鐘聲剛

(中國民航飛行學(xué)院 綿陽分院，四川 綿陽 621000)

0 引 言

某型飛機是塞斯納公司生產(chǎn)的單發(fā)活塞式飛機，該機采用前三點式不可收放起落架。該型飛機是飛行學(xué)院的主力機型。近年來，隨著飛行小時數(shù)和起落次數(shù)的增加，剎車作動筒安裝支架固定腹板出現(xiàn)了裂紋故障，最近17架飛機在結(jié)構(gòu)檢修中發(fā)現(xiàn)了5架飛機的左側(cè)剎車固定腹板在同一位置出現(xiàn)裂紋，如圖1所示。

圖1 固定腹板裂紋圖

飛機剎車機構(gòu)是保障飛機安全、快速、可靠著陸的重要部件，而固定剎車作動筒安裝支架的腹板是重要的承力件，一旦腹板失效，將會影響剎車系統(tǒng)的正常工作，嚴(yán)重時將會造成航空事故發(fā)生。所以分析固定腹板產(chǎn)生裂紋的原因，給出維護和操作意見非常重要。筆者將利用ANSYS Workbench對剎車組件進行有限元分析[1]，根據(jù)腹板應(yīng)力分析結(jié)果，給出剎車組件的維護建議，以此減小腹板發(fā)生裂紋的概率。

1 固定腹板介紹

固定腹板(見圖1)是鉚接在下部防火墻、下部蒙皮、FS8.12隔框上，如圖2所示。剎車作動筒的安裝支架通過四顆鉚釘固定在腹板上，而剎車作動筒通過銷釘固定在安裝支架上，如圖3所示。飛行員在剎車時，會將踩踏剎車作動筒的力通過支架傳到固定腹板上，所以固定腹板是重要承力件。

圖2 固定腹板位置圖

圖3 剎車作動筒

2 剎車組件建模

筆者利用Pro/E建立固定腹板、剎車作動筒、銷釘和鉚釘?shù)娜S模型。測量飛行員在踩剎車時作動筒的角度，然后通過Pro/E中的組裝功能，將剎車組件中各零件組裝在一起。根據(jù)測量情況，將剎車組件按兩種工況組裝。建立有限元模型的原則為：在能真實反映收放機構(gòu)組件力學(xué)特征的前提下，盡量進行結(jié)構(gòu)簡化，以節(jié)約計算機資源，減小計算量及計算時間[2]。所以對剎車作動筒進行簡化，在Pro/E中建立的剎車組件如圖4、5所示。

圖4 作動筒與腹板最小 圖5 作動筒與腹板最大 夾角工況 夾角工況

3 有限元模型

將Pro/E中的CAD模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，建立有限元模型。在有限元模型中，剎車組件各部件選擇為材料庫[3]中的Aluminum Alloy或Structural Steel，鋁合金的密度為2 770 g/cm3，楊氏模量7.1E+10Pa，泊松比0.33，屈服強度2.8E+8Pa；結(jié)構(gòu)鋼的密度為7 850 g/cm3，楊氏模量2E+11Pa，泊松比0.3，屈服強度2.5E+8Pa。網(wǎng)格采用自由網(wǎng)格劃分，等級采用Fine，如圖6所示。

圖6 剎車組件網(wǎng)格劃分

當(dāng)幾何體存在多個部件時，需要確定部件之間的相互關(guān)系，在ANSYS Workbench中通過Contacts(接觸)與 Spot Weld(點焊)來定義的，用來確定部件之間的接觸區(qū)域是如何相互作用的[4]。剎車組件及相連的元件一共有12對面接觸，為了真實反映銷釘聯(lián)接、鉚釘聯(lián)接及作動筒的轉(zhuǎn)動特征，各元件之間采用了Bonded(綁定接觸)或No Separation(不分離接觸，轉(zhuǎn)動部件之間采用)。

4 有限元分析

4.1 約束和加載

固定腹板是透過鉚釘固定在防火墻、蒙皮和隔框上的，所以對腹板的固定面實施約束。通過對剎車作動筒受力分析得出，剎車組件只受作動筒的軸向力，如圖5所示。根據(jù)作動筒工作情況。飛行員施加在作動筒上最大力為200 N,最小力為100 N。加載圖如圖7所示。

圖7 加載

4.2 計算結(jié)果和分析

從兩種壓力工況和兩種角度工況共計四種工況分析的結(jié)果可知(見圖8)，最大應(yīng)力工況為90°夾角200 N壓力工況，最大應(yīng)力值為1.6859e8Pa。最小應(yīng)力工況為105°夾角100 N壓力工況，最大應(yīng)力為6.676e7Pa。四種工況最大應(yīng)力都發(fā)生在同一位置，即腹板左上R角處。

圖8 四種工況的應(yīng)力云圖

5 結(jié) 語

通過ANSYS18.0對剎車組件的分析結(jié)果可知固

定腹板產(chǎn)生裂紋的原因：一是廠家設(shè)計缺陷原因；二是操作原因。要降低固定腹板產(chǎn)生裂紋的概率，需對固定腹板左上角進行改進，這需要建議原廠家對腹板進行改進，且建議飛行員按最小應(yīng)力工況方式踩剎車。另外，需定期檢查剎車系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)并更換裂紋的腹板和磨損的剎車作動筒、銷釘?shù)攘慵?，避免剎車失效故障的發(fā)生。