飞机起落架支撑杆稳定性及强度分析

摘 要：【目的】飞机起落架是飞机非常重要的组成部分之一，由于起落架支撑杆强度盈余量较大，可考虑对其结构进行相关研究以达到减重目的。【方法】使用ABAQUS软件对圆筒结构的飞机起落架支撑杆进行线性屈曲分析和静强度分析，根据结果云图可知材料强度盈余量较大，从充分发挥材料的性能和降低起落架整体重量考虑，使用三种方式对支撑杆进行结构改进。【结果】根据仿真分析结果可知，腹板填充式支撑杆结构不能实现起落架支撑杆减重设计，波纹填充式支撑杆结构以及蜂窝填充式结构在减少起落架支撑杆重量的基础上仍具有较好的力学性能。【结论】波纹填充式支撑杆结构和铝蜂窝填充式结构在满足支撑杆稳定性条件和强度条件的基础上可以达到减重目的，也为后续起落架轻量化设计等相关研究及工程应用提供一定的思路。

关键词：飞机起落架支撑杆；ABAQUS；静强度分析；线性屈曲分析；轻量化设计

中图分类号：V226" " "文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）10-0044-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.10.009

Stability and Strength Analysis of Aircraft Landing Gear Support Rods

LI Shuaiwei

（School of Aeronautics and Astronautics， Shenyang Aerospace University， Shenyang 110000， China）

Abstract： [Purposes] The landing gear of an aircraft is one of the most important components. Due to the large strength surplus of the landing gear support rods， it is necessary to conduct relevant research on its structure to achieve weight reduction.[Methods] This article uses ABAQUS software to perform linear buckling analysis and static strength analysis on the cylindrical structure of aircraft landing gear support rods. According to the result cloud map， it can be seen that the material strength surplus is large. Considering fully utilizing the material's performance and reducing the overall weight of the landing gear， three methods are used to improve the structure of the support rods. [Findings] According to the simulation analysis results， it can be seen that the belly plate filled support rod structure cannot achieve weight reduction design for landing gear support rods. The corrugated filled support rod structure and honeycomb filled structure still have good mechanical properties on the basis of reducing the weight of landing gear support rods. [Conclusions] The corrugated filled support rod structure and honeycomb filled structure can achieve weight reduction on the basis of meeting the stability and strength conditions of the support rod， and provide certain ideas for subsequent research and engineering applications such as lightweight design of landing gear.

Keywords：aircraft landing gear strut; ABAQUS; static strength analysis; linear buckling analysis; lightweight design

0 引言

起落架是飞机的五大组成部分之一，也是飞机起飞和降落的关键受力部件。在飞机起飞向前滑跑的过程中，起落架承载了飞机的全部重量，而在飞机降落接触地面的瞬间，起落架不仅要承载飞机的重量，还要吸收地面传来的冲击载荷。而起落架的撑杆是连接起落架和机身的关键承力部件，其主要承受轴向载荷［1］。国内很多学者对起落架的强度进行了深入研究。王小锋等［2］采用MATLAB软件对起落架支撑杆截面尺寸进行优化分析，在给定起落架撑杆截面面积的条件下，得到稳定性最好的支撑杆截面尺寸。钱丽丽［3］对起落架支撑杆强度进行分析，为飞机起落架支撑杆的强度、损伤预测及维护提供了有效的指导。尚永锋等［4］对起落架扭力臂进行了静力学分析与结构优化，得出扭力臂夹角变化对受力情况的大致影响规律。姚光生［5］利用Ansys Workbench软件对起落架撑杆进行了强度分析及结构优化，从而达到起落架减重的目的。赵通来等［6］提出一种借用起落架杆系线框模型、基于ABAQUS Beam模型的起落架接头载荷快速计算方法，提高了起落架的设计效率，缩短了设计周期。朱贺等［7］利用Ansys Workbench软件对B737飞机主起落架侧撑杆进行有限元分析，得出B737飞机主起落架侧撑杆结构在降落时的极限工况下能保证结构的安全性。马利娜［8］针对前起落架锁撑杆的结构特点，采用试验方法获得试验数据，通过对比试验数据，对锁撑杆结构的承载特性进行研究，为前起落架结构设计及优化提供参考。Wu等［9］建立了以疲劳寿命和应力为约束的起落架优化模型，减轻了起落架重量，并拓展了疲劳寿命约束优化方法在复杂机构中的应用领域。结果表明，基于疲劳寿命约束的优化方法在实际工程中具有较好的适用性和应用价值。 Liu等［10］采用四自由度双质量系统的数学模型以优化的方式进行了起落架跌落测试。结果表明，垂直荷载和较少研究的纵向荷载以及轮轴和地面接触荷载均与分析结果吻合较好。 Mikhailov等［11］提出了一种轻型飞机起落架支柱设计的数值模拟方法，考虑起落架的伸缩性和压缩性问题，以及起落过程中的强度问题，分析了拓扑优化方法在确定最优起落架支撑形状中的应用。 Wong等［12］将多学科设计优化技术应用于商业起落架组件，实现了整体重量减轻36% 、峰值应力增加6%和估计60%的成本节约。Li等［13］利用ANSYS Workbench的形状优化模块对力矩臂进行力分析及结构优化，优化后的结构能够满足实际要求，且扭矩臂的减重幅度高达16.7%。冯广等［14］采用改变缓冲器初始气体压力的方式，分析缓冲器行程对系统刚度的影响规律，研究系统刚度对支柱式前起落架摆振的初始扭转角、收敛时间、收敛比例和稳定区域的影响。李文博等［15］对飞机主起落架支柱结构中主承力零件进行静强度校核，分别获取了各主承力零件所受的外载，结果均满足静强度要求。王盼等［16］针对一种特定轻型无人机进行起落架的设计和分析，提出一种轻型无人机起落架结构和电气系统的设计方案。孙雪东等［17］基于Solidworks建立飞机扭力臂的有限元模型，在满足强度和刚度要求下，根据实际工程要求对模型进行优化，优化后的模型相较于原先模型减重39.80％。南波等［18］通过有限元法，对CFRP短管和长管的受力性能进行了分析，得出CFRP短管和细长管极限承载力公式与试验结果吻合较好。王海娇等［19］使用有限元模拟法探讨蜂窝铝轻质夹芯结构的面外压缩性能，得出孔壁厚度越厚，其抗压能力越好。本研究通过ABAQUS仿真软件分别对腹板填充式起落架支撑杆、波纹填充式起落架支撑杆以及铝蜂窝填充式起落架支撑杆进行线性屈曲分析和静强度分析，并对分析结果进行横向和纵向对比，在满足支撑杆稳定性和强度条件的基础上，对其进行减重设计。

1 飞机起落架支撑杆受力分析

飞机起落架主要受到地面作用于轮胎的集中力，集中力通过支柱传递给支撑杆，对飞机起落架结构进行简化，可得到一个双摇杆结构，如图1所示。此结构主要利用构造死点的方式来承受地面带来的较大冲击载荷，因此，起落架支撑杆可等效为一个简单的二力构件，在飞机降落时仅受到一对沿轴线方向的作用力。本研究为了简化计算，仅考虑受到的约束反力作用，忽略当飞机在地面或者在飞行过程中气流对起落架支撑杆产生的侧向风荷载。

2 起落架支撑杆屈曲分析和强度分析

2.1 支撑杆三维模型

为了保证计算结果的真实可靠性，本研究采用的起落架支撑杆三维模型直接在ABAQUS仿真软件内部完成建模。起落架支撑杆初始三维模型如图2所示，初始尺寸大小分别为外径D=80 mm、内径d=64 mm、长度L=600 mm，由此可得支撑杆体积为1 085 734 mm3。

2.2 有限元模型建立

起落架支撑杆采用7050铝合金，其主要参数见表1。

该模拟先对起落架支撑杆一端形心位置处施加1 N的集中载荷，另一端固定约束进行线性屈曲分析，位移如图3所示。再对其一端形心位置施加500 kN的集中载荷，另一端固定约束进行静力学分析，应力分布如图4所示。

由图3、图4可知，起落架支撑杆屈曲时的临界载荷约为572 kN，在500 kN的集中载荷作用下最大应力仅为293.5 MPa，最大应力远小于7050铝合金的屈服强度。综合分析得出，飞机起落架支撑杆材料强度及稳定性盈余量较大，安全裕度较大。从充分发挥材料的性能和降低起落架整体重量考虑，对支撑杆进行结构改进，若改进后支撑杆重量降低，并且在同样的工作载荷下，能够满足稳定性及强度要求，说明此次改进方案可行。

3 三种起落架支撑杆结构分析

本研究使用ABAQUS软件分别建立腹板填充式起落架支撑杆、波纹填充式起落架支撑杆及蜂窝填充式起落架支撑杆的有限元模型，其截面形状如图5至图7所示，载荷与边界条件同上一节所述。

本研究对上述三种起落架支撑杆结构的支撑杆截面厚度、填充物芯板壁厚及支撑杆面板壁厚等3个基本参数进行逐一改变，设置3组不同数据进行对比分析，分别进行横向与纵向对比，研究结构参数对起落架支撑杆稳定性及强度的影响。

3.1 支撑杆截面厚度对其力学性能的影响

首先从支撑杆初始截面厚度8 mm开始，三种填充物芯板壁厚均为1 mm，支撑杆面板壁厚均为2 mm。在不改变起落架支撑杆外径的情况下逐步增加其截面厚度，每次增加量为2 mm，增加截面厚度至20 mm，对总计21个模型分别进行线性屈曲分析及静强度分析，具体数据见表2、表3，分析结果如图8、图9所示，通过Abaqus软件计算各模型体积，见表4。

根据以上计算结果可知，腹板填充式起落架支撑杆随截面厚度的增加，其屈曲临界载荷明显降低，而最大应力有明显升高；波纹填充式起落架撑杆随截面厚度的增加，其屈曲临界载荷略微降低，最大应力明显降低。这两种改进方案中支撑杆屈曲时的临界载荷均达不到500 kN，故稳定性均达不到要求。并且随着截面厚度的增加，这两种支撑杆的稳定性降低。

铝蜂窝填充式起落架撑杆在截面厚度为8 mm时，其屈曲临界载荷已经达到535 kN，最大应力为396 MPa，小于材料屈服强度。此时起落架支撑杆体积为1 007 842 mm3，与初始空心圆筒结构相比，可减重约7.2%。随着支撑杆截面厚度的增加，其屈曲临界载荷明显增加，最大应力明显降低，但支撑杆体积也逐渐增加，在截面厚度为10 mm时已经不能达到减重目的。

3.2 芯板壁厚对起落架支撑杆力学性能的影响

从初始起落架支撑杆截面厚度8 mm开始，三种填充物芯板壁厚增加为2 mm，面板壁厚均为2 mm。在不改变起落架撑杆外径的情况下逐步增加起落架支撑杆的截面厚度，每次增加量为2 mm，增加至20 mm，分析结果如图10至11所示。

由图10、图11可知，随着芯板壁厚度的增加，3种结构起落架支撑杆屈曲时的临界载荷均明显增加，增大芯板厚度可以增加支撑杆的稳定性。

波纹填充式起落架撑杆在截面厚度为8 mm、芯板壁厚和面板壁厚均为2 mm时屈曲临界载荷为533 kN，最大应力为331 MPa，满足强度和刚度要求。此时起落架撑杆体积为1 006 596 mm3，与初始空心圆筒结构相比可减重约7.3%。但对于波纹填充式起落架撑杆和铝蜂窝填充式起落架撑杆，随着芯板厚度的增加其体积也增加，其结构虽然能满足强度和刚度要求，但是不能达到减重目的。

3.3 面板壁厚对起落架支撑杆力学性能的影响

从初始起落架支撑杆截面厚度8 mm开始，三种填充物芯板壁厚均为1mm，面板壁厚减少为1 mm。在不改变起落架支撑杆外径的情况下逐步增加起落架支撑杆的截面厚度，每次增加量为2 mm，增加截面厚度至20 mm，分析结果如图12、图13所示。

由图12、图13可知，将面板壁厚减少为1 mm后，腹板填充式、波纹填充式及铝蜂窝填充式起落架撑杆屈曲时的临界载荷均大幅度降低，在静载荷下的最大应力明显升高。可见面板厚度对起落架支撑杆的稳定性和静强度有较大影响，增加面板厚度可以有效提升起落架支撑杆的稳定性及静强度，尤其对腹板填充式支撑杆的静强度影响最大。芯板壁厚和面板壁厚均为1 mm时，仅有截面宽度为20 mm的铝蜂窝填充式起落架撑杆能同时满足强度和刚度要求，但其体积为1 216 522 mm3，不能达到减重目的。

4 结论

本研究首先对飞机起落架支撑杆进行受力分析，并将其模型简化。然后使用ABAQUS软件对圆筒形起落架支撑杆进行仿真分析，根据分析结果可知，材料强度值盈余量较大，安全裕度较大，从充分发挥材料性能和降低起落架整体重量考虑，通过三种方式对支撑杆进行结构改进。根据仿真分析结果可知，腹板填充式结构在稳定性上自始至终达不到要求，故该结构不能实现起落架撑杆的减重设计。当支撑杆截面厚度为8 mm、芯板厚度和面板厚度均为2 mm时，波纹填充式起落架撑杆屈曲时的临界载荷超过500 kN，静载荷下的最大应力小于7050铝合金的屈服强度，在满足支撑杆稳定性和强度条件的基础上，该结构可实现起落架支撑杆减重约7.3%。蜂窝填充式支撑杆的力学性能最优，但在同等条件下重量也最大，在支撑杆截面厚度为8 mm、芯板厚度为1 mm和面板厚度为2 mm时，其屈曲时的临界载荷已达到535 MPa，最大应力不足400 MPa，可以满足支撑杆的稳定性和强度条件，并实现起落架支撑杆减重约7.2%。研究成果可为后续起落架轻量化设计等相关研究及工程应用提供一定的思路。

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（栏目编辑：孙艳梅）