起落架关键结构疲劳寿命分析及优化研究

李静　张义浦　张显余　李伟

【摘 要】本文以某型飞机主起落架车架关键结构为研究对象，对其结构进行疲劳寿命及灵敏度分析并指导结构优化研究。通过疲劳寿命分析找出結构危险薄弱部位，再分析薄弱部位部分设计变量对结构指标的影响程度，然后依据分析结果对结构进行优化研究。结果表明，通过分析找出结构危险薄弱部位并筛选出对结构指标影响最大的变量，使结构优化具有针对性且优化效果良好，为类似结构优化提供参考。

【关键词】关键结构；疲劳寿命；灵敏度；优化研究

Fatigue Life Analysis and Optimization Research on Key Structure of Landing Gear

LI Jing ZHANG Yi-pu ZHANG Xian-yu LI Wei

（Aviation University of Air Force，Changchun Jilin 130022，China）

【Abstract】In this paper，the key structure of the main landing gear frame of a certain aircraft is studied，the fatigue life and sensitivity are analyzed and the structure optimization is conducted.Through the fatigue life analysis find out the dangerous parts of the structure，then analyze the influence degree of the design variables for the structural indexes，and optimize the structure according to the analysis results.The results，through analysis find out the risk weak parts of structural and select the variables that have the greatest influence on the structural indicators，so that the structural optimization is targeted and the optimization effect is good，and providing a reference for similar structural optimization.

【Key words】Key structure；Fatigue life；Sensitivity；Optimization study

0 引言

随着现代飞机的快速发展，飞机各项性能在不断提升，飞机结构出现的问题也越来越多，其结构一旦出现问题，将严重影响飞机的飞行安全。在出现的结构问题当中，飞机起落架作为飞机整体的一个至关重要的部件，问题总量约占飞机整体故障的40%左右[1]，而疲劳损伤是飞机结构故障的主要原因之一[2]，整体结构的安全性又由其关键结构来决定[3]，故起落架关键结构安全性能的好坏将严重影响飞机整体的安全评估。我国针对起落架关键结构疲劳寿命的研究较多，取得了一定的研究成果，但基于疲劳寿命的优化研究较少，且大多数的研究只是依据经验对其薄弱部位进行尝试性修改[4]，缺少一定的理论依据及参考意义。因此，对某型飞机主起落架车架关键结构进行研究分析，定性定量地找出对结构指标影响最大的设计变量，为结构优化研究提供参考依据。

1 结构疲劳寿命分析

车架前摇臂作为飞机主起落架车架的关键结构，用来平衡刹车时前后机轮的载荷并且和轮架翻转机构相连，在受到工作载荷作用时，极易产生结构变形并引起应力集中，从而造成结构破坏。通过对其结构特点及工作环境进行分析，得出在刹车载荷作用下结构所受到的影响最大。因此，将结构在刹车载荷作用下进行分析研究。采用CATIA软件对其进行全尺寸建模，并导入ANSYS Workbench中进行仿真分析。结构材料为30CrMnSiNi2A钢，添加材料属性并采用自动划分法划分其网格，共产生节点398255个，单元232149个，通过检查其单元质量、纵横比等多个性能指标发现，网格划分符合要求且结果较理想。然后依据结构受力特点对结构进行约束处理，并按照载荷谱中提供的载荷大小设置载荷，利用弹塑性有限元解的方法并选择Morrow弹性应力线性修正的方式对前摇臂结构进行疲劳寿命仿真分析，分析得到结构疲劳寿命云图如图1所示。

图1 前摇臂结构在刹车载荷下的疲劳寿命云图

从分析云图可知，车架前摇臂结构在刹车载荷条件下的疲劳寿命危险部位在上拉杆接耳与中间轴孔过渡处，与实际使用中发现裂纹部位较吻合，说明分析结果具有一定的可靠性，同时说明在此状态载荷下其薄弱部位发生结构破坏的可能性较大，为接下来结构优化研究提供参考。

2 结构优化方案选择

对结构进行灵敏度分析是优化研究的重要基础，计算结构薄弱部位部分主要变量对结构指标的影响程度，并将所得结果进行对比，筛选找出对结构影响最大的变量。再依据结构优化过程中各指标的重要程度，运用层次分析法对其进行指标权重计算。通过上述所得结果对结构变量进行优化，可使结构改进具有针对性。

2.1 结构灵敏度分析

灵敏度分析就是分析各目标对设计变量改变的敏感程度[5]，敏感程度即灵敏度。通过对灵敏度结果进行分析比较，可以筛选得到对结构影响最大的变量，并最终用于指导优化设计的搜索方向和辅助决策，从而避免盲目修改，大大提高优化效率。灵敏度绝对值越大，改变该结构变量对结构指标的影响也就越大。

灵敏度函数的数学表达式为：

■（1）

式中：ui表示结构性能指标；bj表示结构设计参数。

本文将一阶向前差分的方法融入在到灵敏度计算公式（1）中，可以得出：

■（2）

依据灵敏度向前差分计算模型，按照车架前摇臂在刹车工作载荷作用下，分析初始条件下结构的疲劳寿命、应力与重量，然后对设计参数逐个进行微小的扰动，再对其进行疲劳寿命、应力与重量分析，对比前后差值可以得出变量对指标的影响情况。

依据前面疲劳寿命分析结果，车架前摇臂薄弱部位主要为上拉杆接耳与中间轴孔的过渡处，针对此薄弱部位，选定部分设计变量。设定上拉杆接耳与中间轴孔过渡处圆弧半径为r，上拉杆接耳与中间轴孔过渡处板厚度为b。通过分析计算得到，各变量对结构指标的影响程度如表1所示。

表1 前摇臂部分变量对结构指标的影响程度

分析表中数据可知，圆弧半径r对寿命的影响大于板厚b对寿命的影响，说明增加半径r可以增加结构抗疲劳能力；圆弧半径r对应力的影响程度大于板厚b对应力的影响程度，说明增加圆弧半径的尺寸可以减小应力集中；同时半径r对重量的影响小于板厚b对重量的影响，说明增加半径r的尺寸对结构重量影响很小。因此，选择圆弧半径r作为研究变量可以达到较好的优化效果。

2.2 结构指标权重计算

层次分析法[6]是用来辅助决策者选择方案的一种基于定性与定量相结合的方法，它将一些评判因素进行定量化，为决策者提供一种直观地评判依据。按照各指标在决策者心目中的重要程度，将各指标进行对比并建立判断矩阵。按照所建立的矩阵求各指标的权重系数。文中基于结构疲劳寿命进行优化，所以疲劳寿命最重要，其次是结构最大应力作为伴随状态，最后是结构重量。则建立的判断矩阵P为：

■

采用方根法计算其权重系数，并验证所建立的矩阵P满足其一致性指标，说明所建立的矩阵符合要求并能够较好地反映出各指標的相对重要程度，则疲劳寿命、最大应力及结构重量的权重系数Wi分别为：0.65、0.22、0.13。

3 结构优化研究与分析

车架前摇臂结构优化研究的主要目的是增加结构的抗疲劳能力，将结构重量控制在一定范围内的同时减小应力集中。依据前面分析结果可知，选择圆弧半径r作为优化研究对象，可以较好地达到优化目的并使结构改变很小，同时满足装配要求，建立优化模型，求目标函数的最小值。

■（3）

式中：式中：N表示结构疲劳寿命；σmax表示最大应力；m表示结构重量；C与m1为材料常数；Mmax为常数；Wz为弯曲截面系数；k表示原圆弧半径r；l表示板宽。

结合结构重量及其相关约束条件，利用数学规划法中的直接搜索法进行迭代计算得出结果，得到变量圆弧半径r的半径改为31mm为最佳设计值。在CATIA中将结构模型进行修改，将修改后的结构进行疲劳寿命分析及强度校核。并对优化前后的结构指标进行分析对比，对比结果如表2所示。

表2 结构优化前后结果及对比情况

由表中数据可知，通过对结构有针对性地进行改进，可保证结构重量在几乎不变的情况下，结构寿命明显增加，同时结构应力集中得到改善，有效提高了结构的抗疲劳能力，使结构优化达到了较好的效果。

4 结论

研究结果表明，针对某型飞机主起落架关键结构进行疲劳寿命分析及优化研究，找出结构薄弱部位，然后分析各变量对结构指标的影响程度，筛选出对结构指标影响最大的变量，并按照各目标相对重要程度进行权重计算，选出最佳改进方案。分析改进后的结构得到，此优化可保证结构重量在很小增长范围内的同时，大幅提高结构抗疲劳能力，也为类似结构改进提供参考。

【参考文献】

[1]朱伟.某型飞机起落架的收放与转弯机构可靠性研究[D].中南大学硕士学位论文，2011.

[2]H.Nie， X.H.wei.Key Technologies for Landing Gear of Large Civil Aircrafts[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics.2008，40（4）：427-432.

[3]姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].北京：国防工业出版社，2004.

[4]张成玉，虞伟建.基于ANSYS的起落架刹车系统前摇臂强度分析和优化设计.中国制造业信息化，2009；38（23）：14-18.

[5]Park S R，Yang S H.Analytical sensitivity analysis of geometric errors in a three-axis machine tool[J].Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers，2012，36（2）：165-171.

[6]廖红强，邱勇，杨侠等.对应用层次分析法确定权重系数的探讨[J].机械工程师，2012，6：22-25.