某型号飞机前轮轮毂的结构优化*

2015-06-11刘文胜肖彦荣马运柱

机械研究与应用 2015年4期

刘文胜，肖彦荣，马运柱，杨肃

(中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南长沙 410083)

0 引言

机轮是飞机起落架的主要组成部件，作为飞机与地面接触的受力部件，除了要承受飞机的重量和飞机起飞着陆时的冲击载荷外，还承受地面滑行及地面操纵时的各种载荷和轮胎的充气压力作用。这些来自地面三个方向的载荷通过轮胎传递到轮毂。

对于前轮而言，不会受到刹车力矩的作用，所以只需考虑径向载荷、径侧向联合载荷和轮胎充气压力的作用。为了在保证结构强度的前提下尽量减轻机轮重量，结构强度计算需要尽量接近实际状况。由于机轮是一个非壳非板的复杂组合旋转结构，而且载荷是由各向异性的轮胎传递的，用经典理论计算出其应力分布式几乎不可能，而运用有限元可以得到较为准确的应力分布，为轮毂的强度校核与结构优化提供可靠依据。通常有限元分析时，将力加载在轮缘上沿圆周一条圆弧上的90或者180个节点上。这样加载的节点数过少，而且加载的圆弧没有固定部位，根据圣维南原理，这样的荷载分布，在远离加载点的地方比较精确，但在靠近轮缘的部位精确性就得不到保证。为了提高靠近胎圈座部位应力分布的准确性，在加载时沿轮缘圆周方向施加压强载荷。笔者在加载时沿轮缘圆周方向施加压强载荷，有利于提高靠近轮缘部位轮毂应力值的准确性。将载荷工况分为屈服工况和极限工况，分别计算不同工况的应力和安全系数。

1 轮毂的工况及载荷分布

1.1 轮毂参数

笔者分析的轮毂为对开式双腹板轮毂，轮毂整体上为轴对称结构，但在外半轮毂上有三个开孔，分别是气压传感器、充气阀和安全泄压阀，如图1所示。

图1 轮毂模型及尺寸

在进行有限元分析时，轮毂上一些不影响结构强度的凸台、孔和倒角可以简化去掉，螺栓和螺母的模型也可以进行一些简化。该机轮对应的轮胎的型号为30×8.8R15/16PR。其他参数如表1所列。

表1 轮胎轮毂参数 /m

1.2 工况分析

轮毂的受力状况可以分为充气压力载荷、爆胎压力载荷、最大静止载荷、最大径向载荷和径侧向联合载荷。对于本文分析的轮毂，危险的载荷状况有爆胎压力载荷、最大径向载荷、径侧向载荷一和径侧向载荷二。

根据该型号飞机的技术参数得到飞机前轮各个工况的受力情况，包括少数极限情况下的极限工况和通常工作情况下的屈服工况，在极限载荷状况下，最大应力不能超过强度极限，在屈服载荷状况下，最大应力不能超过屈服极限。根据TSO－135a规定，爆胎压力为机轮轮胎额定充气压力的4倍，轮胎标准压力P0为1.2755 MPa，则爆胎压力 Pbust=5.102 MPa，载荷工况见表2。

表2 载荷工况 /N

1.3 受力简化

(1)轮胎在充气载荷有胀大的趋势，轮缘受到轮胎向外的挤压力，充气载荷对于轮毂可认为是对称均匀分布的载荷［1］。将充气压力转换到轮毂上，轮毂受到的等效载荷由式(1)得到:

在标准充气压力P0作用下Z=148 870 N。

(2)将径向Pr作用在轮胎上的力分解为等效的径向载荷Rr和附加的侧向载荷Zr，Rr为径向载荷的一半，Rr=Pr/2。轮毂受到的附加侧向载荷Zr的由式(2)得到:

式中:b为轮胎压痕椭圆短半轴长度，由《航空轮胎设计原理》查得H是工作充气压力1下由轮缘边缘起轮胎断面高，H1=(D－d－2h)/2;K4是轮胎与地面接触椭圆平面短半轴修正系数。本文所分析的机轮C/d=0.47。

(3)飞机侧偏着陆或飞机地面转弯时，轮胎会发生侧偏变形。侧向力Zs通过轮胎的侧偏变形传递到轮缘上，而且附加一对由Rs组成的力矩，以等效作用在轮胎上的侧向载荷。在这种载荷作用下，轮毂腹板和开孔处的应力会比较大。将轮胎上的侧向力等效施加在轮缘上产生的附加力矩Rs为:

图2 载荷分布

(4)对开式轮毂都会受到连接螺栓对轮毂的压紧力FN，其数值为60 000 N。

1.4 各个工况径侧向载荷

经过计算可以得到8种工况的径向载荷和侧向载荷如表3所列。

表3 各个工况径侧向载荷 /N

1.5 载荷分布

设径向载荷Rr按余弦分布在－π/2～π/2上，即:

因为qθ在半圆周上的积分等于Rr，所以:

根据公式(5)得到q0，然后代入公式(4)可得到径向载荷在圆周上的分布［2］。

因为侧向载荷分布角度较径向载荷小一些，设Zs以余弦规律分布在－π/3到π/3上，即:

根据q0在圆周上的积分等于Zs，所以:

根据式(7)得到q0，然后将其代入式(6)可得到径向载荷在圆周上的分布，如图3为径向力和侧向力分布图。

图3 径向力和侧向力分布

2 有限元计算

2.1 材料参数

该型号轮毂的材料是2014－T6铝合金，连接螺栓和垫片材料是4 340合金钢，材料的参数如表4。

表4 机轮材料参数

2.2 分析前处理

对简化后的模型进行网格划分时，在轮缘处运用Sweep方法划分为20节点六面体单元，单元尺寸取为2 mm;轮毂其他区域划为10节点四面体单元，三个开孔处单元尺寸取为0.8 mm。得到网格如图4。螺栓与螺母接触面设置为绑定接触，其他接触面均设置为标准接触。

边界约束及载荷施加参照图5。因为轮毂与轴承无相对移动，所以边界约束在位置1约束轴向位移为0 mm，位置2设置固定约束。充气压力以均匀分布的压强施加在位置4。充气压力传递到轮毂上的侧向载荷分布于轮缘靠近其根部区域，将Z以压强载荷施加在位置5靠近轮缘根部的区域。将径向载荷以余弦规律变化的压强加载在位置6。侧向载荷加载部位与充气压力传递到轮毂的载荷加载方式相同，加载在位置5，分布在120°范围。螺栓预紧力为沿螺栓轴线的压紧力。

图4 网格划分

图5 边界约束和载荷的施加示意图

2.3 分析结果

由于外半轮毂上有三个开孔，而且在气压传感器与两个阀门处有加强凸台，为了分析在不同角度加载时的应力分布，每种工况以分别以 90°、180°、244°和270°为加载点，如图6～10所示。

图6 各加载角度对应位置

图7 工况1胎圈座最大应力

图8 工况4腹板最大应力

图9 工况1开孔最大应力

图10 工况2螺栓最大应力

由结果可知:对于每种工况的四个加载角度中，胎圈座最大应力都出现在180°和270°加载时。在90°和244°加载时较较小，是因为安装气压传感器、充气阀和泄压阀的三个凸台导致轮毂边缘受弯的力臂减小。腹板在各角度加载时应力差别不大。开孔的应力在90°和244°加载时最大，说明在接地点处于开孔处时开孔的应力最大。螺栓在各角度加载时变化不大。表5为8种工况分别在不同角度加载时胎圈座、腹板、开孔和螺栓的最大应力。