guò)程中的強(qiáng)度問(wèn)題，分析了拓?fù)鋬?yōu)化方法在確定最優(yōu)起落架支撐形狀中的應(yīng)用。 Wong等［12］將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)起落架組件，實(shí)現(xiàn)了整體重量減輕36% 、峰值應(yīng)力增加6%和估計(jì)60%的成本節(jié)約。Li等［13］利用ANSYS Workbench的形狀優(yōu)化模塊對(duì)力矩臂進(jìn)行力分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能夠滿足實(shí)際要求，且扭矩臂的減重幅度高達(dá)16.7%。馮廣等［14］采用改變緩沖器初始?xì)怏w壓力的方式，分析緩沖器行程對(duì)系統(tǒng)剛度的影響規(guī)律，研究系統(tǒng)剛度對(duì)支柱式前起落架擺振的初始扭轉(zhuǎn)角、收斂時(shí)間、收斂比例和穩(wěn)定區(qū)域的影響。李文博等［15］對(duì)飛機(jī)主起落架支柱結(jié)構(gòu)中主承力零件進(jìn)行靜強(qiáng)度校核，分別獲取了各主承力零件所受的外載，結(jié)果均滿足靜強(qiáng)度要求。王盼等［16］針對(duì)一種特定輕型無(wú)人機(jī)進(jìn)行起落架的設(shè)計(jì)和分析，提出一種輕型無(wú)人機(jī)起落架結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。孫雪東等［17］基于Solidworks建立飛機(jī)扭力臂的有限元模型，在滿足強(qiáng)度和剛度要求下，根據(jù)實(shí)際工程要求對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的模型相較于原先模型減重39.80％。南波等［18］通過(guò)有限元法，對(duì)CFRP短管和長(zhǎng)管的受力性能進(jìn)行了分析，得出CFRP短管和細(xì)長(zhǎng)管極限承載力公式與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。王海嬌等［19］使用有限元模擬法探討蜂窩鋁輕質(zhì)夾芯結(jié)構(gòu)的面外壓縮性能，得出孔壁厚度越厚，其抗壓能力越好。本研究通過(guò)ABAQUS仿真軟件分別對(duì)腹板填充式起落架支撐桿、波紋填充式起落架支撐桿以及鋁蜂窩填充式起落架支撐桿進(jìn)行線性屈曲分析和靜強(qiáng)度分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行橫向和縱向?qū)Ρ?，在滿足支撐桿穩(wěn)定性和強(qiáng)度條件的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行減重設(shè)計(jì)。

1 飛機(jī)起落架支撐桿受力分析

飛機(jī)起落架主要受到地面作用于輪胎的集中力，集中力通過(guò)支柱傳遞給支撐桿，對(duì)飛機(jī)起落架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得到一個(gè)雙搖桿結(jié)構(gòu)，如圖1所示。此結(jié)構(gòu)主要利用構(gòu)造死點(diǎn)的方式來(lái)承受地面帶來(lái)的較大沖擊載荷，因此，起落架支撐桿可等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的二力構(gòu)件，在飛機(jī)降落時(shí)僅受到一對(duì)沿軸線方向的作用力。本研究為了簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮受到的約束反力作用，忽略當(dāng)飛機(jī)在地面或者在飛行過(guò)程中氣流對(duì)起落架支撐桿產(chǎn)生的側(cè)向風(fēng)荷載。

2 起落架支撐桿屈曲分析和強(qiáng)度分析

2.1 支撐桿三維模型

為了保證計(jì)算結(jié)果的真實(shí)可靠性，本研究采用的起落架支撐桿三維模型直接在ABAQUS仿真軟件內(nèi)部完成建模。起落架支撐桿初始三維模型如圖2所示，初始尺寸大小分別為外徑D=80 mm、內(nèi)徑d=64 mm、長(zhǎng)度L=600 mm，由此可得支撐桿體積為1 085 734 mm3。

2.2 有限元模型建立

起落架支撐桿采用7050鋁合金，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

該模擬先對(duì)起落架支撐桿一端形心位置處施加1 N的集中載荷，另一端固定約束進(jìn)行線性屈曲分析，位移如圖3所示。再對(duì)其一端形心位置施加500 kN的集中載荷，另一端固定約束進(jìn)行靜力學(xué)分析，應(yīng)力分布如圖4所示。

由圖3、圖4可知，起落架支撐桿屈曲時(shí)的臨界載荷約為572 kN，在500 kN的集中載荷作用下最大應(yīng)力僅為293.5 MPa，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于7050鋁合金的屈服強(qiáng)度。綜合分析得出，飛機(jī)起落架支撐桿材料強(qiáng)度及穩(wěn)定性盈余量較大，安全裕度較大。從充分發(fā)揮材料的性能和降低起落架整體重量考慮，對(duì)支撐桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，若改進(jìn)后支撐桿重量降低，并且在同樣的工作載荷下，能夠滿足穩(wěn)定性及強(qiáng)度要求，說(shuō)明此次改進(jìn)方案可行。

3 三種起落架支撐桿結(jié)構(gòu)分析

本研究使用ABAQUS軟件分別建立腹板填充式起落架支撐桿、波紋填充式起落架支撐桿及蜂窩填充式起落架支撐桿的有限元模型，其截面形狀如圖5至圖7所示，載荷與邊界條件同上一節(jié)所述。

本研究對(duì)上述三種起落架支撐桿結(jié)構(gòu)的支撐桿截面厚度、填充物芯板壁厚及支撐桿面板壁厚等3個(gè)基本參數(shù)進(jìn)行逐一改變，設(shè)置3組不同數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，分別進(jìn)行橫向與縱向?qū)Ρ?，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)起落架支撐桿穩(wěn)定性及強(qiáng)度的影響。

3.1 支撐桿截面厚度對(duì)其力學(xué)性能的影響

首先從支撐桿初始截面厚度8 mm開(kāi)始，三種填充物芯板壁厚均為1 mm，支撐桿面板壁厚均為2 mm。在不改變起落架支撐桿外徑的情況下逐步增加其截面厚度，每次增加量為2 mm，增加截面厚度至20 mm，對(duì)總計(jì)21個(gè)模型分別進(jìn)行線性屈曲分析及靜強(qiáng)度分析，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3，分析結(jié)果如圖8、圖9所示，通過(guò)Abaqus軟件計(jì)算各模型體積，見(jiàn)表4。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可知，腹板填充式起落架支撐桿隨截面厚度的增加，其屈曲臨界載荷明顯降低，而最大應(yīng)力有明顯升高；波紋填充式起落架撐桿隨截面厚度的增加，其屈曲臨界載荷略微降低，最大應(yīng)力明顯降低。這兩種改進(jìn)方案中支撐桿屈曲時(shí)的臨界載荷均達(dá)不到500 kN，故穩(wěn)定性均達(dá)不到要求。并且隨著截面厚度的增加，這兩種支撐桿的穩(wěn)定性降低。

鋁蜂窩填充式起落架撐桿在截面厚度為8 mm時(shí)，其屈曲臨界載荷已經(jīng)達(dá)到535 kN，最大應(yīng)力為396 MPa，小于材料屈服強(qiáng)度。此時(shí)起落架支撐桿體積為1 007 842 mm3，與初始空心圓筒結(jié)構(gòu)相比，可減重約7.2%。隨著支撐桿截面厚度的增加，其屈曲臨界載荷明顯增加，最大應(yīng)力明顯降低，但支撐桿體積也逐漸增加，在截面厚度為10 mm時(shí)已經(jīng)不能達(dá)到減重目的。

3.2 芯板壁厚對(duì)起落架支撐桿力學(xué)性能的影響

從初始起落架支撐桿截面厚度8 mm開(kāi)始，三種填充物芯板壁厚增加為2 mm，面板壁厚均為2 mm。在不改變起落架撐桿外徑的情況下逐步增加起落架支撐桿的截面厚度，每次增加量為2 mm，增加至20 mm，分析結(jié)果如圖10至11所示。

由圖10、圖11可知，隨著芯板壁厚度的增加，3種結(jié)構(gòu)起落架支撐桿屈曲時(shí)的臨界載荷均明顯增加，增大芯板厚度可以增加支撐桿的穩(wěn)定性。

波紋填充式起落架撐桿在截面厚度為8 mm、芯板壁厚和面板壁厚均為2 mm時(shí)屈曲臨界載荷為533 kN，最大應(yīng)力為331 MPa，滿足強(qiáng)度和剛度要求。此時(shí)起落架撐桿體積為1 006 596 mm3，與初始空心圓筒結(jié)構(gòu)相比可減重約7.3%。但對(duì)于波紋填充式起落架撐桿和鋁蜂窩填充式起落架撐桿，隨著芯板厚度的增加其體積也增加，其結(jié)構(gòu)雖然能滿足強(qiáng)度和剛度要求，但是不能達(dá)到減重目的。

3.3 面板壁厚對(duì)起落架支撐桿力學(xué)性能的影響

從初始起落架支撐桿截面厚度8 mm開(kāi)始，三種填充物芯板壁厚均為1mm，面板壁厚減少為1 mm。在不改變起落架支撐桿外徑的情況下逐步增加起落架支撐桿的截面厚度，每次增加量為2 mm，增加截面厚度至20 mm，分析結(jié)果如圖12、圖13所示。

由圖12、圖13可知，將面板壁厚減少為1 mm后，腹板填充式、波紋填充式及鋁蜂窩填充式起落架撐桿屈曲時(shí)的臨界載荷均大幅度降低，在靜載荷下的最大應(yīng)力明顯升高。可見(jiàn)面板厚度對(duì)起落架支撐桿的穩(wěn)定性和靜強(qiáng)度有較大影響，增加面板厚度可以有效提升起落架支撐桿的穩(wěn)定性及靜強(qiáng)度，尤其對(duì)腹板填充式支撐桿的靜強(qiáng)度影響最大。芯板壁厚和面板壁厚均為1 mm時(shí)，僅有截面寬度為20 mm的鋁蜂窩填充式起落架撐桿能同時(shí)滿足強(qiáng)度和剛度要求，但其體積為1 216 522 mm3，不能達(dá)到減重目的。

4 結(jié)論

本研究首先對(duì)飛機(jī)起落架支撐桿進(jìn)行受力分析，并將其模型簡(jiǎn)化。然后使用ABAQUS軟件對(duì)圓筒形起落架支撐桿進(jìn)行仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果可知，材料強(qiáng)度值盈余量較大，安全裕度較大，從充分發(fā)揮材料性能和降低起落架整體重量考慮，通過(guò)三種方式對(duì)支撐桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，腹板填充式結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性上自始至終達(dá)不到要求，故該結(jié)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)起落架撐桿的減重設(shè)計(jì)。當(dāng)支撐桿截面厚度為8 mm、芯板厚度和面板厚度均為2 mm時(shí)，波紋填充式起落架撐桿屈曲時(shí)的臨界載荷超過(guò)500 kN，靜載荷下的最大應(yīng)力小于7050鋁合金的屈服強(qiáng)度，在滿足支撐桿穩(wěn)定性和強(qiáng)度條件的基礎(chǔ)上，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)起落架支撐桿減重約7.3%。蜂窩填充式支撐桿的力學(xué)性能最優(yōu)，但在同等條件下重量也最大，在支撐桿截面厚度為8 mm、芯板厚度為1 mm和面板厚度為2 mm時(shí)，其屈曲時(shí)的臨界載荷已達(dá)到535 MPa，最大應(yīng)力不足400 MPa，可以滿足支撐桿的穩(wěn)定性和強(qiáng)度條件，并實(shí)現(xiàn)起落架支撐桿減重約7.2%。研究成果可為后續(xù)起落架輕量化設(shè)計(jì)等相關(guān)研究及工程應(yīng)用提供一定的思路。

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（欄目編輯：孫艷梅）