基于有限元法的飞机前起落架防摆刚度设计

陈 勇， 黄华阳， 张 健

(航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司 技术中心， 四川 成都 610092)

0 引 言

前起落架作为飞机起飞与着陆过程中的关键承力部件，其结构的强度与刚度设计对飞机的使用安全性有着至关重要的影响.研究发现，飞机在起飞或着陆的滑跑过程中，由于受到外界的扰动，可能触发前轮产生一种偏离中立位置的剧烈侧向摆动，导致前机身和前起支柱的晃动，甚至整个飞机的颤抖，这种可能危及飞行安全的现象，称之为摆振[1].根据相关设计规范要求，在设计时应采取措施尽量提高飞机前起落架的扭力臂的扭转刚度和缓冲支柱的刚度，以改善其防摆性能[2-3].研究表明，在进行飞机前起落架结构的防摆设计时，应首先对其结构的侧向与扭转刚度进行分析[4-5].对此，本研究拟采用有限单元法来建立飞机前起落架的防摆刚度分析模型，并对飞机前起落架结构进行防摆刚度设计.

1 前起落架有限元模型建立

1.1 有限元建模与设计流程

本研究应用有限元法建立飞机前起落架结构的防摆刚度模型，其步骤为：首先将CATIA中建立的前起落架三维结构数模导入Hypermesh中划分有限元网格，然后导入到ABAQUS中，进行前起落架结构组件间相互约束关系设置、载荷边界条件设置、求解输出设置等，最后对求解结果进行处理分析，考核其结构刚度是否符合设计研制要求，为后续的摆振试验验证提供参照.飞机前起落架防摆刚度有限元建模与设计流程如图1所示.

图1前起落架防摆刚度建模与设计流程

1.2 前起落架结构及传力路线

本研究分析的飞机前起落架结构如图2所示.

图2前起落架结构示意图

由图2可知，该前起落架主承力结构由前支柱、活塞杆、扭力臂、斜撑杆、套筒组成.活塞杆和前支柱之间通过2个轴承传递载荷，下扭力臂与活塞杆由衬套和螺栓连接，上扭力臂通过套筒连接在前支柱上，载荷传递由轴承、衬套以及连接螺栓完成.

定义起落架载荷坐标系为：取顺航向向前为X轴，垂直地面向上为Y轴，垂直指向右翼尖方向为Z轴.

1.3 网格划分

在Hypermesh中划分结构网格时，首先对影响单元质量的结构细节进行清理和修复，以避免畸形单元的产生，然后通过Hypermesh的自动网格划分功能，对前起落架的主要结构，如前支柱、活塞杆、扭力臂、斜撑杆，采用四面体C3D4单元模拟，轴承和衬套采用C3D8R六面体单元模拟.考虑到连接螺栓仅起载荷传递作用，本研究引入B31梁单元模拟螺栓，通过建立螺栓与相应连接结构的耦合约束来实现载荷的等效传递[6].前起落架的整体有限元模型单元总数为219 396，节点数为78 444，网格模型如图3所示.

图3前起落架网格模型

基于前起落架与机身结构的实际连接方式，在计算时，约束前支柱、斜撑杆与机身结构连接处的三向平动自由度，在活塞杆底端中心处建立参考点施加Z向载荷(计算侧向刚度)，在左右轮心处施加大小相等，方向相反的X向载荷(计算扭转刚度)，有限元计算模型如图4所示，计算载荷及对应的前起落架状态如表1所示.

(a)Z轴侧向载荷约束 (b)Y轴扭转载荷约束

图4 有限元计算模型

2 分析与讨论

2.1 刚度定义

根据文献[7]的定义：在确定的某个传载方向上施加该方向的载荷，计算出结构在所施加载荷作用下载荷施加点处对应的位移值，所施加载荷与该处位移值的比值则为结构在该方向上的刚度值.据此，飞机前起落架的侧向刚度计算公式为，

KZ=FZ/UZ

(1)

式中，KZ为侧向刚度，FZ为侧向载荷，UZ为侧向位移.

飞机前起落架扭转刚度计算公式为，

KY=(FXd2)/(2UX)

(2)

式中，KY为扭转刚度，FX为航向载荷，d为轮间距，UX为航向位移.

2.2 计算结果与分析

在计算过程中，依次调整飞机前起落架前支柱的压缩行程，按表1中对应压缩状态施加载荷并提交计算，取前述载荷坐标系求得前起落架在不同压缩量下的Z轴侧向位移与Y轴扭转航向位移(计算扭转角度)，代入式(1)、式(2)可计算出前起落架结构在不同压缩状态下的侧向刚度与扭转刚度.图5为前支柱压缩量为100 mm时的Z轴侧向位移云图与Y轴扭转位移云图，其余压缩状态与此类似.

将前起落架结构在不同压缩状态下的侧向刚度值与扭转刚度值与对应的前支柱压缩量提取出来，绘制成图6所示曲线.根据设计要求，飞机前起落架结构侧向刚度与扭转刚度均应与所使用的轮胎刚度相匹配，并保证减摆器的阻尼系数始终保持在摆振稳定区.对于本研究的飞机前起落架结构，侧向刚度应不小于1×103N/mm，扭转刚度不小于2.2×108N·mm/rad.由此可知，飞机前起落架结构的防摆刚度满足设计使用要求.

图5位移云图

(a)侧向刚度随压缩量变化曲线

(b)扭转刚度随压缩量变化曲线

图6压缩量变化曲线

由图6可知，飞机前起落架结构的防摆刚度在设计使用范围内，随前支柱的压缩行程单调增大.此表明，飞机在起飞与着陆的情况下，承受的垂向(冲击)载荷越大，前起落架结构的防摆刚度稳定性越好.同时，本研究通过多项式拟合发现，侧向刚度与前支柱压缩行程近似呈二次抛物线关系，扭转刚度与前支柱压缩行程近似呈线性关系.

3 结 论

本研究采用有限元法，对飞机前起落架结构的防摆刚度设计进行了计算与分析.结果表明，本研究设计的飞机前起落架结构防摆刚度满足设计要求，获得的起落架结构防摆刚度与压缩行程之间的近似数值关系，可为下一步的前起落架的摆振验证试验提供相关的参考数据.