飞机起落架结构件件强度分析及结构优化

赖英朋

摘要：飞机起落架主要是飞机实行起降的主要受力件，对飞机来说具有重要性作用。为了确保飞机的安全起降，需要全面加强起落架的使用期限和受力性能等，随着不断提升的飞机性能，需要全面优化和创新起落架设计，使其既能够满足合理受力和充足强度，还需要在此基础之上不断降低起落架的重量。本文主要是探讨分析飞机起落架结构件件强度分析及结构优化，在此基础之上主要是通过两种方式对起落架撑杆和上刹车杆进行强度分析和结构优化处理，希望能够对飞机起落架结构件设计起到参考性价值。

关键词：飞机起落架；结构件；强度分析；结构优化

文本主要是起落架结构件进行分析研究，特别表现在上刹车拉杆和撑杆上。在分析强度之后，获得较大的安全裕度，为了使材料潜能全面发挥，满足轻量化设计要求。需要对飞机起落架结构件进行优化，使其在符合各项标准要求之下能够降低自身重量，改善受力性能。此次研究主要是通过CATTA软件的建模功能和ANSYS Wokebench的拓扑优化功能对飞机起落架刹车拉杆强度分析和结构优化。前者主要是建立剎车拉杆的立体模型，之后将模型导入后者软件当中施加载荷，之后再进行强度分析。如果拉杆存在较大的安全系数，则需要优化去除材料的拓扑。将拓扑材料去除不同程度之后对其进行计算，分析强度。在确定去除材料比例之后，需要将其导入到ANSYS Wokebench软件当中校核强度，在确定优化截面尺寸之后，能够使飞机起落架满足轻量化设计要求。

1.飞机起落架的结构和特点

由于飞机起落架使用条件受到限制，因此具备较低的可靠性。飞机起落架不论是在人为保养和污染因素方面都存在腐蚀情况。一般材料无法应用在应用环境比较艰巨的飞机起落架当中。所以在制作飞机起落架时使用高强度钢材导致材料具有较低的疲劳极限，并且无法进行有效检查。由于以上原因，飞机起落架常常出现突然失效情况，导致出现较多的飞行事故。按照以上飞机起落架的各项特点，在提升飞机起落架的强度时需要不断增加飞机起落架的尺寸，然而由于飞机的飞行性能对重量之间存在较大的敏感性，因此某些设计人员为了加强结构件强度总是通过提升重量实现，该种方法不可取，因此需要全面优化飞机起落架的部件结构，这样能够使其合理受力。在降低质量情况下增加强度，这样也能够提升飞机起落架的强度。

2.飞机起落架撑杆的结构优化和强度分析

2.1选择撑杆建模软件

在对飞机起落架撑杆进行建模时可以通过CATIA软件实现，该软件属于一种先进的制图软件，能够全面应用在较高设计要求的建模当中。如果模型的具有复杂形状等需要通过该软件建模。这主要是由于CATIA软件具备多样化的曲面编辑功能以及制作工具等，这样能够全面满足各项要求。因此广泛应用在汽车制作，临床领域和航天领域。

由于此次研究的飞机起落架的撑杆都比较简单，并且存在较少的曲面，然而在ANSYS软件当中之间进行建模也出现较多的复杂性，因此需要借助于CATIA软件建立立体模型。由于ANSYS软件和CATIA软件之间能够共享数据，因此在CATIA软件当中建立的模型可以之间传输到ANSYS软件当中，这样既能够减少建模时间，还能够使模型与真实零件之间的差异性不断降低。

2.2撑杆的立体建模和强度分析

（1）撑杆的三维建模：由于撑杆的三维建模对于优化期间的数学模型来说具有较大的难度。由于撑杆的界面尺寸沿着长度方向没有出现较大的改变。因此，可以使用撑杆截面尺寸在长度方向上不变的模型替换实际模型。当建立完实际撑杆模型之后，需要对其进行强度分析。由于简化模型对分析结果产生影响，但是然而简化模型与实际模型在尺寸方面不存在差异性，这样就能够确保优化结果的相似性。所以，可以通过简化模型对撑杆进行强度分析。

使用CATIA软件对飞机起落架撑杆建立立体模型，下图为按照简化之后的尺寸建立的立体模型。

（2）撑杆强度分析：撑杆的实际受力情况需要导入ANSYS Wokebench软件当中，之后通过坐标系能够看出。其受力情况只能在X轴方向进行移动，将Y轴和Z轴进行固定。之后需要将耳子内孔表面的方向进行固定，确保其不会出现移动情况。之后需要将载荷施加到另一端的耳子内表面，撑杆的材料主要是30CrMnSiNi2A，此时的弹性模量为2.1×1011MPa，需要在600kN拉力下分析应力。下图为在该软件当中撑杆强度分析应力云图：

由上图可以得出，在耳子附近出现可最大应力，大约为750.4MPa。但是30CrMnSiNi2A所能承受的最大应力为1666MPa，具有较大的安全裕度，需要全面考虑起落架重量减轻以及全面发挥材料潜能等，这样能够不断优化撑杆截面尺寸。如果在优化之后减小了撑杆截面尺寸。这将导致其在相同条件下提升应力水平，使撑杆能够对加强工作稳定性，如果出现以上现象，则说明该种优化方法比较合理。如果在优化之后，截面尺寸几乎没有出现明显的减小情况，并且增加了较多的应力，这样说明该种方案不合理。

3.刹车拉杆的强度分析与结构优化

3.1弹性力学基本方程

弹性体是弹性力学主要的研究对象，主要是对弹性体在外力作用之下变形与应力之间的关系的研究。现阶段，受到专家学者青睐的有限元法也是以弹性力学为主要前提的。为了处理弹性体的力学问题，得到的结果是解析解，采用有限元得出的结果是数值解，这就说明弹性力学与有限元之间存在较大的关联性。以此在推导有限元时需要借助于弹性力学的相关知识。因此需要明确弹性力学的基本方程。

（1）位移和应变的关系——几何方程：如果物体存在较小的位移和变形情况，因此可以将位移导数的高次幂忽略不计。应变向量与位移向量的关系如下：

（2）应变与应力的关系——物理方程：在弹性力学当中，本构方程主要表示应变和应力之间的关系，主要是建立在弹性体的假设之上。

3.2上刹车拉杆的加载和强度分析

首先需要在CATIA软件对飞机起落架刹车拉杆建立立体模型，之后需要将此模型导入到ANSYS Wokebench软件当中，在上文当中已经分析到。需要划分自由网格，之后需要分为若干节点和单元。

按照模型的杆件的受力情况和三维坐标进行分析：杆件在X轴产生移动，没有在Y轴和Z轴产生移动。需要约束拉杆一端内孔的3个坐标，需要约束另一端的两个坐标。使其只能在X轴上进行移动。需要在产生位移一端的內孔表面施加应力，这样由于拉杆的工作环境使其只能受到压力。

此次研究所使用的拉杆材料，弹性模量以及泊松比与支撑一致。需要在拉杆上施加320kN拉力，之后借助于ANSYS Wokebench软件对刹车拉杆的应力水平进行分析，此时得出，在圆柱耳的肋板和外侧相连接的地方出现了最大应力，大约为768.7kN，如下图所示：

由上图可以得出，拉杆的最大应力为768.7MPa，30CrMnSiNi2A所能承受的最大应力为1666MPa，具有较大的安全裕度，为了全面考虑拉杆的性能，需要对该材料进行结构优化。

结构优化主要是随着计算机技术的发展而发展的，计算机技术的优化原理逐渐发展。已经能够广泛应用在较多实际问题解决方面，能够对其进行优化设计。借助于优化算法和计算机技术，能够使人们在预设条件下获得最适宜的优化方案，这样能够在较大程度上降低时间成本，不断加强工作效率。此次研究主要是通过ANSYS Wokebench软件对刹车拉杆的结构进行分析，在优化之后不仅能够降低材料成本，还能够从根本上降低废弃起落架的重量，并且在优化其他部件时提供参考性价值。

4.结束语

综上所述，此次研究主要是探讨分析了飞机起落架结构件件强度分析及结构优化，主要是阐述了飞机起落架支撑结构和刹车拉杆结构件，对以上结构件进行强度分析和结构优化，主要是借助于ANSYS软件，CATIA软件，ANSYS Wokebench软件等对其进行建模处理，之后按照以上软件的各项功能分析优化飞机起落架结构件的各个方式，仅供参考。

参考文献：

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