板簧式起落架滿(mǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì)方法研究*

王 力,謝 輝,張 琳

(西安愛(ài)生技術(shù)集團(tuán)公司,陜西西安 710065)

板簧式起落架滿(mǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì)方法研究*

王 力,謝 輝,張 琳

(西安愛(ài)生技術(shù)集團(tuán)公司,陜西西安 710065)

運(yùn)用工程梁理論將板簧式起落架看做一個(gè)外伸梁,通過(guò)滿(mǎn)應(yīng)力反向迭代設(shè)計(jì)來(lái)確定緩沖器的厚度分布。設(shè)計(jì)所得的緩沖器在最大受載狀態(tài)等價(jià)為等強(qiáng)度梁,從而使起落架設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)用最小重量代價(jià)滿(mǎn)足緩沖吸能的設(shè)計(jì)目標(biāo)。對(duì)于一個(gè)給定的設(shè)計(jì)實(shí)例,采用MSC.Dytran進(jìn)行落震仿真計(jì)算,并將設(shè)計(jì)結(jié)果與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比證明設(shè)計(jì)方法有效,滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求。

板簧式起落架;等強(qiáng)度梁;滿(mǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì);落震仿真

0 引 言

起落架的主要功用是吸收飛機(jī)著陸和滑行期間的動(dòng)能;起落架緩沖器有兩種基本類(lèi)型:固體彈簧緩沖器和流體彈簧緩沖器,固體彈簧緩沖器包括橡皮塊式、板簧式、螺旋彈簧式等幾種類(lèi)型。對(duì)中小型無(wú)人機(jī),板簧式起落架是一種理想的結(jié)構(gòu)形式,因?yàn)榘寤墒狡鹇浼芸稍O(shè)計(jì)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉。正是因?yàn)橛羞@些優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)有多個(gè)型號(hào)的無(wú)人機(jī)應(yīng)用了板簧式起落架,如國(guó)內(nèi)的ASN-216、ASN-218、彩虹3;以色列的赫爾墨斯450、航空星;美國(guó)的影子200、獵人等。

板簧起落架的設(shè)計(jì)分析是一個(gè)反復(fù)迭代的設(shè)計(jì)過(guò)程,為滿(mǎn)足預(yù)期的著陸過(guò)載,其變形往往不是太大就是太小。設(shè)計(jì)中,必須反復(fù)調(diào)整板簧的尺寸,一直到變形和強(qiáng)度都滿(mǎn)意為止。設(shè)計(jì)中一般采用近似分析計(jì)算方法求解[1]。近些年,國(guó)內(nèi)外對(duì)板簧式起落架的設(shè)計(jì)研究也有了一些新的進(jìn)展[2-8],但還是停留在以經(jīng)驗(yàn)確定參數(shù),用有限元或?qū)嶒?yàn)加以驗(yàn)證的試算階段。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上,另辟新徑,運(yùn)用工程梁理論[9]將板簧式起落架看做一個(gè)外伸梁,通過(guò)滿(mǎn)應(yīng)力反向迭代設(shè)計(jì)來(lái)確定緩沖器的厚度分布。設(shè)計(jì)所得的緩沖器在最大受載狀態(tài)等價(jià)為等強(qiáng)度梁,從而使起落架設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)用最小重量代價(jià)滿(mǎn)足緩沖吸能的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 基本理論

1.1 梁的彎曲應(yīng)力

梁在彎曲時(shí)橫截面上有剪力和彎矩兩種內(nèi)力。剪力使截面上產(chǎn)生剪應(yīng)力,彎矩使截面上產(chǎn)生正應(yīng)力。梁橫截面上的最大正應(yīng)力發(fā)生在離中心軸最遠(yuǎn)處,最大正應(yīng)力為:

1.2 梁的彎曲變形

懸臂梁在彎矩和剪力作用下的變形,如圖1。

轉(zhuǎn)角和撓度計(jì)算公式如下:

圖1 懸臂梁的彎曲變形

1.3 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)

空間直角坐標(biāo)系如果其原點(diǎn)不動(dòng),繞著某一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)而構(gòu)成的新的坐標(biāo)系,這個(gè)過(guò)程就叫做坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)。設(shè)直角坐標(biāo)系XYZ,繞某坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)θ后的新坐標(biāo)系X′Y′Z′。

1.4 等強(qiáng)度梁

為了使梁各個(gè)截面的最大正應(yīng)力相同,并均達(dá)到材料的許用應(yīng)力,則應(yīng)隨著彎矩的大小變化相應(yīng)地改變梁的截面尺寸,這種變截面梁稱(chēng)為等強(qiáng)度梁。

2 板簧的滿(mǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì)

2.1 物理模型

典型的板簧式起落架的基本構(gòu)型如圖2所示。主要組成包括:緩沖器、機(jī)輪、輪胎、剎車(chē)系統(tǒng)、安裝接頭等。

緩沖器是所有起落架必備的部件,是起落架的主要吸能部件,用以吸收飛機(jī)起飛和滑跑過(guò)程中的動(dòng)能。安裝接頭用來(lái)將起落架安裝在飛機(jī)機(jī)身上,為了充分發(fā)揮緩沖器的吸能作用,安裝接頭一般設(shè)計(jì)成鉸接連接形式。機(jī)輪、輪胎、剎車(chē)組合作為起落架中的旋轉(zhuǎn)部件,使飛機(jī)具備滑跑、減速,停機(jī)保持,輔助轉(zhuǎn)向等功能。

安裝了板簧式起落架的無(wú)人機(jī)著陸時(shí),由于板簧式緩沖器不具備耗能作用,著陸動(dòng)能主要依靠輪胎與地面的摩擦進(jìn)行能量耗散。緩沖器本身會(huì)產(chǎn)生多個(gè)周期的壓縮與回彈,但最大壓縮發(fā)生在首次著陸壓縮,最嚴(yán)重的著陸過(guò)載也在此時(shí)產(chǎn)生。緩沖器的設(shè)計(jì)應(yīng)保證結(jié)構(gòu)能承受最大著陸過(guò)載狀態(tài)的彎曲變形。

圖2 板簧式起落架基本構(gòu)成

2.2 設(shè)計(jì)方法

起落架受最大著陸過(guò)載時(shí)為緩沖器受力最嚴(yán)重工況。將此狀態(tài)作為板簧緩沖器的設(shè)計(jì)輸入,按等強(qiáng)度梁理論設(shè)計(jì)緩沖器。此時(shí),緩沖器為最大壓縮變形狀態(tài)。對(duì)于板簧緩沖器,受載后,輪胎在垂直方向和翼展方向均會(huì)產(chǎn)生位移,在設(shè)計(jì)之初無(wú)法直接得到最大過(guò)載時(shí)的輪胎位移量,載荷也就無(wú)從計(jì)算,筆者采用迭代算法,以吸收功是否等價(jià)落震能量為判據(jù),逐步逼近正確值。程序流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 程序流程圖

程序中通過(guò)3層內(nèi)嵌循環(huán)計(jì)算來(lái)最終確定緩沖器的厚度分布。所得到的緩沖器在著陸過(guò)載下近似為等強(qiáng)度梁。緩沖器滿(mǎn)足落震緩沖吸能要求。

等號(hào)左側(cè)為緩沖器吸收功,右側(cè)為無(wú)人機(jī)落震能量,包括動(dòng)能項(xiàng)和位能項(xiàng)。其中,N表示起落架過(guò)載, n表示緩沖器效率,S表示壓縮行程,L表示升力。

不同的設(shè)計(jì)規(guī)范中,對(duì) L有不同的規(guī)定,如CCAR25中規(guī)定對(duì)于運(yùn)輸機(jī)L=1.0 G。

程序中,按圖4所示方法計(jì)算緩沖器上任意離散點(diǎn)處的彎矩和剪力。

設(shè)計(jì)過(guò)程中,進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化假設(shè):①忽略緩沖器壓縮變形過(guò)程中的輪胎變形,將輪胎簡(jiǎn)化為剛性體;②著陸過(guò)程中隨著緩沖器的壓縮,輪胎向前滾動(dòng)并向兩側(cè)滑移,設(shè)計(jì)中忽略輪胎與地面的摩擦吸能,認(rèn)為全部動(dòng)能由板簧緩沖器吸收;③將起落架在機(jī)身上的安裝接頭簡(jiǎn)化為理想的鉸接連接。

經(jīng)過(guò)以上簡(jiǎn)化,緩沖器受力及邊界條件簡(jiǎn)單明確,易于程序處理。計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足板簧緩沖器工程設(shè)計(jì)的精度要求。

圖4 剪力彎矩計(jì)算示意

3 算例分析

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)例

對(duì)某型無(wú)人機(jī)板簧起落架進(jìn)行滿(mǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì)來(lái)確定厚度分布,主要的輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1。

表1 主要設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

圖5給出起落架在自然狀態(tài)、停機(jī)狀態(tài)和3 m/s下沉速度下的著陸沖擊狀態(tài)下的形狀曲線(xiàn)。著陸沖擊狀態(tài)下板簧緩沖器等價(jià)為等強(qiáng)度梁,所有截面的最大正應(yīng)力為400 MPa。下一節(jié)的有限元計(jì)算即對(duì)著陸沖擊狀態(tài)的應(yīng)力分布及起落架變形進(jìn)行校核。

圖6為設(shè)計(jì)所得緩沖器的載荷行程曲線(xiàn),垂直方向最大壓縮量140,對(duì)應(yīng)最大起落架過(guò)載N=6.07,起落架效率n=59.5%。

圖5 板簧起落架計(jì)算結(jié)果

圖6 緩沖器載荷行程曲線(xiàn)

3.2 有限元驗(yàn)證

采用MSC.Dytran有限元程序來(lái)校核設(shè)計(jì)方法的有效性。MSC.Dytran是一種用于分析結(jié)構(gòu)及流體材料的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)行為的有限元程序。該軟件程序采用顯示積分法,能夠模擬各種材料及幾何非線(xiàn)性,特別適合于分析包含大變形、高度非線(xiàn)性和復(fù)雜的動(dòng)態(tài)邊界條件的短暫的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

根據(jù)程序設(shè)計(jì)結(jié)果建立板簧起落架三維模型,并劃分有限元網(wǎng)格,結(jié)果如圖7所示。

圖7 板簧起落架有限元網(wǎng)格劃分

按照設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化,將輪胎和地面均設(shè)置為剛體單元,為模擬輪胎與地面的相互作用,在有限元模型中定義了輪胎和地面之間的任意接觸(CONTACT)。用MPC將集中質(zhì)量(代表飛機(jī)重量)連接在接頭處,給接頭施加鉸接約束。

3.3 結(jié)果對(duì)比

最大壓縮時(shí)起落架變形如圖8所示。與本文程序計(jì)算結(jié)果(圖5)吻合很好。圖9給出厚度方向應(yīng)力梯度變化,符合等強(qiáng)度梁應(yīng)力分布規(guī)律。

圖8 最大壓縮狀態(tài)下的變形及應(yīng)力分布

圖9 厚度方向應(yīng)力梯度

集中質(zhì)量點(diǎn)處的位移和速度曲線(xiàn)如圖10。由圖可見(jiàn)緩沖器最大壓縮發(fā)生在t=0.071 s時(shí)刻。最大壓縮行程140 mm與設(shè)計(jì)計(jì)算值相符。緩沖器寬度方向中心線(xiàn)和邊緣線(xiàn)上采樣點(diǎn)的應(yīng)力分布如圖11。

圖10 集中質(zhì)量點(diǎn)處的位移和速度變化曲線(xiàn)

圖11 緩沖器表面應(yīng)力分布

4 結(jié) 論

通過(guò)本文的滿(mǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)所得到的板簧起落架是一種近似的等強(qiáng)度梁。由于最大限度的利用了材料的承載能力,因此設(shè)計(jì)的起落架具備效率高、重量輕、著陸過(guò)載小、空間尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。與有限元結(jié)果對(duì)比,變形協(xié)調(diào)一致,板簧表面應(yīng)力值最大偏差15%,滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)精度需要。

當(dāng)前本文設(shè)計(jì)方法對(duì)緩沖器結(jié)構(gòu)選材僅限于各向同性材料,如鋁合金、合金鋼等常規(guī)材料。對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的運(yùn)用只能采用等代替換的方式實(shí)現(xiàn),不能充分發(fā)揮復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比模量高、抗疲勞性好、耐腐蝕性?xún)?yōu)等優(yōu)點(diǎn),在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用越來(lái)越廣[10]。對(duì)板簧起落架這樣的曲面構(gòu)型、變截面結(jié)構(gòu)形式尤其適合采用復(fù)合材料層壓板鋪貼成型。因此后期本研究的改進(jìn)方向應(yīng)將復(fù)合材料設(shè)計(jì)引入結(jié)構(gòu)選材,將許用應(yīng)力約束變?yōu)閷?duì)復(fù)合材料許用應(yīng)變的要求,拓展本設(shè)計(jì)方法的使用領(lǐng)域。

[1] 飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第14冊(cè).北京:航空工業(yè)出版社,2002.

[2] 薛志鵬,賈宏光,厲 明,等.扁簧式起落架柔性變形的實(shí)時(shí)狀態(tài)空間描述[J].光學(xué)精密工程,2014,22(5):1244-1250.

[3] 徐曉晨,劉 波,賈宏光,等.沖擊載荷下復(fù)合材料板簧式起落架動(dòng)強(qiáng)度研究[J].機(jī)械強(qiáng)度,2013,35(5):571-576.

[4] 段漢波,朱 偉.航空復(fù)合材料板簧式緩沖件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù),2011,40(2):57-59,102.

[5] 劉 毅,張?jiān)?徐紅爐,等.基于能量法的無(wú)人機(jī)弓形起落架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].航空計(jì)算技術(shù),2013(3):76-79.

[6] 關(guān)永亮.小型無(wú)人機(jī)復(fù)合材料起落架仿真分析與試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué),2014.

[7] B.Gurdal Tugay,Halit S.Turkmen.Structural Optimization of the Landing Gear of a Mini-UAV[C].12th AIAA/ISSMO Multidisciplinary Analysis and Optimization Conference.10-12 September 2008,Victoria,British Columbia Canada.AIAA 2008-5878.

[8] Phu Nguyen and Stanley Mak,Simulation of Landing Events for an Unconventional UAV Landing Gear System Using Transient Dynamics Approach[C].47th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics,and Materials Confere.10-12 September 2008, Victoria,British Columbia Canada.AIAA 2006-176.

[9] 茍文選,衛(wèi) 豐.材料力學(xué)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2001.

[10] 楊乃賓,章怡寧.復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2002.

Research on Full Stress Design Method of Leaf Spring Landing Gear

WANG Li,XIE Hui,ZHANG Lin
(Xi′an ASN Technical Group Co.,Ltd,Xi′an Shaanxi 710065,China)

In this paper,the leaf spring landing gear is considered as an overhanging beam by using the engineering beam theory,and the thickness distribution of the absorber is determined by the full stress iterative design method.The resulting absorber at maximum load state is equivalent to uniform strength beam,so design of the landing gear can meet the design target of energy absorption with the minimum weight.For a given design example,the drop simulation is carried out by the MSC. Dytran.The design results are compared with the finite element simulation results,the comparison proves that the design method is effective,which could meet the requirements of engineering design.

leaf spring landing gear;uniform strength beam;full stress design;drop simulation

V279;V226

A

1007-4414(2015)05-0022-04

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.008

2015-08-16

王 力(1983-),男,陜西咸陽(yáng)人,工程師,碩士研究生,研究方向:飛行器設(shè)計(jì)。