飞机起落架扭力臂结构设计分析与仿真优化

施嘉俊

摘要：飞机起落架是飞机停止起落和滑动运行过程中的非常重要的支撑机械装置，保障飞机行进登乘人员安全重要地位。本文主要根据现有飞机起落架结构，建立飞机起落架扭臂的结构三维数字化模型，分析扭臂的载荷特点及受力分析，检验起落架的各组件间的联动关系的合理性，进而优化设计。

关键字：飞机起落架扭力臂;数字化模型;有限元分析

1.前言

随着科技领域某些尖端难题的重大突破，国际社会矛盾激化和军事竞争竞争的愈演愈烈，以及民用飞机的日渐崛起，航空业在国家发展战略上占有举足轻重的地位。航空航天领域主要两方面的发展和强化，其一是以军事战略及军用航空用品方面的工业发展及工业发展，这方面可以保障国家航空领空的安全，已经解决国事领空及国家领土争端问题，军事航空领域的强弱，威胁着国家的存亡，是国家立足国际之本，是国家发展战略的重中之重的地位。其次就是以军事民用相融合的工业生产，从军用和民生方面解决人民群众美好生活的期许和愿望。因此，航天航空业尤其军用民用飞机的研制优化，以及航空航天的武器装备及其附属部件的研发设计、创新优化、建模制造等等都是一个国家航空航天领域力量的强大的重要象征和能力体现。航天航空军用武器的的先进性设计、先进性制造、先进性维修等一体化的要求更快速更精准更智能的产出和应用。在制作世界顶级的航空航天武器设备同时，还要保证设备及其附属机械装置的可靠性及延长使用生命周期并保证安全，也是这方面研究的重要方向。

飞机起落架是飞机的重要辅助装置，在飞机起飞和着陆关键运行过程中，承担着飞机安全飞行与降落的重要安全保障。目前飞行器的研发方向是向着最具安全性、最轻重量、最紧凑结構型等方向需求较多，飞机起落架在承力、滑跑、起飞、着陆、刹停，转弯等过程中起着关键安全作用。起落架是由前起落架和主起落架两部分组成，目前起落架配置形式分为前三点式、后三点式、自行车式、多支结合点式等，如图1所示。按按照起落架的结构分为：桁架式、梁架式、混合式，小车架式等。其中梁架式起落架是根据支柱梁的支撑形式区分简单支柱式、撑杆支柱式，摇臂式和外伸臂式等较多种结构形式。

2.飞机起落架扭力臂分析与设计

2.1飞机起落架扭力臂结构

飞机起落架扭力臂系统结构由五个零件组成，其中防扭臂有上下两个组成，衔接销轴有三个，上下扭力臂都需要固定加强板筋固定衔接到对于腔或主体中，见图2所示。起落架结构中还有承受落地等外力的受力柱，落地时候的减震器，这两者合在一起就是减震支柱;另外还包含扭力臂、刹车装置系统、滑动机轮等部件，当放下并锁时候空间杆装置需要承受和传递机轮上的集中合力，这样就可以便于松锁时候进行叠起和垂放。上下扭力臂链接通过支柱和空腔间的缩动进行缓冲和减压，各轴销间在飞起和落下是都需要固定一定的角度之间，以避免出现受力问题。

2.2起落架扭力臂受力载荷计算

飞机起落架的扭力臂的载荷受力分析，需要根据原始设计手册和实际的工程情况的具体数据和结构分析，飞机起落架的受力载荷情况分析需要以下内容：

（1）受力载荷受力类型分析，这部分的受力载荷主要是着陆过程中起落架收到的撞击受力载荷，而这个受力载荷可以分解成为运动航向的受力载荷和垂直方向受力载荷两个分量，既可以通过受力分析进行求得受压压强及压力的表达式。

（2）受力载荷计算

下扭力臂固结于缓冲支柱活塞杆的下扭力臂支座孔，而活塞杆和机轮连接，机轮的轮胎直接承受来自地面的冲击载荷，因此对扭力臂载荷的计算就简化到轮轴上进行计算，而计算机受力载荷需要在飞机设计结构及起落架结构等重要的一些参数，其中包括：最大设计的起飞重量、着陆过程中的最大重量、着陆重量、着陆是动力功、起落的功能储备量、缓冲系统吸收的最大功能、起落架垂直过载受力载荷值，扭力臂转矩及传递力等众多计算参数合力分析。

2.3飞机起落架扭力臂数字化建模

机械制作模型可以采用CAILA环境进行建模。起落架扭力臂建模的过程为两个步骤：

第一：首先进入建模环境选择建立扭力臂，然后在模型零件中选取并配置的模型，并要设计扭力臂和销腔装备设计。

第二：整体装备设计，建立起落架扭力臂组合整合模型，然后进行整体流程测试仿真。

2.4扭力臂结构数学模型

（1）本文主要研究飞机起落架扭力臂在体积与重量的最佳值模型，结构设计是考虑在满足材料应力极限的变形条件下，在满足扭转变形所规定的扭矩载荷条件下，在结构方面进行优化设计计算分析，探索体积与重量的最佳值模型。其目标函数和约束函数的关系用拉格朗日函数表示为：

根据公式（3）及单约束问题，公式（4）及多约束复杂问题，从公式（3）到公式（4）可以采用迭代法从起始点逐步优化，扭力臂结构优化设计数学模型，本型号的起落架扭力臂装配体由五个零件组成，在仿真分析时会占用大量的计算机内存，还会对主要的研究项目带来一定的影响，因此，有必要对模型进行简化，以满足仿真分析。

3.起落架扭力臂模型仿真与优补

在建模软件中建立起落架扭力臂模型，需要进行设计模型变量、模型参数，上面两个数据需要前期的研发的仿真结果，通过修改和优化变形参数、等效应力参数等众多因子，才能保证扭力臂缓冲器的减震功能和扭力臂的角度及受力合理。并要设计约束变量修改目标函数的参数，进而可以通过扭力臂模型脚在扭矩的受力负荷，通过求解建模，如图2，扭力臂模型连接图，图3某组件负荷受力图。

扭力臂优化后需要对五个组件进行优化修改，上扭臂优化四边形腔体及筋板，设置通孔保证扩减和分散应力。下扭力臂修补通过设置下腹板区域，通过拉伸处理来减少和扩减集中的赢利。销轴修补需要在轴壁上增加台阶轴数，减少轴端面厚度等。通过以上的局部组件的优化，然后在将优化后的扭力臂与优化前的扭臂分析对比，通过产生的上下扭力臂的加速度曲线图、平移受力曲线图、各组件功能曲线图、轴销受力载荷曲线图、轴销受力加速度曲线图、整体综合受力曲线图和效应变换图等。通过这些对比及分析不足，然后在进行参数修改和仿真，最终达到目标设计要求。

4.结束语

飞机起落架扭力臂的优化设计和结构优化设计根据具体的机型和载重负荷等多因素综合进行，本文研究的结构优化首先根据前期素材和进行优化建立扭力臂的三维数字化模型，然后对模型再次进行了动力学和有限元静力学仿真分析，根据仿真分析结果对扭力臂各组件从多方位进行结构优化，对优化后的扭力臂的运动特性、动力性能、应力分布进行需求比较，可以应用工程实践。再扭力臂设计优化还可再以下多方面进行：（1）根据起落架的三维建模模型，可以对缓冲介质进行优化，可以大大减小扭力臂的应力;（2）通过构架整机增加外筒以及活塞联动杆，以检验和测试理论设计。（3）建立起落架有限元模型，对扭力臂的非线性的有限元静力、非线性材料等研发仿真，以优化应力等算法模型。（4）起落架扭力臂非正常情况下如断裂扭曲等内在机理问题深入刨析改进。通过持续优化和改进才能达到更理性和实际实用，并确保安全航行。

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