起落架轮轴偏角对轮毂结构强度影响分析

刘文斌

（上海飞机设计研究院，上海 201210）

0 引言

民用飞机起落架是起飞、着陆、滑跑和各种地面操作情况下，支持飞机机体、减缓着陆冲击和耗散能量的关键部件[1]，主要包含油气式缓冲器[2]、机轮刹车系统、扭力臂和撑杆等部件，其中机轮主要由轮胎、轮毂、轮轴和刹车片等零件组成[3]，其典型结构图如图1 所示。

图1 典型民机起落架结构示意图

起落架结构强度的设计过程，通常是先计算轮胎接地点地面载荷，再根据力的传递分布特性，计算各零部件的界面载荷，再对每个零件进行强度分析[4]，包括轮毂的强度分析。

在起落架地面操作载荷的计算中，国内民用飞机设计根据CCAR-25 部地面载荷条款[5]的规定，国外也有相应的适航条款，假设飞机为刚体且不考虑起落架的航向、侧向刚度，即起落架轮轴依据三面图与地面处于水平状态，这与真实情况存在差异，起落架轮轴可能因为飞机变形或者制造偏差等原因与地面产生偏角[6]。

从轮毂的结构强度分析角度考虑，研究该偏角的影响具有一定的必要性，它不仅可以提高强度设计准确性，还能因此保证飞机运行安全、减小结构重量[7]、提高经济效益。

本文根据某型民用飞机主起落架的真实案例，研究了因为制造偏差和结构受载变形共同造成的微小偏角对轮毂结构静强度的影响，为后续工艺制造问题处置以及轮毂强度设计方法提升提供参考。

1 某型飞机轮毂简介

某型飞机主起落架为双轮式起落架，机轮是一种A型机轮，主要由铝合金2014-T6 铸造而成的内半轮毂和外半轮毂构成，其设计用于安装航空轮胎和刹车片。图2 为一侧机轮的轮毂，包含根据相对活塞杆位置定义的内半机轮和外半机轮。内半机轮位于机轮靠近起落架活塞杆一侧，外半机轮位于机轮偏离起落架活塞杆一侧。机轮与轮轴轴套相互作用面之间使用两个轴承连接，内半机轮和外半机轮通过18 个螺栓连接。

图2 轮毂结构示意图

图3 机轮受载示意图

轮毂的受载情况如图3 所示，当飞机在地面上运行时，地面载荷通过轮胎作用到轮毂靠近地面的端面上。地面载荷主要为垂向力和侧向力，航向力使机轮做转动运动主要传递到刹车系统上。载荷作用点为机轮中心线与地面的交点，垂向力垂直地面向上，侧向力与地面平行指向外半机轮为正，航向力垂直纸面向外[8]，分别对应图中坐标系的X、Y和Z轴。

当轮轴存在偏角时，轮毂的受载形式基本不变，但垂向力和侧向力与轮轴的角度产生变化，力素的组合不同将导致结构强度的影响。某型飞机的轮轴偏角示意图如图4 所示，该案例由于不同受载情况，偏角度数从0.3°到1.07°不等。

图4 偏斜机轮受载示意图

2 有限元建模

2.1 网格划分

本文使用hypermesh 进行有限元前处理和网格划分，使用ABAQUS 进行分析求解。模型包含内半机轮、外半机轮和在二分之一处截断轮轴三个零件，由420 633 个二阶体单元构成，包含比例分别为98%和2%的六面体单元C3D8 和五面体单元C3D6，以及连接模拟用的少数coupling单元和tie单元[9]。模型如图5 和图6 所示。

2.2 材料属性

轮毂材料为2014-T6 牌号的铝合金，根据材料性能文件MMPDS-04 的AMS4133 规范，相关的力学性能为：拉伸极限应力448 MPa，拉伸屈服应力379 MPa，屈服压缩应力400 MPa，弹性模量74 GPa，泊松比0.33。

图5 模型连接和加载示意图

图6 模型约束示意图

2.3 零件连接

为准确高效模拟零件间的相互连接，使用coupling单元模拟螺栓连接，使用tie单元模拟零件间的接触，如图5 所示。因为轮毂强度危险区域通常为减重孔边，离螺栓存在一定距离，因此螺栓连接的简化，影响较小。

2.4 约束和载荷

如图5 和图6 所示，在轮轴端面施加固定约束模表示零件界面，在内半轮毂使用coupling控制点约束转动模拟刹车传力效果，使用coupling模拟地面载荷集中力施加。

2.5 计算工况

计算工况选取了典型严重工况14 个，偏角和地面载荷均不同，如表1 所示。标准载荷均为乘以1.5 安全系数的极限载荷[10]。

表1 计算工况表

3 结果对比

根据上述模型和工况，计算出轮轴偏角对强度的影响情况如表2 所示，包含最大VonMises应力和应力变化的绝对值、相对值。最大变化情况为第13工况，应力云图对比如图7 所示。

表2 计算结果对比表

图7 第13 工况应力云图对比

通过该案例的分析可以看出，主起落架机轮在有轮轴偏角的情况下，机轮影响区域的应力值最大增幅为4.42%，此影响不能忽略不计，需要供应商在下一轮分析中考虑轮轴偏角的影响。通过检查轮毂强度分析报告得知，地面载荷工况下的最小安全裕度为0.05，可以认为此裕度能够覆盖轮轴偏角带来的影响。

4 结论

本文研究了某型民机主起落架轮毂在不同工况下存在不同偏角时结构静强度的变化情况。如表1和2 所示，当偏角在0.25°～1.19°之间，变化不大的范围内，最大的应力变化情况有增有减，范围在-4.22%～4.42%内，影响无法忽略。基于本案例轮毂静强度裕度为0.05 的情况下，勉强可以认定满足强度要求。但后续必须进一步考虑轮轴偏角的影响，进行精细化高精度的评估，特别是优化螺栓连接模拟方式以及轮胎载荷集中力的分载施加，重新计算安全裕度，确保飞机安全。本文研究成果也表明了在民用飞机起落架强度设计过程中，轮轴偏角对轮毂强度的影响不可忽略，其它起落架零部件也有必要开展类似的影响研究。