某单发活塞式飞机刹车盘的有限元建模与模态分析

摘要：近年来我国的通用航空产业得到了大力发展，这对通航飞机的安全性提出了更加严峻的要求。刹车盘作为飞机安全的重要部件之一，各种文献对其研究较少。因此，本文对某型单发活塞式飞机的刹车盘进行了测量，并结合Hypermesh和Nastran软件进行了有限元建模和自由模态与约束模态分析，并对结果进行了对比分析。

关键词：通用航空；刹车盘；有限元；模态分析

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）07-0261-02

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Abstract： In recent years， China's general aviation industry has been vigorously developed， which puts more severe requirements on the safety of general aviation aircraft. Brake discs are one of the important components of aircraft safety. But the study on the brake disc is few. So， in this article， the brake disc of a kind of a single piston aircraft was measured. And the finite element model was built with Hypermesh and free and constraint modal analysis and the comparison were conducted with Nastran.

Key words： general aviation； brake disc； finite element method； modal analysis.

1 引言

我国的通用航空近年来得到大力发展。数据统计，全国通用航空2017年全年飞行83.75万小时，同比增长9.5%。截至2017年底，全国获得通用航空经营许可证的企业365家，新增56家，比上年增长14.1%。通航机队在册总数为2984架（其中固定翼飞机1865架，旋翼机1017架），新增300多架，比上年增长15.0%。截至2018年6月底，已在中国民用航空局取得使用许可证的通航机场已达168个，且多地仍在规划或正在建设通用机场已逾百座。通用航空的迅速发展，也对通用航空飞行、管理、维修提出了更大的挑战，通航安全必须得到更大的重视。

相比运输航空，通航飞机大多数为小型飞机，其中活塞式飞机更是占有相当的比重。小型飞机飞行距离相对较短，起降次数多，因此刹车盘作为飞机降落时的主要制动部件，对飞机的安全降落发挥了重要作用。但是，查阅各种文献，对通航飞机刹车盘的研究相对较少，因此本文拟在通航产业大力发展的背景下，聚焦于某通航单发活塞式发动机的刹车盘，对其进行有限元建模与分析，以为后期相关研究奠定一个基础。

2 刹车盘

本文将要研究的刹车盘为通航小型飞机的活塞式盘式制动器中的组件之一。其通过驾驶员踩制动踏板，将制动压力传递到制动管路，再传递到制动器活塞，通过活塞的运动使摩擦片与高速旋转的刹车盘接触，二者之间的摩擦力矩使机轮逐渐减速直至完全停止。图1所示即为本文要研究的刹车盘在机轮上的位置图。

为了建立刹车盘的有限元模型，需要首先对刹车盘从飞机机轮上进行拆解和测量。查阅该机型的AMM手册，找到相应章节，按照标准程序对该制动器进行拆解，图2所示为手册中该制动器的安装示意图和具体组件分解图。

图3所示为刹车盘的实物图，其通过三颗紧固螺栓与主机轮轮毂固定在一起。对其进行几何数据测量，得到其二维中心剖面图如图4所示。

3 刹车盘有限元模型

根据图4所测得的该刹车盘的几何尺寸数据，利用Solidworks三维建模软件进行几何模型建模，得到如图5所示的刹车盘三维模型。将该刹车盘三维模型以.igs格式导入到专业的网格划分软件Hypermesh中进行下一步的网格划分、材料属性添加、边界条件施加等，即可得到图6所示的刹车盘有限元模型。

该刹车盘有限元选用的网格尺寸为3mm，共有14348个节点，52586个Ctetra4单元组成。刹车盘的材料属性如表1所示。

由于刹车盘通过其帽部的三颗周向均匀布置的紧固螺栓与机轮轮毂相连，因此在该三个螺栓孔处和刹车盘帽部端面施加全固定约束，约束其三个平动和三个转动自由度。从而得到了该刹车盘的有限元模型。

4 刹车盘模态分析

模态作为物体的固有属性，可以反映物体在外界激励下的振动表现，同时也能表现其刚度水平。因此对上节建立的刹车盘有限元模型进行自由模态分析和约束模态分析。该功能通过添加EIGRL卡片来实现，选取前8阶模态进行分析。最后选择SOL 103 Normal Modes求解模块利用Nastran求解器进行模态求解。

得到的该刹车盘前8阶自由模态与约束模态结果如表2所示。

从表2的刹车盘前8阶模态分析结果可以看出，由于刹车盘为轴对称和中心对称的结构，因此有很多成对模态，即模态频率相同或相近，振型相同或相似，仅在相位上有差别。如自由模态的第1、2阶，第3、4阶等。且约束模态的振动频率由于约束的影响使得其均大于对应阶次的自由模态频率。对比对应阶次的自由模态与约束模态结果，可以发现，在前8阶中，二者模态的第1、2阶和第5、6阶振型相同，频率不同。但是其他阶次无论是频率还是振型，都相差较大。根据文献[6]的模态振型数字特征描述来看，自由模态的第3阶和第4阶均为（0，2）的周向模态，但是约束模态的却并无此阶模态；且约束模态的第7阶为（1，0）的周向模态，第3阶和第4阶为刹车盘的局部模态。可以看出，由于约束的添加，刹车盘的刚度增加从而使其各阶频率均大于对应的自由模态，且出现了自由模态前8阶所没有的模态振型。

5 结论

本文首先对某型单发活塞式飞机的主机轮进行了拆解得到了刹车盘模型，然后通过测量其几何尺寸数据得到了其三维模型，通过有限元软件Hypermesh进行了有限元模型建模，并利用Nastran软件进行了自由模态分析与约束模态分析。通过对结果进行对比发现，由于结构的对称性，其模态结果呈成对出现，及频率相同或相近，振型相差一个相位。而且自由模态与约束模态由于约束的添加在某些阶次的频率和振型均相差较大。本文的研究结果可以为后续的相关研究提供一定的模型基础和参考意义。

参考文献：

[1] 邓文波. 中国通用航空市场的现状与发展前景分析[J]. 科学技术创新， 2017（10）：62-62.

[2] 《中国通用航空发展报告2016-2017》发布[J]. 中国民用航空， 2017（7）：13-13.

[3] 林琳. 关于我国通用航空产业发展的思考分析[J]. 综合运输， 2017（8）：18-20.

[4] 常飞， 何永乐. 基于飞机刹车振动问题的研究[J]. 装备制造技术， 2013（1）：119-121.

[5] 张立军， 孙俊刚， 孟德建. 汽车前挡风玻璃结构模态的有限元建模与分析[J]. 汽车工程学报， 2014， 4（6）：402-406.

[6] 张立军， 权循宇. 制动盘几何特征对结构模态特性影响仿真分析[J]. 系统仿真学报， 2009， 21（19）：6256-6259.

[7] 王鈺栋， 金磊， 洪清泉. HyperMesh & HyperView应用技巧与高级实例[M]. 机械工业出版社， 2012.

[8] 王若平， 毛国威. 基于MSC.NASTRAN的城市客车模态分析[J]. 重庆理工大学学报， 2014， 28（4）：1-4.

【通联编辑：梁书】