龍小輝

(中國(guó)民航飛行學(xué)院 飛機(jī)修理廠，四川 廣漢 618307)

0 引 言

某型飛機(jī)在著陸滑跑過程中，飛行人員反映剎車時(shí)腳蹬不平，經(jīng)地面檢查后發(fā)現(xiàn)，右側(cè)剎車油缸支架固定腹板撕裂，如圖1所示。隨后普查該機(jī)群，發(fā)現(xiàn)總共有35架飛機(jī)該處存在明顯裂紋。為修復(fù)該機(jī)群的腹板裂紋，筆者基于有限元分析結(jié)果，提出改裝設(shè)計(jì)方案。

圖1 剎車油缸支架固定腹板

1 載荷分析

剎車油缸安裝支架的裝配關(guān)系如圖2，腹板前端(Y的負(fù)向)經(jīng)加強(qiáng)角鋁與防火墻鉚接，腹板下端(Z的負(fù)向)直接與蒙皮鉚接，同時(shí)經(jīng)加強(qiáng)角鋁再次與蒙皮鉚接，腹板上端(Z的正向)與加強(qiáng)條鉚接，加強(qiáng)條前端(Y的負(fù)向)經(jīng)加強(qiáng)角鋁與防火墻螺栓聯(lián)接。

圖2 安裝支架裝配示意圖 1.加強(qiáng)條 2.腹板 3.聯(lián)接防火墻的加強(qiáng)角鋁 4.防火墻 5.下蒙皮 6.安裝支架 7.聯(lián)接下蒙皮的加強(qiáng)角鋁

腹板裂紋處承受的主要載荷為剎車油缸作用在安裝支架接耳上的載荷。該載荷經(jīng)安裝支架、聯(lián)接鉚釘傳遞與轉(zhuǎn)化后，在腹板對(duì)應(yīng)安裝支架基座的表面承受沿X方向的擠壓載荷，在腹板對(duì)應(yīng)聯(lián)接安裝支架的鉚釘端面的表面承受沿X方向的擠壓載荷，在腹板對(duì)應(yīng)聯(lián)接安裝支架的鉚釘孔面上承受沿Z方向的擠壓載荷。注：方向的定義均以圖2中坐標(biāo)系為基準(zhǔn)。

2 有限元分析

飛行人員踩踏剎車的載荷為載荷譜，無法獲得腹板所承受載荷的精確值，故采用對(duì)比計(jì)算的方法。該方法的思路為：分別按實(shí)際工況估計(jì)并設(shè)定有限元計(jì)算載荷，建立腹板改裝前和腹板改裝后的兩個(gè)有限元計(jì)算模型，計(jì)算得出在相同內(nèi)載荷作下，腹板改裝前后的應(yīng)力分布和變形量分布，為分析腹板改裝對(duì)其承載能力的影響提供數(shù)據(jù)。

2.1 有限元分析前處理

基于安裝支架相關(guān)聯(lián)接組件的實(shí)際形狀和尺寸，利用通用三維數(shù)字建模軟件Pro/E進(jìn)行數(shù)字建模，將數(shù)字模型導(dǎo)入通用有限元軟件ANSYS中，建立有限元計(jì)算模型，完成有限元計(jì)算和后置處理。在ANSYS中進(jìn)行有限元計(jì)算的步驟為：從Pro/E中導(dǎo)入數(shù)字模型→單元設(shè)置→材料性能參數(shù)定義→網(wǎng)格劃分→接觸組元生成設(shè)置→約束條件設(shè)置→載荷施加→求解設(shè)置→求解→查看結(jié)果[1]。

有限元計(jì)算模型中：所有鉚釘?shù)膱A柱面與鉚釘孔面均定義為接觸，所有鉚釘頭部的端面與相應(yīng)聯(lián)接組件的表面均定義為接觸，相互聯(lián)接的組件的接觸面均定義為接觸。分別選用TARGE170 和CONTA174作為目標(biāo)單元和接觸單元，Solid45作為實(shí)體單元。所有組件的材料均為2024，彈性模量E=68 GPa、泊松比μ=0.32[2]。

有限元計(jì)算模型建立的原則：在保證符合工程實(shí)際工況的情況下，盡量簡(jiǎn)化模型以節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，減小計(jì)算量以及計(jì)算時(shí)間。基于有限元計(jì)算模型的建立原則，結(jié)合前面所作的受力分析，在充分考慮安裝支架相關(guān)組件的結(jié)構(gòu)、載荷傳遞方式、邊界約束特點(diǎn)并經(jīng)過一定量的反復(fù)試算后，確定了腹板改裝前后的簡(jiǎn)化幾何模型，如圖3所示。

圖3 有限元分析的幾何模型

圖4為有限元計(jì)算模型，包括部份腹板、安裝支架、加強(qiáng)角鋁、4顆MS20470AD4(直徑5/32in)鉚釘、5顆MS20470AD5(直徑4/32in)鉚釘。模型共劃分219 624個(gè)單元和35 581個(gè)節(jié)點(diǎn)，定義15個(gè)接觸對(duì)。在圖4所示的加載孔的下(Z負(fù)向)半孔表面所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上施加總計(jì)為500 N(內(nèi)載荷設(shè)定值即踩剎車而作用在安裝支架接耳上的載荷值經(jīng)估計(jì)取為500 N)的均布載荷，方向?yàn)閆負(fù)向。在圖4所示的約束面對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全方位位移約束。

圖4 有限元計(jì)算模型

2.2 有限元分析結(jié)果

在ANSYS中經(jīng)過接觸有限元計(jì)算，結(jié)合彈性力學(xué)中的第四強(qiáng)度理論，計(jì)算得出各組件的Von mises應(yīng)力云圖分別如圖5～7，最大Von mises應(yīng)力值如表1所列。

圖5 腹板的Von mises 圖6 安裝支架的Von mises 應(yīng)力分布 應(yīng)力分布

圖7 加強(qiáng)角鋁的Von mises應(yīng)力分布

組件名稱Vonmises應(yīng)力最大值/MPa腹板242安裝支架103加強(qiáng)角鋁9．11

踩踏飛機(jī)剎車油缸的載荷作用在安裝支架接耳上，該載荷通過安裝支架與腹板的聯(lián)接鉚釘傳遞到腹板的鉚釘孔及相應(yīng)端面上，其為脈動(dòng)循環(huán)載荷。當(dāng)該循環(huán)載荷大于腹板材料的許用極限疲勞應(yīng)力時(shí)，隨著剎車次數(shù)的增多，將會(huì)在腹板相應(yīng)的鉚釘孔處產(chǎn)生疲勞裂紋[3-4]。

根據(jù)有限元計(jì)算模型Ⅰ得出的腹板改裝前的Von mises應(yīng)力分布如圖8所示，其中鉚接安裝支架的4個(gè)鉚釘孔的最大Von mise應(yīng)力值分別為：孔1的最大Von mises應(yīng)力值為242 MPa，孔2的最大Von mises應(yīng)力值為170 MPa，孔3的最大Von mises應(yīng)力值為129 MPa，孔4的最大Von mises應(yīng)力值為55 MPa。圖9為鉚接安裝支架所對(duì)應(yīng)腹板鉚孔處的裂紋。根據(jù)疲勞理論可推出，孔1處應(yīng)最先產(chǎn)生疲勞裂紋，實(shí)際普查的情況表明部分飛機(jī)僅在孔1處有裂紋圖，其詳細(xì)裂紋情況如圖9(a)所示[5]。

圖8 腹板的Von mises應(yīng)力分布

圖9 鉚接安裝支架所對(duì)應(yīng)腹板鉚孔處的裂紋

由圖8可知，4個(gè)鉚釘孔承受載荷的大小順序?yàn)椋嚎?>孔2>孔3>孔4。當(dāng)孔1產(chǎn)生裂紋后，孔1的承載能力將下降，其承受載荷的下降值應(yīng)等于孔2、3、4承受載荷的增加值之和，其中孔2承受載荷的增加值最大，其應(yīng)力也將急劇增加，孔3其次，孔4最小。因此，孔1產(chǎn)生裂紋后，經(jīng)過一段時(shí)間(即剎車次數(shù)的增加)，孔2也將產(chǎn)生疲勞裂紋，實(shí)際普查的情況表明部分飛機(jī)在孔1、2處均有裂紋，其詳細(xì)裂紋情況如圖9(b)所示?？?、2裂紋后，在其裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，隨著使用時(shí)間增加(即剎車次數(shù)增加)，裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展[6]。由圖8可知，在孔1、2之間存在一個(gè)高應(yīng)力帶，孔1、2之間的裂紋應(yīng)沿著這個(gè)帶進(jìn)行擴(kuò)展，最終貫穿孔1和孔2，實(shí)際普查的情況表明部分飛機(jī)在孔1和孔2之間形成了貫穿裂紋，裂紋的位置與形狀與圖8所示的孔1、2之間的高應(yīng)力帶的位置與形狀基本相符，其詳細(xì)裂紋情況如圖9(c)所示。

綜合上述分析可知，有限元分析得出的結(jié)果與實(shí)際普查情況基本吻合，由此可表明有限元計(jì)算模型的簡(jiǎn)化、單元設(shè)置、材料性能參數(shù)定義、網(wǎng)格劃分、接觸對(duì)生成、約束條件設(shè)置、載荷施加符合實(shí)際工況，其計(jì)算結(jié)果正確。

3 改裝設(shè)計(jì)與分析

3.1 改裝設(shè)計(jì)方案

基于飛機(jī)剎車油缸支架固定腹板的有限元分析結(jié)果，考慮安裝支架聯(lián)接的相關(guān)結(jié)構(gòu)、安裝支架的功能與裝配要求以及改裝施工工藝性，結(jié)合已有的改裝經(jīng)驗(yàn)，研究制定的改裝設(shè)計(jì)方案(以下簡(jiǎn)稱改裝方案)的主要內(nèi)容如下：

(1) 對(duì)原裂紋進(jìn)行整平，并在裂紋兩端打30號(hào)(0.128inch)止裂孔。

(2) 按圖10所示的形狀與尺寸制作補(bǔ)片。補(bǔ)片材料采用0.063in(1.6 mm) 厚的2024-T0的鋁合金板材。注：腹板材料為2024，熱處理狀態(tài)T4，厚度0.04in(1 mm)。

(3) 按T42要求對(duì)補(bǔ)片進(jìn)行固溶熱處理，熱處理后的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為：HB≥130。

(4) 按圖10所示的形狀與尺寸制作墊片。墊片采用直徑12 mm的2024-T4的鋁合金棒料車制。

(5) 對(duì)補(bǔ)片和墊片表面進(jìn)行硫酸陽極化處理。

(6) 按圖10所示對(duì)補(bǔ)片進(jìn)行鉚接。圖10中，支架鉚釘(即將剎車油缸安裝支架聯(lián)接到補(bǔ)片的鉚釘)采用MS20470AD5鉚釘，補(bǔ)片鉚釘(即將補(bǔ)片聯(lián)接到腹板的鉚釘)采用MS20470AD4鉚釘，鉚釘中心與補(bǔ)片邊緣間距為6.35～7.94 mm，鉚釘排間隔為12.7～19.05 mm，止裂孔與補(bǔ)片鉚釘中心的距離大于6.4 mm，鉚釘長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行確定。

圖10 改裝設(shè)計(jì)方案示意圖

3.2 改裝后有限元分析

按照上述方法建立了腹板改裝后的有限元模型，計(jì)算得出各組件的Von mises應(yīng)力云圖分別如圖11～14，最大Von mises應(yīng)力值如表2。

圖11 腹板的Von mises 圖12 補(bǔ)片的Von mises 應(yīng)力分布 應(yīng)力分布

圖13 安裝支架的Von mises 圖14 加強(qiáng)角鋁的Von mises 應(yīng)力分布 應(yīng)力分布

表2 各組件Von mises應(yīng)力最大值 /MPa

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可得，腹板在改裝前后各組件的最大Von mises應(yīng)力如表3。

由表3可知，腹板各組件中，改裝前強(qiáng)度最薄弱的組件為腹板，改裝后強(qiáng)度最薄弱的組件為安裝支架，改裝前后強(qiáng)度最大的組件均為加強(qiáng)角鋁。雖然改裝后安裝支架的強(qiáng)度相比改裝前的強(qiáng)度下降至0.595倍，但其改裝后的強(qiáng)度仍為改裝前腹板的強(qiáng)度的1.485倍，從腹板各組件所構(gòu)成的系統(tǒng)的強(qiáng)度來分析，改裝后的強(qiáng)度是改裝前的強(qiáng)度的1.485倍。

表3 各組件Von mises應(yīng)力最大值

綜上分析可得，按改裝方案對(duì)腹板裂紋進(jìn)行改裝后，腹板組件所構(gòu)成的系統(tǒng)的強(qiáng)度將提高至改裝前的1.485倍。另外，安裝支架的最大Von mises應(yīng)力處對(duì)應(yīng)的材料的厚度(3.2 mm)是腹板材料的厚度(1 mm)的3.2倍，疲勞裂紋的擴(kuò)展速度也將遠(yuǎn)低于腹板[7]。

4 結(jié) 論

(1) 此改裝設(shè)計(jì)方案可提高腹板組件所構(gòu)成系統(tǒng)的強(qiáng)度至改裝前的1.485倍，該改裝設(shè)計(jì)方案可行，能保證改裝質(zhì)量和飛行安全。

(2) 此改裝設(shè)計(jì)方案已獲得局方MDA批準(zhǔn)，于2013年1月完成了35架某型飛機(jī)上完成相應(yīng)改裝。

(3) 至今所改裝的飛機(jī)最多已飛行6000余小時(shí)，腹板改裝組件運(yùn)行正常。實(shí)際使用情況表明，該改裝設(shè)計(jì)方案可行、有效。

[1] 吳 江，楊兆軍.某型飛機(jī)翼肋組件的有限元分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2014，27(2)：55-57.

[2] 張朝暉.ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] 陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

[4] 吳 江.航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸配重組件失效機(jī)理研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2011，18(6)：457-462.

[5] 李 棠，陶俊林，王清遠(yuǎn).2024-T3和2524-T34鋁合金疲勞裂紋的萌生機(jī)制[J].材料研究學(xué)報(bào)，2011，25(2)：67-72.

[6] 劉 瓏，時(shí)軍波，丁 寧,等.含裂紋Al2024 薄板剩余強(qiáng)度和剩余壽命的影響因素[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017，17(14)：105-109.

[7] 邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，1997.