起落架輪軸偏角對輪轂結構強度影響分析

劉文斌

（上海飛機設計研究院，上海 201210）

0 引言

民用飛機起落架是起飛、著陸、滑跑和各種地面操作情況下，支持飛機機體、減緩著陸沖擊和耗散能量的關鍵部件[1]，主要包含油氣式緩沖器[2]、機輪剎車系統(tǒng)、扭力臂和撐桿等部件，其中機輪主要由輪胎、輪轂、輪軸和剎車片等零件組成[3]，其典型結構圖如圖1 所示。

圖1 典型民機起落架結構示意圖

起落架結構強度的設計過程，通常是先計算輪胎接地點地面載荷，再根據(jù)力的傳遞分布特性，計算各零部件的界面載荷，再對每個零件進行強度分析[4]，包括輪轂的強度分析。

在起落架地面操作載荷的計算中，國內民用飛機設計根據(jù)CCAR-25 部地面載荷條款[5]的規(guī)定，國外也有相應的適航條款，假設飛機為剛體且不考慮起落架的航向、側向剛度，即起落架輪軸依據(jù)三面圖與地面處于水平狀態(tài)，這與真實情況存在差異，起落架輪軸可能因為飛機變形或者制造偏差等原因與地面產(chǎn)生偏角[6]。

從輪轂的結構強度分析角度考慮，研究該偏角的影響具有一定的必要性，它不僅可以提高強度設計準確性，還能因此保證飛機運行安全、減小結構重量[7]、提高經(jīng)濟效益。

本文根據(jù)某型民用飛機主起落架的真實案例，研究了因為制造偏差和結構受載變形共同造成的微小偏角對輪轂結構靜強度的影響，為后續(xù)工藝制造問題處置以及輪轂強度設計方法提升提供參考。

1 某型飛機輪轂簡介

某型飛機主起落架為雙輪式起落架，機輪是一種A型機輪，主要由鋁合金2014-T6 鑄造而成的內半輪轂和外半輪轂構成，其設計用于安裝航空輪胎和剎車片。圖2 為一側機輪的輪轂，包含根據(jù)相對活塞桿位置定義的內半機輪和外半機輪。內半機輪位于機輪靠近起落架活塞桿一側，外半機輪位于機輪偏離起落架活塞桿一側。機輪與輪軸軸套相互作用面之間使用兩個軸承連接，內半機輪和外半機輪通過18 個螺栓連接。

圖2 輪轂結構示意圖

圖3 機輪受載示意圖

輪轂的受載情況如圖3 所示，當飛機在地面上運行時，地面載荷通過輪胎作用到輪轂靠近地面的端面上。地面載荷主要為垂向力和側向力，航向力使機輪做轉動運動主要傳遞到剎車系統(tǒng)上。載荷作用點為機輪中心線與地面的交點，垂向力垂直地面向上，側向力與地面平行指向外半機輪為正，航向力垂直紙面向外[8]，分別對應圖中坐標系的X、Y和Z軸。

當輪軸存在偏角時，輪轂的受載形式基本不變，但垂向力和側向力與輪軸的角度產(chǎn)生變化，力素的組合不同將導致結構強度的影響。某型飛機的輪軸偏角示意圖如圖4 所示，該案例由于不同受載情況，偏角度數(shù)從0.3°到1.07°不等。

圖4 偏斜機輪受載示意圖

2 有限元建模

2.1 網(wǎng)格劃分

本文使用hypermesh 進行有限元前處理和網(wǎng)格劃分，使用ABAQUS 進行分析求解。模型包含內半機輪、外半機輪和在二分之一處截斷輪軸三個零件，由420 633 個二階體單元構成，包含比例分別為98%和2%的六面體單元C3D8 和五面體單元C3D6，以及連接模擬用的少數(shù)coupling單元和tie單元[9]。模型如圖5 和圖6 所示。

2.2 材料屬性

輪轂材料為2014-T6 牌號的鋁合金，根據(jù)材料性能文件MMPDS-04 的AMS4133 規(guī)范，相關的力學性能為：拉伸極限應力448 MPa，拉伸屈服應力379 MPa，屈服壓縮應力400 MPa，彈性模量74 GPa，泊松比0.33。

圖5 模型連接和加載示意圖

圖6 模型約束示意圖

2.3 零件連接

為準確高效模擬零件間的相互連接，使用coupling單元模擬螺栓連接，使用tie單元模擬零件間的接觸，如圖5 所示。因為輪轂強度危險區(qū)域通常為減重孔邊，離螺栓存在一定距離，因此螺栓連接的簡化，影響較小。

2.4 約束和載荷

如圖5 和圖6 所示，在輪軸端面施加固定約束模表示零件界面，在內半輪轂使用coupling控制點約束轉動模擬剎車傳力效果，使用coupling模擬地面載荷集中力施加。

2.5 計算工況

計算工況選取了典型嚴重工況14 個，偏角和地面載荷均不同，如表1 所示。標準載荷均為乘以1.5 安全系數(shù)的極限載荷[10]。

表1 計算工況表

3 結果對比

根據(jù)上述模型和工況，計算出輪軸偏角對強度的影響情況如表2 所示，包含最大VonMises應力和應力變化的絕對值、相對值。最大變化情況為第13工況，應力云圖對比如圖7 所示。

表2 計算結果對比表

圖7 第13 工況應力云圖對比

通過該案例的分析可以看出，主起落架機輪在有輪軸偏角的情況下，機輪影響區(qū)域的應力值最大增幅為4.42%，此影響不能忽略不計，需要供應商在下一輪分析中考慮輪軸偏角的影響。通過檢查輪轂強度分析報告得知，地面載荷工況下的最小安全裕度為0.05，可以認為此裕度能夠覆蓋輪軸偏角帶來的影響。

4 結論

本文研究了某型民機主起落架輪轂在不同工況下存在不同偏角時結構靜強度的變化情況。如表1和2 所示，當偏角在0.25°～1.19°之間，變化不大的范圍內，最大的應力變化情況有增有減，范圍在-4.22%～4.42%內，影響無法忽略?；诒景咐嗇烄o強度裕度為0.05 的情況下，勉強可以認定滿足強度要求。但后續(xù)必須進一步考慮輪軸偏角的影響，進行精細化高精度的評估，特別是優(yōu)化螺栓連接模擬方式以及輪胎載荷集中力的分載施加，重新計算安全裕度，確保飛機安全。本文研究成果也表明了在民用飛機起落架強度設計過程中，輪軸偏角對輪轂強度的影響不可忽略，其它起落架零部件也有必要開展類似的影響研究。