飞机刹车装置受力的有限元分析及结构优化设计

潘虹

摘 要 在飞机的刹车装置中，起落架是飞机的主要承受力量的结构，尤其是在飞机起飞降落以及在地面停放的时候，起落架都会承受很大的载荷，而此时飞机刹车装置上机轮轮毂的受力对于飞机机轮的质量是一个很重要的标准。通过有限元分析法，对飞机轮毂的结构及受力分析，从而对飞机的刹车装置的结构进行优化设计。

关键词 飞机刹车装置;轮毂受力;有限元分析法;结构优化

飞机的机轮作为飞机刹车装置的重要组成部分，在飞机的起飞或者降落的时候都会承担非常巨大的冲击力，在这个过程中还会产生很高的温度。在整个起落架系统中，每一部分的装置都起着重要的作用，尤其是飞机机轮轮毂的受力是衡量飞机机轮质量的一个重要标准，对于整个起落架系统而言，它的重要性也是不言而喻的。在飞机着陆地面滑跑的階段，飞机的刹车装置能够将飞机的动能转化为热能，从而减小飞机着陆滑跑的距离。通过有限元分析法对飞机的刹车装置以及起落架和飞机机轮进行受力分析，从而了解每个部件的受力情况，进而做出相关的结构优化，进行新产品的设计开发。

1关于有限元分析法的研究

在科学技术的研究领域中，研究者们常常会面临着许多力学问题和其他物理问题，虽然已经知道了他们所遵循的基本方法和相应的定解条件，但无论是解决力学问题还是解决物理问题，人们都会面临着精确度的问题，在工业的很多领域中，精确度都是一个非常重要的标准，科学家们为了解决这个问题，通过不断的研究得出了数值解法[1]。在近几十年来，计算机技术的快速发展，对于数值的运算提供了很大的帮助，而数值方法的应用也越来越广泛，越来越成为解决科学技术问题的重要工具。在科学界对于有限元法的定义可以理解为：有限元法是基于计算机而进行的一种数值计算方法，对于连续问题它能够通过有限数目的单元离散来近似，每个单元都有一定数目，其作为一种分析工具，对于复杂问题和复杂结构能够进行强有力的分析。目前在技术领域中，有限元法的应用已经十分的广泛，对于弹塑性结构动力学以及动力学问题，有限元法都能够计算出满意的结果。

简而言之，有限元的求解思路就是根据力学的相关原理，利用变分法将相关的方程建立应用到结构离散化的各个单元上，进而进行分析计算，得到每个单元的应变和位移，最后得出结构内部的应力、应变。近几十年来，有限元法的理论和应用都得到了不断发展，已经从弹性力学扩展到空间问题，分析的对象涉及的范围也越来越多，未来值得肯定的是，随着计算机技术、现代力学以及计算数学的发展，有限元法作为一种有效的数值分析工具，对社会经济建设和科学技术的发展都会起到很大的作用。

2国内外对于飞机刹车装置的研究现状分析

飞机刹车装置作为飞机刹车系统的重要组成部分，其核心部件是刹车副，刹车副决定着整个刹车装置的结构和性能。通过对刹车副的材料以及热学与力学的研究，可以对刹车装置的重量、性能和寿命进行一个很好的设计。相比较于早期飞机刹车盘的材料，在现代的先进飞机中其刹车盘绝大部分都是采用了更为先进的碳—碳复合材料，从而使得刹车盘的使用寿命更长，更加的稳定[2]。

在西方发达国家，很早就将碳—碳复合材料作为飞机的刹车盘的材料，已经基本取代了金属材料的刹车盘，所以早期的时候这种先进的技术都是被国外的大型跨国公司所垄断。国内对于这种先进材料的研究起步较晚，但经过十足的努力，我国关于碳—碳复合材料的刹车盘的研究也取得了很大的成果，碳—碳刹车盘现在也已经应用到我国军用飞机和民用飞机上。

对于刹车副温度场和受力的研究，我国相比较西方国家研究的起步较晚，从而西方的技术也相对的比较成熟一些。国内也有这方面的研究但是目前并不是很多，但也有部分学者做出了一定的研究内容，阐述了飞机刹车副制动过程中温度场的计算方法，讨论了边界条件和各相关参数的确定方法，对于摩擦材料物性参数对温度场的影响也做出了相关研究。

3对于飞机刹车装置的设计以及力学的分析

（1）对于飞机刹车装置的设计，是围绕其核心部件刹车副的设计展开的。根据刹车机轮的尺寸、轮轴尺寸、飞机的着陆刹车能量等参数进行刹车副的设计，根据相应的公式计算得到刹车副的机构参数后，对刹车副和刹车装置使用有限元分析法进行结构分析[3]。

（2）通过对刹车装置的刹车副的参数设计，根据相应的计算方法得出刹车能量，经过一系列的计算、比对，我们可以得知在飞机没有踩刹车时，动盘和静盘之间存在一定的间隙，需要将刹车盘的单盘厚度设定到一定的数值，以保证没有刹车阻力。

（3）对刹车副进行有限元分析的时候，由于飞机在刹车的过程中时间短且会产生非常大的能量，刹车盘在厚度和径向方向上会存在较大的温度梯度，因此会产生很大的热应力，这时需要分析刹车副温度场的边界条件。通过相关的计算公式和方法，对刹车副温度场进行一个有限元计算，得到刹车副的各个节点在不同时刻上的温度数值。

（4）通过对刹车副的热应力的计算分析，我们可以得到刹车盘热应力的一些特点。在刹车开始的初期，由于整体温度不高，而在摩擦面上产生了很大的热流密度，导致此时在摩擦盘厚度方向的温度梯度很大，所以其是引起热应力的主要因素。在刹车的中后期，刹车副内部碳—碳复合材料的导热率很高，此时外边界的热应力明显比内部大。在过程中我们还发现热应力的最大值比温度的最大值出现的较早一些。

4结束语

随着我国工业实力的不断发展，航空工业的发展也日新月异，对飞机的刹车装置进行有效的研究，有助于在飞机的生产过程中对相关结构进行不断的优化。以计算机为基础的有限元分析法在飞机刹车装置的研究上起到了十分重要的作用，其在军民两个领域都得到了广泛的应用。通过对飞机刹车装置相关的部件的承受力进行有限元分析，从而对飞机的相关结构进行优化，保证飞机的飞行安全。

参考文献

[1] 陈雨晨.基于ANSYS的飞机机轮轮毂受力分析与结构细节优化设计[D].南京：南京航空航天大学，2012.

[2] 韩建辉.飞机刹车系统的设计与性能仿真分析[D].南京：南京航空航天大学，2012.

[3] 简正柱.飞机制动过程中刹车副温度场的数值模拟研究[D].长沙：中南大学，2007.