姚晨熙，段富海，楊 光，胡 偉，韓東旭，季賢聰

（大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連 116023）

0 引言

飛機外部照明燈是現(xiàn)代飛機照明系統(tǒng)中重要的組成部分。相比于機內(nèi)照明燈，受到風(fēng)阻、外部振動等載荷作用，機外照明燈的工作環(huán)境更加惡劣[1]。因此對飛機外部照明燈殼體和基體的結(jié)構(gòu)材料要求非常嚴(yán)格，需要滿足高強度、高硬度、低密度、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、成本低等要求?，F(xiàn)在機外照明燈的殼體材料多為鋁合金材料，而使用高品質(zhì)鋁合金，存在異形件加工成型困難、成本高、重量大等問題。碳纖維復(fù)合材料則具有強度高、出色的耐熱性、出色的抗熱沖擊性、低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)秀的抗腐蝕性和比重小等優(yōu)點。在生產(chǎn)方面熱塑性碳纖維復(fù)合材料制備流程簡單、生產(chǎn)效率高、材料比重小，因此以碳纖維復(fù)合材料代替鋁合金材料已成為結(jié)構(gòu)輕量化的一個研究方向[2-5]。本文設(shè)計了一種典型的機外收放式著陸燈裝置，并分別以鋁合金材料和碳纖維復(fù)合材料作為裝置的結(jié)構(gòu)材料進行有限元分析，論證碳纖維復(fù)合材料代替鋁合金材料的可行性，同時對所設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)進行了拓撲優(yōu)化。

1 收放式著陸燈結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計一種典型的飛機外部著陸燈，該著陸燈具有以下特性：

（1）燈光照明方向可實現(xiàn)0°～90°的旋轉(zhuǎn)，0°處于關(guān)閉狀態(tài)，90°處于工作狀態(tài)；

（2）著陸燈處于關(guān)閉狀態(tài)時，裝置外部結(jié)構(gòu)形狀與飛機外形吻合，減少阻力；

（3）裝置滿足強度、剛度和壽命要求，在額定工作載荷內(nèi)不會失效；

（4）整個裝置具有良好的加工工藝性，并且裝配和維修方便、快捷。

飛機著陸燈的燈源已有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對形狀和尺寸有一定的規(guī)定，本文設(shè)計根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇ZLF28-600L型燈源[6]。為保證飛機著陸燈運動機構(gòu)占用空間小、結(jié)構(gòu)簡單易維護、運動位置準(zhǔn)確，選擇齒輪作為裝置的傳動機構(gòu)，以電動機作為裝置原動件，以轉(zhuǎn)桿為執(zhí)行機構(gòu)帶動燈源實現(xiàn)0°～90°范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動[7]。設(shè)計著陸燈殼體如圖1所示，裝置基體如圖2所示。

圖1 著陸燈殼體

圖2 裝置基體設(shè)計

使用三維建模軟件對著陸燈三維建模，檢查整個著陸燈裝配體模型有無干涉，裝配模型如圖3所示。

圖3 著陸燈裝配模型

2 著陸燈結(jié)構(gòu)的有限元分析

2.1 基于鋁合金材料

使用有限元仿真軟件Workbench對模型添加鋁合金材料屬性后，劃分網(wǎng)格如圖4所示。按照著陸燈實際安裝情況，并根據(jù)式（1）計算阻力，添加約束和載荷。

式中：A為受風(fēng)阻面積，m2；Cμ為風(fēng)阻系數(shù)，其與形狀有關(guān)，這里Cμ取1；v為著陸燈工作時飛機的最大速度，m/s。

圖4 網(wǎng)格劃分及載荷約束設(shè)置

計算得到靜力學(xué)分析阻力為300 N，作用在上殼體和著陸燈表面[8-10]。最終求解結(jié)果如圖5所示。

通過圖5可知，所設(shè)計的典型機外著陸燈模型在靜力學(xué)條件下，總變形最大處為0.774 mm，裝置最大應(yīng)力為247.7 MPa，安全因子為5.08，滿足材料強度要求和裝置變形要求。

圖5 基于鋁合金材料的有限元仿真結(jié)果

2.2 基于碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料的靜力學(xué)分析與鋁合金基本相同，只是材料的定義方法不同。復(fù)合材料分析采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)，創(chuàng)建的材料力學(xué)屬性[10]有彈性模量E=1 373.15 MPa、抗拉強度 σb=1 471 MPa、泊松比 μ=0.28、密度 ρ=1.45 g/cm3。

通過仿真分析得到碳纖維復(fù)合材料機外著陸燈模型的總變形、應(yīng)力如圖6所示，碳纖維復(fù)合材料和鋁合金材料的結(jié)果對比如表1所示。

圖6 基于碳纖維復(fù)合材料的有限元仿真結(jié)果

表1 基于鋁合金材料和碳纖維復(fù)合材料的仿真結(jié)果對比

通過分析對比結(jié)果可知：碳纖維復(fù)合材料的模型總變形、應(yīng)力云圖的分布情況優(yōu)于鋁合金材料；以碳纖維復(fù)合材料作為殼體材料，減小了裝置的總變形，總變形減小可以保證著陸燈燈光分布的準(zhǔn)確性；兩種材料的應(yīng)力云圖的應(yīng)力大小范圍幾乎相同，分布情況相同；碳纖維復(fù)合材料的安全因子明顯大于鋁合金材料，相同外力作用下碳纖維復(fù)合材料的安全程度更高，可以承受更大的外部載荷；碳纖維復(fù)合材料的裝配體較鋁合金材料重量降低25.6%，單獨零件重量可降低45.8%。

圖7 著陸燈模型的拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3 機外著陸燈拓撲優(yōu)化

輕量化設(shè)計是機外著陸燈的設(shè)計目標(biāo)之一。使用Shape optimization分析程序?qū)C外著陸燈零件進行拓撲優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計首先選擇Shape optimization分析程序，然后添加材料、零件接觸設(shè)置，設(shè)置分析參數(shù)。求解完成后，分布如圖7(a)、圖7(b)所示。其中紅色表示可以去掉的部分，黃色表示中間過渡部分，黑色表示零件剩余部分。優(yōu)化后可查看零件切除材料后的結(jié)構(gòu)視圖，去除多余材料后的零件如圖7(c)和圖7(d)所示。根據(jù)拓撲優(yōu)化模型修改原來的零件模型，修改后的著陸燈下殼體和基體模型如圖8所示，新舊零件的質(zhì)量如表2所示。

圖8 優(yōu)化后基體和殼體模型

表2 優(yōu)化前后模型質(zhì)量對比表

表2列出了優(yōu)化前后殼體和裝置基體的質(zhì)量，優(yōu)化前后質(zhì)量分別下降了15%和17%，拓撲優(yōu)化降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量。理論和經(jīng)驗表明，飛行器結(jié)構(gòu)質(zhì)量減低30%，飛機耗油量會減少7%～15%，因此對裝置進行拓撲優(yōu)化減輕裝置重量有很大的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種經(jīng)典的飛機著陸燈模型，并分別對模型的鋁合金屬性和碳纖維復(fù)合材料屬性進行有限元分析，通過分析結(jié)果可知：碳纖維復(fù)合材料的模型總變形、應(yīng)力云圖的分布情況優(yōu)于鋁合金材料；碳纖維復(fù)合材料的裝配體較鋁合金材料重量降低25.6%，單獨零件重量可降低45.8%。通過靜力學(xué)分析，可確定碳纖維復(fù)合材料在靜力學(xué)強度方面優(yōu)于鋁合金材料，并且可以大幅度減輕著陸燈裝置的重量。因此，在靜力學(xué)方面碳纖維復(fù)合材料可以代替鋁合金材料，并且機械性能更好。本文最后通過拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行輕量化設(shè)計，使得殼體和裝置基體的質(zhì)量在優(yōu)化前后分別下降了15%和17%。