CESSNA172R刹车油缸支架固定腹板裂纹有限元分析

钱 锋， 黄选红， 许冀威

（中国民用航空飞行学院航空工程学院， 四川 广汉 618307）

引言

经过多年的发展，CESSNA 172R型飞机逐渐成为了我国通航的主力机型，被各通航公司或训练单位大量使用。该机型以皮实耐用著称，但是根据某训练单位的维修统计数据发现，刹车油缸支架固定腹板裂纹的故障率长时间居高不下，该类型故障的五年发生率已经占据了172R机队的30%，成为该机型主要故障。本文基于CATIA、ANSYS软件平台，采用有限元分析的方法，根据腹板结构设计图纸，建立CESSNA 172R刹车油缸支架固定腹板的三维模型，对该模型在正常飞行使用过程中受到的载荷进行分析，通过软件受力分析得到应力云图。最终目的是通过应力云图确定腹板应力集中部位，与实际故障情况相比较，提出相应的改进方法和维护意见，为提高部件的可靠性与安全性提供理论依据。

1 组件运动分析和受力分析

1.1 运动过程分析

图1是刹车作动筒与腹板通过连接件接耳相连接的实物示意图，图2是脚蹬、作动筒运动原理图。在实际飞行使用过程中，踩踏脚蹬使其向下转动时，伴随有刹车活塞杆垂直作动和旋转作动两个过程。

1.2 受力分析

在此作动过程中，活塞杆受到脚蹬的压力向刹车动作筒内移动；脚蹬转动，转矩通过脚蹬、活塞杆传递到刹车动作筒上，活塞杆在整个过程中转动，活塞杆受到脚蹬传递的压应力和弯矩。活塞杆传递压应力和弯矩到接耳上，接耳在瞬时受到2个方向的力，一个是延活塞杆垂直方向的力，还有一个是垂直于活塞杆方向作用在接耳上的力；接耳垂直于腹板连接，腹板受到由弯矩转化成的压应力，腹板受力如图3所示。

图1 脚蹬以及作动筒与接耳连接示意图

图2 脚蹬和作动筒运动原理图

图3 腹板受力图

1.3 制定载荷谱

接耳在本文中不是主要研究对象，则不考虑接耳受力的变化，只计算受最大压应力和活塞杆的弯矩传导的侧应力。接耳最大压应力为100 N，最大侧应力为50 N。腹板理论受力40 N，最大受力为50 N。一个踩踏刹车的过程约为5 s，分配为理论受力2 s，最大受力3 s。

表1 腹板受力载荷谱

2 腹板有限元模型建立及应力分析

2.1 有限元模型建立

将CATIA建模文件导入ANSYS中，腹板的制造材料为Al 2024-T4 clad，密度为2 780 kg/m3，弹性模量为2.74E+10 N/m2，泊松比为0.330。网格划分采用自由网格划分法，为solid45单元，相关度为100，网格划分后如图4所示。划分好网格后，对模型施加一定的激励，并根据实际情况设置特定的边界条件以及约束。加载载荷谱进行计算，得到如下应力云图，如图5所示。

图4 网格划分完成的腹板

图5 腹板应力云图

2.2 结果分析

根据裂纹理论分析得到：飞机结构及零部件产生的裂纹属于使用过程中产生的裂纹，绝大多数是由疲劳引起的。飞机结构件按静强度要求是足够安全的，但是在低于屈服极限，甚至弹性极限以下的交变应力反复作用下，会产生裂纹[1]。图5还能得到，整块腹板的受力不均匀，在铆钉孔附近有较大应力，腹板其他位置应力变化也没有规律，使得腹板的薄弱部位容易发生局部破断而形成不稳定缺陷，这就会导致腹板整体结构产生褶皱，随着载荷施加次数的增加，褶皱慢慢扩展产生细微裂纹，进而发展成为较大裂纹，影响结构强度[2]。

3 操作及维修建议

一个含有裂纹的构件，在承受静载荷时，当达到临界应力就会断裂，但如果构件承受一个具有一定幅值的循环交变应力作用，裂纹在交变应力作用下就会缓慢扩展，当裂纹长度达到临界长度时，裂纹发生失稳扩展，使得构件最终被破坏[3]。

事实上腹板在较小的交变应力作用下，结构不易产生疲劳裂纹，即使有裂纹其扩展速度也会慢得多，所以建议飞行员在踩踏刹车时应该更加规范，掌握合适的踩踏力度。

此外，机务人员应该制定定期检修计划，重视腹板裂纹带来的危害。同时也可以在满足试航要求的条件下更换断裂韧度高、抗裂纹扩展性能好的材料，以保证结构有较高的剩余强度和减缓裂纹扩展的特性。

4 结语

由于在飞机维护过程中常发现刹车油缸支架固定腹板出现褶皱、裂纹，并且成为172R的主要故障之一，所以本文对刹车油缸支架固定腹板进行静力学分析。通过维修图纸获得腹板结构尺寸，利用三维建模软件CATIA对腹板建模，使用ANSYS分析腹板在受载荷过程中的应力和应变，得到腹板应力云图。并对故障产生的原因进行理论性与实际性的分析，提出了操作和维修建议，以确保飞机的安全飞行。