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某民用飞机主起落架舱门强度校核与结构优化

2017-07-31陈凯帆

科技视界 2017年8期
关键词:舱门起落架复合材料

陈凯帆

【摘 要】起落架是民用飞机的一个重要部件,而起落架舱门可以在起落架收起时保证起落架免于暴露在空气中,并且保持飞机的气动外形,也是不可缺少的部件。本文针对某民用飞机主起落架舱门,在最严重气动载荷工况下对其进行有限元分析,并且根据分析结果对舱门进行进一步优化,结果表明优化后的舱门结构强度性能得到了提高。

【关键词】起落架;舱门;复合材料;静强度

0 引言

随着我国经济水平的提高,国内航空市场对于民用飞机的需求也越来越大,同时也对于飞机的设计提出了更高的要求。其中飞机的起落架是民用飞机实现起飞和降落功能的重要部件,而在飞机飞行过程中,飞机需要保证一个特殊的气动外形,所以起落架需要收起在机身或者机翼内,此时就需要起落架舱门来保证起落架免于暴露在外,并且还可以维持飞机的气动外形。所以起落架舱门不仅需要能够正常开启和关闭,以满足起落架正常收放与调试要求,而且还需要承受飞行载荷并维持飞机结构的完整性。本文通过有限元软件,对起落架舱门进行强度校核,并且根据分析结果对其进行结构优化。

1 舱门结构方案

在机身左右两侧都布置有主起落架舱门。单侧主起落架舱门是由3扇舱门组成,主要为内舱门、中舱门、外舱门。内舱门位于机身翼身整流罩底部,使机轮免于暴露于机身外,维持气动外形。内舱门主要由门体,前、后接头,上位锁,轮胎摩擦带,密封件组成。中舱门与起落架立柱相连接,其关闭后,维持机翼下壁板的气动外形。中舱门主要由门体、杆端件、密封件、调节板组成。主起舱门中舱门处与起落架相连的连接部分是利用杆端件与起落架立柱接头相连。

外舱门位于机翼下壁板,其主要作用是封闭起落架耳轴,使其免于暴露与机翼下壁板影响气动外形。外舱门主要由门体,前、后接头、拉杆接头,密封件组成。

材料方面,起落架艙门将使用复合材料[1]来代替金属材料。先进复合材料具有比强度高、比模量大、材料的刚度和强度可设计,抗疲劳、抗腐蚀性好及优良的减振特性等优点,以及优越的整体固化成形工艺性,将其用于飞机结构上,可比常规的金属结构减重 25%~30%,并可明显改善飞机气动弹性特性,提高飞行性能,这是其他材料无法或难以实现的。先进复合材料的应用,对飞机结构轻质化、小型化和高性能化起着至关重要的作用。

对于主起落架舱门,其主要由蜂窝夹层、织物面板和5个金属接头耳片组成,金属接头主要通过连杆完成与起落架的连接功能。为了保证舱门在承受气动载荷时不受破坏,需要对其进行强度校核。

2 舱门的有限元分析

本文首先采用HYPERMESH软件建立舱门的三维几何模型,然后再采用NASTRAN软件对结构进行有限元分析。为了确保计算结果的可靠性,需要选择舱门最严重工况进行计算,计算对象包括织物面板、蜂窝夹层,并提取相对应的支反力对金属接头耳片和金属拉杆进行工程算法计算。

2.1 有限元模型的建立

根据舱门的受力特点,对实际结构进行简化,对舱门蜂窝夹芯使用实体六面体四面体混合单元,上下织物面板简化为偏置壳元,5个金属接头使用六面体单元划分,接头与面板连接的螺栓单元简化为CBEAM单元,接头连杆也建立为1D单元,所有连接皆使用RBE2单元来模拟真实的连接情况。

根据结构实际受载情况,在有限元模型中定义位移和载荷边界条件如下:舱门的5个拉杆约束点均限制x、y和z向三个平动位移,转动位移均不约束。载荷采用PLOAD4将气动载荷加载到舱门内外面板单元上,单元的压强取距离最近的测压点数值,载荷方向垂直于面板与实际情况一致。最后根据每一个部件的材料,在软件中对其附上材料属性值,即可进行有限元分析。

2.2 有限元分析结果

在nastran中采用101线性求解器进行求解,得出舱门的强度计算结果。结果表明舱门织物面板的拉伸应变、压缩应变、剪切应变都满足强度要求,蜂窝夹层的压缩应力满足强度要求,但是蜂窝夹层两个方向的剪切应力不满足强度要求,如表1所示。

同时在有限元结果中提取出舱门上5个金属接头的支反力,如图1所示,其中1、3、5号连杆为CROD单元,2、4号连杆为CBEAM单元,然后对金属接头和接头连杆用工程算法进行强度校核,结果表明2号接头连杆的强度裕度只有-0.2,其他部件都满足强度要求。

3 舱门结构优化

根据上一章节的强度评估结果可得,主起落架舱门在最严重气动载荷工况下,强度不满足要求,故需要对其进行结构优化。

针对2号接头连杆强度不足问题,通过图1中的支反力结果,可以发现2号连杆上出现了很大的侧向载荷(x,y方向),而2号连杆的半径只有5.5mm,所以2号连杆不能承受住如此大的弯力,而且由于空间问题,无法加粗加强2号接头连杆,所以无法从该角度进行结构优化。接着从载荷的角度分析,舱门所受的气动载荷都是垂直于舱门表面(z向),那么接头上是不应该出现如此大的侧向载荷,所以需要寻找此侧向载荷的源头。通过研究分析,1号、3号接头连杆方向不垂直于舱门表面,有一个较大的倾角,虽然表面上这两根连杆所产生的侧向载荷可以互相抵消,但是通过NASTRAN产生的f06文件中可以算出舱门的压心位置,其并不位于1号与3号连杆接头的位置之间,所以这两根连杆所产生的侧向载荷并不会相互抵消,而是会相互叠加,所以为了受力平衡直接导致了2号接头承受了很大的侧向载荷,同时间接导致了蜂窝的剪切裕度为负数。所以最后的优化方案为:由于舱门与起落架所连位置不可改变,故移动1号、3号金属接头位置,使得这两根连杆垂直于舱门表面。

将优化后的新模型重新进行有限元计算,结果表明该舱门结构满足强度要求。针对之前的舱门结构的有限元分析结果,蜂窝夹层的两个方向剪切应力都满足强度要求,如图2、表2所示。

同时在结果中提取出5个金属接头的支反力,如图3所示,可以发现2号接头上的侧向载荷很小,经计算其强度裕度为0.7,满足强度要求。

故主起落架舱门满足强度要求。

4 结论

本文建立了主起落架舱门的有限元模型,计算得出舱门部分部件的安全裕度为负值,不满足强度要求。然后根据有限元分析结果对舱门进行结构优化,并重新进行有限元计算,计算结果表明舱门满足强度要求。

【参考文献】

[1]中国航空研究院.复合材料结构设计手册,航空工业出版社,2001.11.

[责任编辑:朱丽娜]

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