姚晨熙，段富海，杨 光，胡 伟，韩东旭，季贤聪

（大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116023）

0 引言

飞机外部照明灯是现代飞机照明系统中重要的组成部分。相比于机内照明灯，受到风阻、外部振动等载荷作用，机外照明灯的工作环境更加恶劣[1]。因此对飞机外部照明灯壳体和基体的结构材料要求非常严格，需要满足高强度、高硬度、低密度、化学性质稳定、成本低等要求。现在机外照明灯的壳体材料多为铝合金材料，而使用高品质铝合金，存在异形件加工成型困难、成本高、重量大等问题。碳纤维复合材料则具有强度高、出色的耐热性、出色的抗热冲击性、低热膨胀系数、优秀的抗腐蚀性和比重小等优点。在生产方面热塑性碳纤维复合材料制备流程简单、生产效率高、材料比重小，因此以碳纤维复合材料代替铝合金材料已成为结构轻量化的一个研究方向[2-5]。本文设计了一种典型的机外收放式着陆灯装置，并分别以铝合金材料和碳纤维复合材料作为装置的结构材料进行有限元分析，论证碳纤维复合材料代替铝合金材料的可行性，同时对所设计的机械结构进行了拓扑优化。

1 收放式着陆灯结构设计

本文设计一种典型的飞机外部着陆灯，该着陆灯具有以下特性：

（1）灯光照明方向可实现0°～90°的旋转，0°处于关闭状态，90°处于工作状态；

（2）着陆灯处于关闭状态时，装置外部结构形状与飞机外形吻合，减少阻力；

（3）装置满足强度、刚度和寿命要求，在额定工作载荷内不会失效；

（4）整个装置具有良好的加工工艺性，并且装配和维修方便、快捷。

飞机着陆灯的灯源已有行业标准，对形状和尺寸有一定的规定，本文设计根据标准选择ZLF28-600L型灯源[6]。为保证飞机着陆灯运动机构占用空间小、结构简单易维护、运动位置准确，选择齿轮作为装置的传动机构，以电动机作为装置原动件，以转杆为执行机构带动灯源实现0°～90°范围内的转动[7]。设计着陆灯壳体如图1所示，装置基体如图2所示。

图1 着陆灯壳体

图2 装置基体设计

使用三维建模软件对着陆灯三维建模，检查整个着陆灯装配体模型有无干涉，装配模型如图3所示。

图3 着陆灯装配模型

2 着陆灯结构的有限元分析

2.1 基于铝合金材料

使用有限元仿真软件Workbench对模型添加铝合金材料属性后，划分网格如图4所示。按照着陆灯实际安装情况，并根据式（1）计算阻力，添加约束和载荷。

式中：A为受风阻面积，m2；Cμ为风阻系数，其与形状有关，这里Cμ取1；v为着陆灯工作时飞机的最大速度，m/s。

图4 网格划分及载荷约束设置

计算得到静力学分析阻力为300 N，作用在上壳体和着陆灯表面[8-10]。最终求解结果如图5所示。

通过图5可知，所设计的典型机外着陆灯模型在静力学条件下，总变形最大处为0.774 mm，装置最大应力为247.7 MPa，安全因子为5.08，满足材料强度要求和装置变形要求。

图5 基于铝合金材料的有限元仿真结果

2.2 基于碳纤维复合材料

碳纤维复合材料的静力学分析与铝合金基本相同，只是材料的定义方法不同。复合材料分析采用复合材料结构力学，创建的材料力学属性[10]有弹性模量E=1 373.15 MPa、抗拉强度 σb=1 471 MPa、泊松比 μ=0.28、密度 ρ=1.45 g/cm3。

通过仿真分析得到碳纤维复合材料机外着陆灯模型的总变形、应力如图6所示，碳纤维复合材料和铝合金材料的结果对比如表1所示。

图6 基于碳纤维复合材料的有限元仿真结果

表1 基于铝合金材料和碳纤维复合材料的仿真结果对比

通过分析对比结果可知：碳纤维复合材料的模型总变形、应力云图的分布情况优于铝合金材料；以碳纤维复合材料作为壳体材料，减小了装置的总变形，总变形减小可以保证着陆灯灯光分布的准确性；两种材料的应力云图的应力大小范围几乎相同，分布情况相同；碳纤维复合材料的安全因子明显大于铝合金材料，相同外力作用下碳纤维复合材料的安全程度更高，可以承受更大的外部载荷；碳纤维复合材料的装配体较铝合金材料重量降低25.6%，单独零件重量可降低45.8%。

图7 着陆灯模型的拓扑结构优化

3 机外着陆灯拓扑优化

轻量化设计是机外着陆灯的设计目标之一。使用Shape optimization分析程序对机外着陆灯零件进行拓扑优化设计。优化设计首先选择Shape optimization分析程序，然后添加材料、零件接触设置，设置分析参数。求解完成后，分布如图7(a)、图7(b)所示。其中红色表示可以去掉的部分，黄色表示中间过渡部分，黑色表示零件剩余部分。优化后可查看零件切除材料后的结构视图，去除多余材料后的零件如图7(c)和图7(d)所示。根据拓扑优化模型修改原来的零件模型，修改后的着陆灯下壳体和基体模型如图8所示，新旧零件的质量如表2所示。

图8 优化后基体和壳体模型

表2 优化前后模型质量对比表

表2列出了优化前后壳体和装置基体的质量，优化前后质量分别下降了15%和17%，拓扑优化降低了结构质量。理论和经验表明，飞行器结构质量减低30%，飞机耗油量会减少7%～15%，因此对装置进行拓扑优化减轻装置重量有很大的经济效益。

4 结束语

本文设计了一种经典的飞机着陆灯模型，并分别对模型的铝合金属性和碳纤维复合材料属性进行有限元分析，通过分析结果可知：碳纤维复合材料的模型总变形、应力云图的分布情况优于铝合金材料；碳纤维复合材料的装配体较铝合金材料重量降低25.6%，单独零件重量可降低45.8%。通过静力学分析，可确定碳纤维复合材料在静力学强度方面优于铝合金材料，并且可以大幅度减轻着陆灯装置的重量。因此，在静力学方面碳纤维复合材料可以代替铝合金材料，并且机械性能更好。本文最后通过拓扑结构优化进行轻量化设计，使得壳体和装置基体的质量在优化前后分别下降了15%和17%。