潘虹

摘 要：機輪輪轂受力是衡量飛機機輪質(zhì)量的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。隨著有限元分析法的不斷發(fā)展，能對輪轂受力進行更好的分析，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進行更好的優(yōu)化。本文介紹了有限元分析法，通過分析輪轂的結(jié)構(gòu)及受力，研究了輪轂受力的有限元分析和輪轂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：飛機機輪；輪轂受力；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

機輪是飛機身上重要的組成部分。飛機無論是在起飛還是降落的時候，飛機機輪都承載了非常巨大的沖擊力，承受著非常高的溫度。機輪輪轂受力是衡量飛機機輪質(zhì)量的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。飛機機輪的結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，因為要嚴(yán)格控制誤差，設(shè)計的難度比較大。隨著有限元分析法的不斷發(fā)展，能對輪轂受力進行更好的分析，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進行更好的優(yōu)化。

一、有限元分析法

在科學(xué)界，無論是解決力學(xué)問題，還是解決物理問題，人們都要面臨精確度問題?？茖W(xué)家為了解決這個問題，經(jīng)過不斷努力找到了數(shù)值解法。數(shù)值解法逐漸成為求解科學(xué)技術(shù)問題的重要工具。傳統(tǒng)的數(shù)值解法都存在只限于幾何形狀規(guī)則的問題。于是科學(xué)家有找到一種新的數(shù)值解法——有限元法。有限元法是利用計算機進行的一種數(shù)值近似法，對連續(xù)問題進行單元離散，每個單元都有一定數(shù)目。一般的求解區(qū)域都是連續(xù)著的，對這些求值區(qū)域進行離散，分為幾個按規(guī)則聯(lián)合的單元組合體，從而把無限的問題變成有限的問題，連續(xù)求得近似解，最好求得精確解。在分析復(fù)雜的問題或結(jié)構(gòu)時，有限元法是非常有效的工具。可以說在數(shù)值方法研究領(lǐng)域，有限元法是重大的突破和發(fā)展。有限元法在各技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

二、輪轂的結(jié)構(gòu)及受力分析

輪轂結(jié)構(gòu)在整體上是軸對稱的，這樣的結(jié)構(gòu)便于安裝輪胎。一般車輪在工作的情況下，剎車裝置和橡膠輪胎都是必須要安裝的，前者應(yīng)安裝在輪轂的內(nèi)部，后者應(yīng)安裝在輪轂的外部。有三種力作用在輪轂上，分別是充氣力、徑向力和側(cè)向力。輪轂受充氣壓力，在輪胎內(nèi)氣壓的影響下，壓力在輪緣的根部產(chǎn)生，形成較大的正應(yīng)力。一般輪胎的充氣壓力為0.765Mpa。輪轂受徑向力，飛機子著陸時輪轂是一種沖擊狀態(tài)，這時候會出現(xiàn)徑向力。輪轂受側(cè)向力，飛機著陸時，由于徑向力和充氣壓力的共同作用，輪胎自然會發(fā)生變形，產(chǎn)生一種變形力。這種力通過輪胎作用在輪轂上，在輪轂上上從產(chǎn)生了側(cè)向力。側(cè)向力又分為向內(nèi)側(cè)向力和向外側(cè)向力。飛機在地面進行轉(zhuǎn)彎，或飛機進行側(cè)偏著陸時，這時候輪轂會承受向內(nèi)側(cè)向力。在這種壓力的影響下，不僅機輪腹板的內(nèi)緣會產(chǎn)生很大的應(yīng)力，而且減輕孔的圓角處也會產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，還有輪承支座也會產(chǎn)生應(yīng)力。由于輪轂結(jié)構(gòu)不對稱，比如是單復(fù)結(jié)構(gòu)，這時候側(cè)向力會朝著固定輪緣，從而產(chǎn)生向外側(cè)向力。在這種力的作用下，固定輪緣和活動輪緣所受的力與一般情況正好相反?；顒虞喚壟c腹板的距離要小于固定輪轂與腹板的距離。受向外側(cè)向力的影響，懸臂梁結(jié)構(gòu)揮會發(fā)生變化，彎矩擴大。

三、輪轂受力的有限元分析

（一）邊界條件和施加載荷

無論飛機在什么工況下，相對位移是不會在機輪軸和輪轂內(nèi)側(cè)發(fā)生的。輪轂內(nèi)側(cè)和輪承之間應(yīng)該有一個接觸節(jié)點，因此這個節(jié)點就可以視為邊界條件，成為固定約束。在這個邊界條件的范圍下，研究剖面的位移約束。實踐載荷主要研究輪轂主要受的四個力。一是機輪受充氣壓力。載荷要均勻的分布，要等效的分布，向輪緣根部的方向加載載荷。二是徑向載荷。向徑向力施加載荷的關(guān)鍵是找到施加載荷的節(jié)點，這個節(jié)點一般在輪緣截面的二分之一處，也就是半周上。在半周上找一百八十一個節(jié)點，要計算出每個節(jié)點的受力，這就需要進行積分計算。三是向內(nèi)側(cè)向力載荷。通過計算得出節(jié)力點受力的明確結(jié)果，這時候仍要按照余弦分布，把經(jīng)側(cè)向載荷作用在節(jié)點上。四是向外側(cè)向力載荷。同內(nèi)側(cè)載荷一樣，先把結(jié)果計算出，按余弦分布把經(jīng)側(cè)向載荷作用的節(jié)點上。

（二）數(shù)據(jù)結(jié)果分析

對收集的數(shù)據(jù)結(jié)果，用有限元法進行計算?？梢缘贸鲆韵鹿r：一是充氣壓力工況，飛機機輪輪轂的兩端，在其根部的具有較大的應(yīng)力值，輪胎充氣壓力不會使輪轂變形。二是徑向載荷工況，在打氣空的位置，應(yīng)力比較集中，隨著載荷的增加，輪轂會發(fā)生變形，而且固定輪緣一側(cè)發(fā)生的變形較大。三是經(jīng)側(cè)向聯(lián)合載荷，向內(nèi)側(cè)向載荷，由于輪轂與軸之間，軸與軸承之間，以及輪轂與軸承之間進行了有力的配合，輪轂形成了一個懸臂梁結(jié)構(gòu)，輪轂兩側(cè)的輪緣先開始變形，然后向腹板逐漸發(fā)展，變相區(qū)域也逐漸增多。四是經(jīng)側(cè)向聯(lián)合載荷，向外側(cè)向載荷，由于固定輪緣一側(cè)受壓，所以輪轂的變形主要發(fā)生在固定輪緣一側(cè)。干涉剎車裝置，可以有效避免變形過大。

四、輪轂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于輪轂結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)體的特點，所以優(yōu)化設(shè)計是基于這一特性，在輪轂的旋轉(zhuǎn)面上作的優(yōu)化構(gòu)形設(shè)想。同時，針對第五章中分也不宜過大的修型，且因為挖減重孔的步驟，修型后的輪轂應(yīng)當(dāng)能進行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分；減重區(qū)域如圖中黑粗線所標(biāo)出。輪轂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的難點在于，輪轂結(jié)構(gòu)的表面并不規(guī)則，細小尺寸與線段很多，基于solidworks軟件的分析特性，要想大規(guī)模的修型，勢必打亂其中點、線、面的編號，使得優(yōu)化過程無法進行。為此，筆者經(jīng)過分析，輪轂的外側(cè)輪轂由于要施加載荷，配合輪胎、軸承，挖打氣孔等，不宜改動，因此選在內(nèi)側(cè)輪轂進行結(jié)構(gòu)的修型處理。輪轂的外圈應(yīng)力水平較低，但已經(jīng)很薄，而且還要安裝動剎車片，所以在修型時，也只能很小心的處理。

五、結(jié)語

綜上所述，對飛機機輪輪轂的承受力進行分析，對飛機機輪輪轂的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，可以保證飛機的飛行安全。有限元法在飛機輪轂承受力研究和結(jié)構(gòu)物優(yōu)化中發(fā)揮了重要作用。

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