基于有限元法仿真的直升机不同降落方式对机轮轴的影响分析

李 兵 魏 敏 朱英杰 张东波

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2.69008部队，新疆 五家渠 831300）

0 引言

直升机作为一种低空飞行器，广泛应用于各个领域，在日常使用中，由于其频繁起降，飞行驾驶员的操控方式及起落架与地面的刚性接触碰撞，易造成起落架损坏，给直升机的使用带来安全隐患。而起落架的轮轴作为关键连接部件，相对来说，更易出现损坏。轮轴在保障起落架正常性能方面占有举足轻重的作用［1］。

本文针对某型起落架机轮系统的轮轴，使用大型商用ANSYS有限元通用软件，并通过对轮轴建立简化的三维几何模型，计算剖析了轮轴在前飞降落和垂直降落这2种最常见的降落工作方式下的应力应变分布情况。对于前飞降落，考察了轮胎与地面在3个摩擦因数以及机轮系统刹车时对轮轴的影响，进行仿真分析。对于垂直降落，则考虑3个不等的动载系数因子对轮轴的加载情况。最后依据应力与应变的分析计算结果，在2种常见工况下，得出了更具合理操控直升机降落的方式。

1 机轮系统轮轴的简化及受力情况分析

该型起落架由缓冲支柱、液压收放作动筒、机轮轴、机轮与刹车系统等组成。轮轴与缓冲支柱的下端相连接，当机轮接触地面时，所承受的撞击力通过轮轴传递给起落架的缓冲支柱。由缓冲支柱油气装置减震及吸收大部分的撞击能量，以此减少撞击力［2］。轮轴的材料为合金钢（SS），该材料具有良好的综合力学机械性能，其材料物理性能参数如下［3］：弹性模量21000MPa，泊松比0.28，质量密度7700kg/m3。机轮系统轮轴的受力情况由直升机所处的工作状况来确定，通常有以下几种情况：起飞状态、飞行状态、降落着陆状态以及停机于地面等。在起飞和飞行这2种工况中，起落架受力不大或者没有受力，对轮轴没有重要的影响，而停机状态下轮轴属于静力支撑［4］，对此种状况进行考察意义不大。着陆状态下轮轴在这个过程中所承受的载荷复杂多变，对轮轴的使用寿命有极大的关系。因此，本文着重分析轮轴在直升机降落着陆工况下的受力情况。受力情况简图如图1所示。

图1 起落架降落受力示意图

轮轴在垂直降落着陆时受力分析：当起落架垂直降落着陆时，轮轴受到来自地面的冲击载荷，该型号直升机与停机坪停机时每个起落架所承受的重量大约为1500kg，而冲击载荷系数由起落架的垂直降落速度来决定，可得知常规垂直速度着陆时，重心点取载荷系数为2.5，但最大不会超过4.0，根据起落架实际工作情况，拟取动载荷系数为 1.6、2.6、3.6来进行探讨分析［5］。

轮轴在带前飞速度降落过程中的受力分析：在这种情况中，前飞降落时由于机轮受到来自地面上的水平摩擦力，由力平移原则可知，与垂直降落相比，轮轴受到水平切向扭矩与竖直方向上绕缓冲支柱上支点弯力矩，那么摩擦力的大小与机轮和刚性地面的摩擦系数大小以及垂直于地面方向上的冲击载荷大小有关。机轮橡胶轮胎变形程度不同，摩擦系数取值就不同。本文在取载荷系数为3.6时，摩擦系数分别取0.55、0.6、0.65三个值来研究［5］。

2 机轮系统轮轴的有限元计算分析

本文对轮轴建立有限元模型时，进行了适当的简化。采用ANSYS大型有限元软件来进行分析，选用单元体为solid187进行网格划分，划分后节点数25261个，单元数为16904。

2.1 轮轴在垂直降落时的有限元分析

在起落架垂直降落时，当双腔油气缓冲支柱达到最大极限时，轮轴受力最大，故考察这个极限瞬间载荷情况，基于此来估算轮轴在该瞬间应力下的疲劳寿命比较有实际意义。对轮轴模型添加约束时，鉴于轮轴在轴向上没有位移，可以约束该方向的位移。采用上文取的3个动载荷系数来加载载荷。

根据对机轮轴垂直降落的有限元分析结果，可得知Y方向上应力最大，最大值在轮毂与缓冲支柱内杆下端连接部位之间出现，充分说明弯力矩与动载荷对机轮轴的应力分布有较大的影响，同时通过对比，不同载荷系数下最大应力出现递增趋势，具体表现为每增加1.0，应力最大值扩增约600kPa，因此动载荷系数对轮轴的应力分布有极其重要的影响。如表1所示。

表1 垂直降落时轮轴在不同载荷系数下的应力应变值

2.2 直升机前飞降落时机轮轴的有限元分析

起落架系统在直升机带前飞速度降落时，因为受到地面给机轮施加摩擦力，机轮轴的受力情况就变得较为复杂。本文通过计算载荷数为3.6时，根据上文取到的3个不同地面情况下的摩擦因子值来考查机轮轴的应变应力情况，有限元分析时，所取约束与垂直降落相同。

通过比较各个方向上的应力最大值，可知Y向为最大应力值。从应力等值图中可以发现，应力最大值在机轮侧靠近轴肩处，说明动载荷与摩擦力产生的力矩对轮轴影响很大。在载荷系数为3.6时，摩擦系数每增加0.05，总应力最大值增加大约100kPa，如表2所示。

表2 起落架带前飞速度降落时轮轴在不同摩擦系数下的应力应变值

通过各个方向上的位移图对比发现，可知Y方向上的位移图与总位移图相似度较大，说明轮轴的位移主要发生在Y方向上，也就是说，起落架在前飞降落中由摩擦力产生的力矩对轮轴变形有较大影响，说明轮轴在直升机前飞降落中容易损坏。

3 结论

通过对两种降落方式进行仿真分析，可得出以下结论：（1）垂直降落时，随着动载荷系数的增加，机轮轴所承受的应力呈近似线性变化，其应变在可以接受的安全裕度内，在其实际使用环境工况下，机轮轴可以接受更为苛刻的工作条件，直至达到其屈服极限产生塑性变形，而导致失效。（2）前飞降落时，由于不可忽视水平方向上的摩擦力与前飞动量对机轮轴的冲击影响，机轮轴表现出强烈的加载响应，应力与应变呈现不规律变化，出现大幅度攀升波动变化，甚至与垂直降落相差达7倍之多。由此可知，前飞降落时，动载系数越大而且降落场地越恶劣，对直升机起落架机轮轴的直接损坏有极其重要的影响。同时在有限元分析时，轮轴的受力情况简化为集中力，但在实际情况中并不是这样，这种集中力简化方式可能对分析结果带来一定的误差，在分析中，同时对某一点较大集中力均布到多个点，使有限元模型更加与实际受力情况贴近。通过对照之前的载荷加载方法，不同方向上的应力等值曲线分布基本没有什么变化，表明载荷施加的效果相同，只是应力最大值变小，充分说明改变后的加载方法较为合理。

［1］罗漳平，向锦武.直升机起落架抗坠毁性能的有限元仿真评估［J］.航空学报，2003，24（3）：216～219

［2］章剑，董泽峰，廖良全，等.直升机起落架转向与对中机构耐久性试验装置的研制及应用［J］.直升机技术，2012（6）：62～65

［3］闻邦椿.机械设计手册［M］.第5版.机械工业出版社，2010

［4］姜年朝，刘国富，戴勇，等.基于ANSYS的滑橇式起落架动态设计方法研究［J］.现代机械，2008（1）：45～46

［5］王昂，毛德华.飞机设计手册［M］.航空工业出版社，2005