飞机着陆过程中航空轮胎的力学性能分析

李彦斌，吴 健，安 爽，粟本龙，王友善

[哈尔滨工业大学（威海）橡胶复合材料与结构研究所，山东 威海 264209]

航空轮胎是飞机的重要部件，主要用于飞机的起飞和着陆过程。航空轮胎结构复杂，主要有橡胶基体、骨架材料等，且生产工序繁多。同时航空轮胎使用条件严苛，具有负荷大、速度高、频率大、变形大、胎压高、温升大等特点。着陆阶段是飞机发生安全事故的高发阶段。

为探究飞机着陆过程中的实际工况与边界条件，国内外研究人员展开了丰富的研究。T.NIEZGODA等[1]在建立起落架动态特性数学模型的基础上，提出了起落架的数值模型。J.PYTKA等[2-4]利用车轮力传感器测试了作用于起落架轮胎上的力和力矩，并开发了应用于飞机起落架测试的轮式测功机。R.K.SCHMIDT[5]针对飞机起落架用轮胎的合理选择进行了研究。

由于航空轮胎的复杂性，开展实际航空轮胎试验研究成本极高，因此开展橡胶试样级的试验成为极佳选择。H.GUO等[6]利用开发的有限元模型，评估飞机试验轮胎的性能和安全标准，其中涵盖了不同飞机着陆质量和垂直速度下从软着陆、硬着陆到碰撞着陆的轮胎加载场景。A.K.KONDÉ等[7]提出了一种建模和预测飞机轮胎的滚转和偏航行为的方法，同时通过试验测试橡胶性能。D.CHEN等[8]从理论和试验两方面研究了不同滑动速度对胎面胶料摩擦学行为的影响，利用ABAQUS软件建立了橡胶试样摩擦温度和热力耦合模型。

此外，国内外专家学者对整个使用周期下航空轮胎行为也展开了深入研究[9-14]。A.P.IVANOV[15]提出了轮胎滚动近似模型，该模型考虑纵向和横向滑动耦合以及由弹性力引起的纺丝和变形状态。A.A.KIREENKOV等[16]考虑了气动轮胎准静态变形有限元模拟得到的接触压力分布，并研究了结合运动学的干摩擦模型。P.WU等[17]提出了一种新型的基于地面动力的起降系统。Y.LI等[18]为了研究飞机轮胎在着陆时产生的热量，分别搭建了起落架与道面接触模型、摩擦采样点模型以及有限元分析模型。

本工作针对着陆过程中航空轮胎的力学性能展开研究，以实际着陆工况为边界条件，探索航空轮胎内部结构与材料性能，以助力我国大飞机产业和国产航空轮胎研究。

1 橡胶材料高速摩擦试验

硫化是橡胶材料加工的主要工艺之一，橡胶硫化要求在一定的压力、温度、时间等条件下进行。本次橡胶材料高速摩擦试验主要分为滑动摩擦试验和滚动摩擦试验两种。滑动摩擦试验选用块状试样（见图1），滚动摩擦试验选用轮状试样（见图2）。两种试样均选用11种不同类型的胎面材料原胶，采用如图3所示的模具，通过平板硫化机硫化，硫化条件为151 ℃/10 MPa×60 min；主要工艺流程为：预成型橡胶料坯分组编号→料坯下料→模具预热→硫化参数设定→硫化→冷却成型等。滑动摩擦试验等效为模拟飞机全制动工况，滚动摩擦试验等效为模拟飞机自由滑动过程。

图1 块状试样

图2 轮状试样

图3 模具

在高速摩擦机上，分别使用块状和轮状试样夹具进行高速摩擦试验，块状试样主要参数为：主轴转速710 r·min-1，接 触压强 1.6 MPa，夹具载荷 270 N，试验时间 3 s；轮状试样主要参数为：主轴转速 1 420 r·min-1，接触压强 0.8 MPa，夹具载荷 170 N，试验时间 2 min。

夹持检测机构在电动机的带动下沿导轨移动，使试样与砂轮接触后，马上启动砂轮主轴转动，进行摩擦测试。此时，三向力传感器采集到的X，Y，Z方向的力值被实时采集记录。测试时间达到设定值后砂轮停转，试样通过电动机带动脱离砂轮，测试结束。整个试验过程采用相同的试验条件，并及时保存各个编号试样的力学信息。最后通过计算机记录并分析数据。

2 着陆过程航空轮胎有限元仿真建模

2.1 典型航空轮胎结构

航空轮胎包含胎面、冠带层、缓冲层等。图4所示为一种典型的航空轮胎结构。

图4 航空轮胎结构示意

2.2 着陆过程仿真模型的建立

图5所示为某型号大型飞机机轮分布，该型号飞机拥有2个前轮和4个后轮。飞机着陆时一般后轮先接地，在理想状态下，一般认为4个后轮同时接地。着陆过程单个主起落架轮胎垂直力随时间分布曲线见图6。由图6可得，飞机着陆过程冲击区间内，从轮胎接触地面到0.3 s时，轮胎受到200 kN的最大垂直力。

图5 某型号大型飞机机轮分布示意

图6 着陆过程单个主起落架轮胎垂直力随时间分布曲线

利用TYABAS有限元软件对航空轮胎各层材料进行网格划分，设定边界条件和材料参数等。利用ABAQUS建立某型号航空轮胎的二维有限元模型，如图7所示，二维模型共有6 185个节点、3 735个CGAX4H单元，并在内衬层加载1.53 MPa压强使得轮胎充气。而后，将二维模型旋转为三维模型，如图8所示，三维模型共有465 240个节点、281 128个CGAX4H单元，并设置地面，其中地面对轮胎底部压力为200 kN。

图7 航空轮胎的二维有限元模型:

图8 航空轮胎的三维有限元模型

3 结果与讨论

3.1 高速摩擦试验

图9所示为块状试样和轮状试样磨损率和摩擦因数。由图9（a）可得，4#块状试样比较耐磨，10#块状试样次之，而1#块状试样则易磨损。由图9（b）可得，轮状试样整体磨损量较小，3#和4#轮状试样摩擦因数相对较大。

图9 试样磨损率和摩擦因数

图10和11分别为块状试样和轮状试样高速摩擦试验前后表面形貌对比。由图10和11可见：高速摩擦对橡胶材料表面形貌影响极大；块状试样的滑动摩擦表面产生明显的划痕，由于高温摩擦生热橡胶表面有明显灼伤；轮状试样的滚动摩擦表面粘着部分橡胶且表面产生部分凹坑。

图10 块状试样摩擦试验前后形貌对比

图11 轮状试样摩擦试验前后形貌对比

3.2 橡胶基体材料的应力和应变

通过分析ABAQUS软件后处理模块，可以得知航空轮胎各层橡胶基体材料在加载过程中力学性能变化趋势，主要分析了最大Mises应力和最大主对数应变。航空轮胎基体材料各部位在不同边界负荷下的力学性能变化趋势见图12。由图12可见，钢丝圈包胶最大Mises应力相对最大，胎体胶最大主对数应变相对最大；整体上呈现负荷越大轮胎越容易失效的趋势。

图12 航空轮胎基体材料各部位力学性能变化趋势

4 结论

飞机着陆过程是航空轮胎容易发生失效的阶段。本工作以航空轮胎为研究对象，研究着陆过程中航空轮胎的力学性能，通过开展高速摩擦试验，揭示胎面材料摩擦规律。同时，建立航空轮胎有限元模型，在一定条件下，分析航空轮胎结构力学性能。主要结论如下。

（1）航空轮胎摩擦主要发生于胎面材料，胎面材料对摩擦行为影响极大，高速摩擦会使得橡胶材料表面产生明显伤痕。

（2）不同负荷对航空轮胎力学性能影响不同，整体上呈现负荷越大，越容易失效的趋势。易发生应力、应变失效的部位有钢丝圈包胶、胎体胶等。