唐　寧　劉敬禮

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基于有限元分析的起落架艙門載荷校準(zhǔn)方法

唐寧劉敬禮

起落架艙門載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)是起落裝置試飛過程中的關(guān)鍵性工作之一，但校準(zhǔn)試驗(yàn)件即鎖環(huán)底座尺寸較小，為有效的應(yīng)變改裝帶來困難。為確定合理的試驗(yàn)方案，采用有限元方法建立了鎖環(huán)底座有限元模型，對(duì)虛擬加載條件下的應(yīng)變改裝區(qū)域虛擬電橋響應(yīng)系數(shù)分布進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)改裝方案的優(yōu)化提供了量化依據(jù)。計(jì)算結(jié)果與校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，該方法具有較好的精度及可行性。

飛機(jī)載荷測量指在真實(shí)飛行條件下對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)所受外力的測量，是驗(yàn)證飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性，完成新機(jī)定型所必須的試驗(yàn)項(xiàng)目。目前載荷測量方法主要包括測壓法、應(yīng)變法及變形測量方法等，應(yīng)變法因其可行性及精度均能滿足實(shí)際應(yīng)用要求，被認(rèn)為是唯一標(biāo)準(zhǔn)通用的方法。應(yīng)變法具體實(shí)施可分為地面校準(zhǔn)試驗(yàn)及飛行載荷實(shí)測兩部分，其中校準(zhǔn)試驗(yàn)是載荷測量的基礎(chǔ)，其目的是得到應(yīng)變及載荷間的對(duì)應(yīng)關(guān)系即載荷方程，在得到飛行實(shí)測數(shù)據(jù)后，代入相關(guān)載荷方程可求得飛行載荷。

在某型機(jī)載荷試飛過程中，為測量飛行過程中關(guān)閉狀態(tài)下起落架艙門氣動(dòng)力，擬采用應(yīng)變法對(duì)艙門鉤環(huán)鎖鎖環(huán)底座進(jìn)行脫機(jī)校準(zhǔn)，為得到較好的試驗(yàn)效果，應(yīng)制定合理的應(yīng)變改裝方案，但鎖環(huán)底座結(jié)構(gòu)尺寸較小且機(jī)上空間狹小，采用多種方案同時(shí)測量的方法并不可行，而采用試錯(cuò)法則會(huì)造成試驗(yàn)時(shí)間及成本的增加，因此本文基于有限元方法，通過組建虛擬電橋并計(jì)算其響應(yīng)系數(shù)，確定合理的應(yīng)變改裝方案，并與校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。

鎖環(huán)底座結(jié)構(gòu)及受力分析

鉤環(huán)鎖是起落架下位鎖、上位鎖及艙門鎖的常用形式，其通過安裝在機(jī)體結(jié)構(gòu)上的鎖鉤將運(yùn)動(dòng)構(gòu)件上的鎖環(huán)鉤住，從而實(shí)現(xiàn)將運(yùn)動(dòng)構(gòu)件固定在所需位置的功能。起落架艙門鎖環(huán)底座結(jié)構(gòu)如圖1所示，在機(jī)上使用中，底座通過其底部四個(gè)螺栓孔固定于艙門結(jié)構(gòu)筋條上，底座上部通過鎖環(huán)與鎖鉤連接，鎖環(huán)與鎖環(huán)底座可拆卸分離。

在機(jī)上使用時(shí)，起落架艙門氣動(dòng)力經(jīng)底座經(jīng)安裝螺栓傳遞到底座兩耳片，再由安裝在底座上的鎖環(huán)傳遞到鎖鉤上達(dá)到平衡，鎖鉤載荷方向與底座安裝面呈90°角，為單向拉伸載荷。雖然受力情況較為簡單，但由于鎖環(huán)底座尺寸小，可進(jìn)行應(yīng)變改裝的區(qū)域面積小，且無法簡化成板、梁等力學(xué)模型，在缺少足夠分析依據(jù)的情況下，無法確定應(yīng)力集中區(qū)域范圍及定性的應(yīng)力分布，僅憑經(jīng)驗(yàn)布置應(yīng)變計(jì)可能導(dǎo)致較差的應(yīng)變響應(yīng)，因此對(duì)應(yīng)變計(jì)的有效布置提出了較高要求，這同時(shí)也是諸如作動(dòng)器拉板等小部件載荷標(biāo)定試驗(yàn)中均面臨的困難。

圖1　鎖環(huán)及鎖環(huán)底座結(jié)構(gòu)

圖2　鎖環(huán)底座及鎖環(huán)有限元模型

鎖環(huán)底座有限元模型

有限元模型的網(wǎng)格劃分的過程是將一個(gè)表示結(jié)構(gòu)或連續(xù)體的求解域離散為若干個(gè)子域即單元，并通過其邊界上的節(jié)點(diǎn)互聯(lián)成為組合體的過程，而單元類型的選擇要依據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，準(zhǔn)確的反映出與結(jié)構(gòu)的傳力特性，因此在模型及載荷位移邊界均合理的條件下，有限元方法為結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變量化分析提供了可靠基礎(chǔ)。

鎖環(huán)底座為空間三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，故采用體單元進(jìn)行有限元建模，單元類型主要為線彈性的16節(jié)點(diǎn)六面體單元以及8節(jié)點(diǎn)四面體過渡單元，有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

為模擬鎖環(huán)底座真實(shí)約束及受載情況，對(duì)有限元模型施加相應(yīng)位移及載荷邊界條件。因鎖環(huán)底座被將螺栓完全固定于艙門上，故將其安裝面下表面所有節(jié)點(diǎn)六向自由度均約束；載荷通過鎖環(huán)對(duì)稱的傳遞到兩耳片上，為對(duì)真實(shí)情況進(jìn)行模擬，在鎖環(huán)與耳片接觸部位設(shè)置了接觸單元，并在鎖環(huán)軸心直線所有節(jié)點(diǎn)上均施加垂直向上的節(jié)點(diǎn)力P/n，n為均勻分布的鎖環(huán)軸線方向節(jié)點(diǎn)數(shù)，P為所施加載荷量值。

圖3　應(yīng)變測量電橋電路圖

虛擬應(yīng)變電橋

載荷測量實(shí)際上是以應(yīng)變測量橋路所測得組合應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)，從而建立起載荷-應(yīng)變模型。一個(gè)典型的應(yīng)變測量電橋電路如圖3所示。

應(yīng)變的測量值是通過應(yīng)變計(jì)電阻改變從而引起電橋的輸出電壓發(fā)生增量ΔUg反映出來的，對(duì)全橋電路，輸入輸出電壓及應(yīng)變間的關(guān)系如下，S為應(yīng)變計(jì)靈敏度，對(duì)同型應(yīng)變計(jì)為定值：

基于上式，通過結(jié)構(gòu)受力分析，在結(jié)構(gòu)相應(yīng)部位的特定方向上布置應(yīng)變計(jì)并接入電橋橋臂，便可通過組合消除不利載荷，對(duì)軸力、扭矩及扭矩等載荷類型進(jìn)行測量。

一個(gè)星期后，斯通只身潛水進(jìn)入奧古斯丁聚水坑，去重新完成伊恩和肯尼中斷的探險(xiǎn)任務(wù)。中間集結(jié)營地有一支后援隊(duì)作好了準(zhǔn)備，他就游回到那充滿空氣的石室。為了紀(jì)念伊恩·羅蘭，探察隊(duì)已將這石室命名為“羅蘭氣鐘”。

在載荷測量中，為得到較為準(zhǔn)確的測量結(jié)果，一般要求應(yīng)變電橋布置在應(yīng)變響應(yīng)較大、應(yīng)力單向性好且遠(yuǎn)離應(yīng)力集中的區(qū)域，因此，應(yīng)變改裝部位、應(yīng)變計(jì)布置方向及組橋方式的確定有著重要影響。為量化評(píng)估這種影響，需對(duì)盡可能多的情況進(jìn)行考察，而有限元方法為這種評(píng)估提供了經(jīng)濟(jì)可行的手段。在有限元計(jì)算結(jié)果中，通過對(duì)可實(shí)施應(yīng)變改裝部位節(jié)點(diǎn)應(yīng)變的提取，可得到各節(jié)點(diǎn)的線應(yīng)變，及切應(yīng)變，在平面應(yīng)力條件下，對(duì)于在某一節(jié)點(diǎn)以角布置的應(yīng)變計(jì)，即方向應(yīng)變，以逆時(shí)針方向?yàn)檎?，其?yīng)變可通過上述三個(gè)應(yīng)變值進(jìn)行計(jì)算如下：

圖4　任意方向應(yīng)變推導(dǎo)示意圖

對(duì)如圖4所示矩形微元OAPB，兩邊長分別為dx及dy，則對(duì)角線OP長為：

綜上，可對(duì)各橋臂應(yīng)變計(jì)應(yīng)變值進(jìn)行計(jì)算，從而根據(jù)式（1）得到電橋輸出響應(yīng)，為后續(xù)電橋質(zhì)量評(píng)估及改裝方案的優(yōu)化提供依據(jù)。

基于響應(yīng)系數(shù)分布的應(yīng)變改裝方案優(yōu)化

對(duì)于鎖環(huán)底座，考慮到應(yīng)變改裝及機(jī)上恢復(fù)使用的可行性，擬在單側(cè)耳片外表面布置拉壓電橋， 而應(yīng)變片布置方向是影響應(yīng)變輸出的重要因素，因此應(yīng)選擇易于測量并確定的角度，據(jù)此，擬定以下兩種應(yīng)變改裝方案。

方案1：在外表面左右對(duì)稱位置處，分別布置垂直片并組成拉壓電橋，豎直方向應(yīng)變片與底邊成90°角，如圖5（a）所示。

方案2：在外表面左右對(duì)稱位置處，以平行于斜邊方向布置垂直片并組成拉壓電橋，斜邊與底邊角為63.5°，如圖5（b）所示。

對(duì)有限元模型施加單位載荷即P=1KN的總載荷，計(jì)算得到耳片外表面von-mises應(yīng)力分布如圖6所示，據(jù)此可得應(yīng)力集中影響區(qū)域，從而避免在該區(qū)域布置應(yīng)變計(jì)而影響校準(zhǔn)結(jié)果。

因耳片外表面法向力為零，為平面應(yīng)力狀態(tài)，故對(duì)該平面面內(nèi)應(yīng)變計(jì)算結(jié)果，及進(jìn)行提取。分別對(duì)方案1及方案2的電橋響應(yīng)系數(shù)分布進(jìn)行計(jì)算，因孔邊存在應(yīng)力集中，故選擇應(yīng)力變化平緩區(qū)域的節(jié)點(diǎn)。根據(jù)式（1）及式（7）得兩方案響應(yīng)系數(shù)分布分別如圖7（a）及7（b）所示，由于應(yīng)變計(jì)布置的對(duì)稱性，僅畫出單側(cè)分布，其中應(yīng)變?nèi)ˇ苔艦閱挝涣俊?/p>

根據(jù)圖7所示計(jì)算結(jié)果可對(duì)應(yīng)變改裝部位進(jìn)行合理選擇，為應(yīng)變改裝方案的優(yōu)化提供依據(jù)，實(shí)際校準(zhǔn)試驗(yàn)中在方案2的基礎(chǔ)上選擇如圖7（b）所示部位對(duì)稱布置了垂直應(yīng)變片，其應(yīng)變計(jì)中心位于a=0.53d，b=0.24l處，處在響應(yīng)系數(shù)范圍在28～38間的區(qū)域，之所以選擇該部位，是因?yàn)樵搮^(qū)域響應(yīng)系數(shù)分布較為平均、覆蓋面積大且響應(yīng)較好，而應(yīng)變計(jì)所得到的測量結(jié)果是應(yīng)變計(jì)基底覆蓋區(qū)域內(nèi)的均值，相對(duì)于響應(yīng)系數(shù)梯度較大的區(qū)域，布置在該區(qū)域可較好的驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。

圖5?。╝） 方案1應(yīng)變改裝示意圖

圖5?。╞） 方案2應(yīng)變改裝示意圖

圖6　耳片外表面von-mises應(yīng)力分布

圖7?。╝） 方案1響應(yīng)系數(shù)分布

圖7?。╞） 方案2響應(yīng)系數(shù)分布

圖8　校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)驗(yàn)證

校準(zhǔn)試驗(yàn)共進(jìn)行三個(gè)加載循環(huán)，施加拉向載荷，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果線性擬合得到響應(yīng)系數(shù)為32.11，與該區(qū)域所預(yù)測范圍28～38相符，對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)中所出現(xiàn)的進(jìn)回程數(shù)據(jù)不一致，可能的原因?yàn)樵囼?yàn)設(shè)計(jì)夾具的制造誤差導(dǎo)致的夾具與鎖環(huán)間的間隙，這在有限元模型中并未考慮。

結(jié)語

本文根據(jù)載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)特點(diǎn)，結(jié)合有限元方法，通過組建虛擬電橋并計(jì)算響應(yīng)系數(shù)分布的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)起落架艙門鎖環(huán)底座載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的指導(dǎo)及優(yōu)化，經(jīng)校準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，預(yù)測值與試驗(yàn)值較為吻合，證明了該方法的可行性。在后續(xù)諸如作動(dòng)器拉板等小部件載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)中均可采用該方法，為載荷校準(zhǔn)試驗(yàn)方案的制訂提供了新的途徑。

唐 寧 劉敬禮

中國飛行試驗(yàn)研究院

唐寧，男，碩士，中國飛行試驗(yàn)研究院，主要研究方向?yàn)轱w機(jī)載荷強(qiáng)度。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.01.013