某單發活塞式飛機剎車盤的有限元建模與模態分析

摘要：近年來我國的通用航空產業得到了大力發展，這對通航飛機的安全性提出了更加嚴峻的要求。剎車盤作為飛機安全的重要部件之一，各種文獻對其研究較少。因此，本文對某型單發活塞式飛機的剎車盤進行了測量，并結合Hypermesh和Nastran軟件進行了有限元建模和自由模態與約束模態分析，并對結果進行了對比分析。

關鍵詞：通用航空；剎車盤；有限元；模態分析

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）07-0261-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： In recent years， China's general aviation industry has been vigorously developed， which puts more severe requirements on the safety of general aviation aircraft. Brake discs are one of the important components of aircraft safety. But the study on the brake disc is few. So， in this article， the brake disc of a kind of a single piston aircraft was measured. And the finite element model was built with Hypermesh and free and constraint modal analysis and the comparison were conducted with Nastran.

Key words： general aviation； brake disc； finite element method； modal analysis.

1 引言

我國的通用航空近年來得到大力發展。數據統計，全國通用航空2017年全年飛行83.75萬小時，同比增長9.5%。截至2017年底，全國獲得通用航空經營許可證的企業365家，新增56家，比上年增長14.1%。通航機隊在冊總數為2984架（其中固定翼飛機1865架，旋翼機1017架），新增300多架，比上年增長15.0%。截至2018年6月底，已在中國民用航空局取得使用許可證的通航機場已達168個，且多地仍在規劃或正在建設通用機場已逾百座。通用航空的迅速發展，也對通用航空飛行、管理、維修提出了更大的挑戰，通航安全必須得到更大的重視。

相比運輸航空，通航飛機大多數為小型飛機，其中活塞式飛機更是占有相當的比重。小型飛機飛行距離相對較短，起降次數多，因此剎車盤作為飛機降落時的主要制動部件，對飛機的安全降落發揮了重要作用。但是，查閱各種文獻，對通航飛機剎車盤的研究相對較少，因此本文擬在通航產業大力發展的背景下，聚焦于某通航單發活塞式發動機的剎車盤，對其進行有限元建模與分析，以為后期相關研究奠定一個基礎。

2 剎車盤

本文將要研究的剎車盤為通航小型飛機的活塞式盤式制動器中的組件之一。其通過駕駛員踩制動踏板，將制動壓力傳遞到制動管路，再傳遞到制動器活塞，通過活塞的運動使摩擦片與高速旋轉的剎車盤接觸，二者之間的摩擦力矩使機輪逐漸減速直至完全停止。圖1所示即為本文要研究的剎車盤在機輪上的位置圖。

為了建立剎車盤的有限元模型，需要首先對剎車盤從飛機機輪上進行拆解和測量。查閱該機型的AMM手冊，找到相應章節，按照標準程序對該制動器進行拆解，圖2所示為手冊中該制動器的安裝示意圖和具體組件分解圖。

圖3所示為剎車盤的實物圖，其通過三顆緊固螺栓與主機輪輪轂固定在一起。對其進行幾何數據測量，得到其二維中心剖面圖如圖4所示。

3 剎車盤有限元模型

根據圖4所測得的該剎車盤的幾何尺寸數據，利用Solidworks三維建模軟件進行幾何模型建模，得到如圖5所示的剎車盤三維模型。將該剎車盤三維模型以.igs格式導入到專業的網格劃分軟件Hypermesh中進行下一步的網格劃分、材料屬性添加、邊界條件施加等，即可得到圖6所示的剎車盤有限元模型。

該剎車盤有限元選用的網格尺寸為3mm，共有14348個節點，52586個Ctetra4單元組成。剎車盤的材料屬性如表1所示。

由于剎車盤通過其帽部的三顆周向均勻布置的緊固螺栓與機輪輪轂相連，因此在該三個螺栓孔處和剎車盤帽部端面施加全固定約束，約束其三個平動和三個轉動自由度。從而得到了該剎車盤的有限元模型。

4 剎車盤模態分析

模態作為物體的固有屬性，可以反映物體在外界激勵下的振動表現，同時也能表現其剛度水平。因此對上節建立的剎車盤有限元模型進行自由模態分析和約束模態分析。該功能通過添加EIGRL卡片來實現，選取前8階模態進行分析。最后選擇SOL 103 Normal Modes求解模塊利用Nastran求解器進行模態求解。

得到的該剎車盤前8階自由模態與約束模態結果如表2所示。

從表2的剎車盤前8階模態分析結果可以看出，由于剎車盤為軸對稱和中心對稱的結構，因此有很多成對模態，即模態頻率相同或相近，振型相同或相似，僅在相位上有差別。如自由模態的第1、2階，第3、4階等。且約束模態的振動頻率由于約束的影響使得其均大于對應階次的自由模態頻率。對比對應階次的自由模態與約束模態結果，可以發現，在前8階中，二者模態的第1、2階和第5、6階振型相同，頻率不同。但是其他階次無論是頻率還是振型，都相差較大。根據文獻[6]的模態振型數字特征描述來看，自由模態的第3階和第4階均為（0，2）的周向模態，但是約束模態的卻并無此階模態；且約束模態的第7階為（1，0）的周向模態，第3階和第4階為剎車盤的局部模態。可以看出，由于約束的添加，剎車盤的剛度增加從而使其各階頻率均大于對應的自由模態，且出現了自由模態前8階所沒有的模態振型。

5 結論

本文首先對某型單發活塞式飛機的主機輪進行了拆解得到了剎車盤模型，然后通過測量其幾何尺寸數據得到了其三維模型，通過有限元軟件Hypermesh進行了有限元模型建模，并利用Nastran軟件進行了自由模態分析與約束模態分析。通過對結果進行對比發現，由于結構的對稱性，其模態結果呈成對出現，及頻率相同或相近，振型相差一個相位。而且自由模態與約束模態由于約束的添加在某些階次的頻率和振型均相差較大。本文的研究結果可以為后續的相關研究提供一定的模型基礎和參考意義。

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【通聯編輯：梁書】