某輕型飛機(jī)起落架收放作動(dòng)筒的仿真優(yōu)化

白潔

摘 要：以往傳統(tǒng)液壓收放系統(tǒng)在目前的先進(jìn)技術(shù)下，可以實(shí)現(xiàn)全電動(dòng)控制，并能夠科學(xué)設(shè)計(jì)出一種新型動(dòng)作動(dòng)筒。這種電動(dòng)作動(dòng)筒具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)于直線收放以及收放時(shí)的解鎖問(wèn)題，以及發(fā)生故障所采用的應(yīng)急功能等，其作用非常大。本文主要針對(duì)輕型飛機(jī)起落架電動(dòng)作動(dòng)筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并從中進(jìn)行一些優(yōu)化研究。

關(guān)鍵詞：輕型飛機(jī)；結(jié)果優(yōu)化；研究；起落架；電動(dòng)作動(dòng)筒

中圖分類號(hào)：V216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

我們知道，飛機(jī)的起落架收放系統(tǒng)對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)具有非常重要的作用，其收放系統(tǒng)主要是對(duì)飛機(jī)起飛以及降落著陸等起到關(guān)鍵作用。當(dāng)前，一些輕型的飛機(jī)起落架一般情況下都采用的是液壓收放系統(tǒng)。這種液壓收放系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢(shì)，其輸出力較大，且應(yīng)用技術(shù)非常純熟，性能比較穩(wěn)定。但是其劣勢(shì)也非常明顯，主要有能耗較大、檢修時(shí)間較長(zhǎng)，且元件的質(zhì)量非常大，工作效率比較低等。飛機(jī)在未來(lái)的發(fā)展中，主要走向全電化方向，由于人們對(duì)輕型飛機(jī)的性能不斷提高要求。運(yùn)用液壓收放系統(tǒng)的缺點(diǎn)漸漸地成為制約輕型飛機(jī)性能提高的主要原因。所以，要加強(qiáng)對(duì)起落架電動(dòng)作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)的研究和優(yōu)化工作。這種系統(tǒng)的應(yīng)用主要采用的是電力作為收放的動(dòng)力源，同時(shí)把電動(dòng)作動(dòng)筒當(dāng)做主要的執(zhí)行命令元件。這種結(jié)構(gòu)具有較好的特點(diǎn)，緊湊且質(zhì)量適中，工作效率非常高。

1 有關(guān)電動(dòng)作動(dòng)筒的結(jié)構(gòu)和分析。起落架電動(dòng)作動(dòng)筒主要結(jié)構(gòu)由氣動(dòng)馬達(dá)、氣動(dòng)離合器和直流電機(jī)，以及齒輪減速器、同步帶裝置、絲杠螺母副、鎖定機(jī)構(gòu)、活塞桿、滾珠絲杠、活塞筒和微動(dòng)開(kāi)關(guān)等組成。其中，可以利用螺母套筒以及活塞間的行程，來(lái)對(duì)鋼珠進(jìn)行約束，進(jìn)行上鎖和解鎖，從而達(dá)到機(jī)械鎖緊的目的，同時(shí)具有較強(qiáng)大的抗沖擊能力。電動(dòng)作動(dòng)筒在工作中的主要構(gòu)件是活塞以及活塞筒和活塞桿、鋼珠等，這些材料具有一定的力學(xué)性能。其中活塞筒的材料主要是30CrMnSiNi2A，彈性模量為207GPa，泊松比是0.3，屈服極限為1600MPa。活塞的材料為30CrMnSiNi2A，彈性模量為207GPa，泊松比是0.3，屈服極限在1600MPa。鋼珠的材料為GCr15，彈性模量為207GPa，泊松比是0.3，屈服極限為2157MPa。活塞桿的材料為30CrMnSiNi2A，彈性模量為207GPa，泊松比是0.3，屈服極限為1600MPa。擋環(huán)的材料為30CrMnSiNi2A，彈性模量為207GPa，泊松比是0.3，屈服極限為1600MPa。首先，在CAD軟件中對(duì)實(shí)體機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模。且可以對(duì)實(shí)體模型做一簡(jiǎn)化，把去活塞筒以及活塞上的一些細(xì)小結(jié)構(gòu)去除，確保不會(huì)影響到分析結(jié)果的精度。然后，把在CAD軟件中已經(jīng)建立好的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件，對(duì)模型進(jìn)行科學(xué)的網(wǎng)格劃分，這種劃分工作可以采用自動(dòng)方法，也可在后期對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行手動(dòng)的細(xì)化工作。最后，根據(jù)作動(dòng)筒工作時(shí)各結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，給每個(gè)部件添加合適的約束，并對(duì)不同材料的部件賦予不同的材料屬性，即可進(jìn)行有限元強(qiáng)度校核計(jì)算。其中，作動(dòng)筒的強(qiáng)度校核尤為關(guān)鍵，在作動(dòng)筒的主要受力結(jié)構(gòu)中，受力最嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)是鋼珠，最大的應(yīng)力可達(dá)1875.8MPa。這種應(yīng)力已經(jīng)比較接近材料的屈服極限，因此需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而提高作動(dòng)筒的強(qiáng)度。 經(jīng)計(jì)算，活塞筒最大應(yīng)力為344.97MPa，同時(shí)活塞桿的最大應(yīng)力也達(dá)到了537.8MPa，活塞最大應(yīng)力是197MPa。這三個(gè)結(jié)構(gòu)所受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于30CrMnSiNi2A的屈服極限，一定程度上滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的需要。從上述分析中，可以確定作動(dòng)筒薄弱環(huán)節(jié)主要就是鋼珠。因此，必須對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高作動(dòng)筒上鎖狀態(tài)的強(qiáng)度。對(duì)鋼珠結(jié)構(gòu)的優(yōu)化很多文獻(xiàn)中已做過(guò)相關(guān)研究，而通過(guò)對(duì)活塞筒結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化來(lái)優(yōu)化鋼珠強(qiáng)度的研究相對(duì)不是很多。因此這里我們對(duì)活塞筒尺寸就行優(yōu)化，從而使鋼珠的強(qiáng)度和整體系統(tǒng)的強(qiáng)度得到有效提高。

2 輕型飛機(jī)起落架電動(dòng)作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。這里我們對(duì)作動(dòng)筒的活塞壁厚進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)化工作，這是由于活塞筒是最直接的受力構(gòu)件，其對(duì)作動(dòng)筒承受能力以及鋼珠的受力具有重要的影響。因此，作動(dòng)筒的活塞壁應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)的薄一些，否則就會(huì)對(duì)作動(dòng)筒的重量產(chǎn)生一定的影響。還可能造成作動(dòng)筒在受到來(lái)油壓力之后不能正常開(kāi)鎖。活塞與活塞筒之間的間隙為0.1mm。進(jìn)行仿真優(yōu)化時(shí)，改變活塞筒的內(nèi)徑，外徑不變。依次選取活塞筒壁厚為3mm，3.05mm，3.1mm，3.15mm，3.2mm，3.25mm，3.3mm，3.35mm，3.4mm時(shí)，對(duì)鋼珠的強(qiáng)度進(jìn)行校核計(jì)算，來(lái)確定活塞筒壁厚的最優(yōu)化值。通過(guò)仿真分析，可以得到以下結(jié)論：隨著活塞筒壁厚的增大，鋼珠所受的應(yīng)力就會(huì)相應(yīng)減小；活塞的壁厚在大于3.35mm以上，鋼珠所受的應(yīng)力歲活塞筒壁厚的變化基本保持不變。壁厚在不斷增大的過(guò)程中，使得活塞筒的應(yīng)力也之間保持一種恒定轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，綜合理論和實(shí)際情況來(lái)看，活塞筒壁厚取3.35mm時(shí)，既能滿足鋼珠的強(qiáng)度要求，又能滿足作動(dòng)筒整體結(jié)構(gòu)對(duì)重量的要求。利用有限元軟件對(duì)優(yōu)化過(guò)的作動(dòng)筒進(jìn)行強(qiáng)度校核分析，鋼珠所受的最大應(yīng)力從優(yōu)化前的1875.8MPa減小到1378.7MPa，活塞筒所受的最大應(yīng)力從優(yōu)化前的344.97MPa減小到328.68MPa。通過(guò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化之后，其活塞筒的強(qiáng)度以及鋼珠的強(qiáng)度都得到了有效提高，增加了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安全裕度，對(duì)于小型飛機(jī)來(lái)說(shuō)其安全性和可靠性得到了較大的提升。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于輕型飛機(jī)起落架收放作動(dòng)筒的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化，本文進(jìn)行了簡(jiǎn)要進(jìn)行的分析和論述，通過(guò)采用模擬仿真的方法，對(duì)作動(dòng)筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算校核。從而找出其強(qiáng)度薄弱構(gòu)件，其中對(duì)作動(dòng)筒活塞壁的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，從而使得作動(dòng)筒的強(qiáng)度得到了有效的提高，從提高了整個(gè)收放機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和性能。

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