飛機(jī)剎車裝置受力的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

潘虹

摘 要 在飛機(jī)的剎車裝置中，起落架是飛機(jī)的主要承受力量的結(jié)構(gòu)，尤其是在飛機(jī)起飛降落以及在地面停放的時(shí)候，起落架都會(huì)承受很大的載荷，而此時(shí)飛機(jī)剎車裝置上機(jī)輪輪轂的受力對(duì)于飛機(jī)機(jī)輪的質(zhì)量是一個(gè)很重要的標(biāo)準(zhǔn)。通過有限元分析法，對(duì)飛機(jī)輪轂的結(jié)構(gòu)及受力分析，從而對(duì)飛機(jī)的剎車裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 飛機(jī)剎車裝置;輪轂受力;有限元分析法;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

飛機(jī)的機(jī)輪作為飛機(jī)剎車裝置的重要組成部分，在飛機(jī)的起飛或者降落的時(shí)候都會(huì)承擔(dān)非常巨大的沖擊力，在這個(gè)過程中還會(huì)產(chǎn)生很高的溫度。在整個(gè)起落架系統(tǒng)中，每一部分的裝置都起著重要的作用，尤其是飛機(jī)機(jī)輪輪轂的受力是衡量飛機(jī)機(jī)輪質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于整個(gè)起落架系統(tǒng)而言，它的重要性也是不言而喻的。在飛機(jī)著陸地面滑跑的階段，飛機(jī)的剎車裝置能夠?qū)w機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而減小飛機(jī)著陸滑跑的距離。通過有限元分析法對(duì)飛機(jī)的剎車裝置以及起落架和飛機(jī)機(jī)輪進(jìn)行受力分析，從而了解每個(gè)部件的受力情況，進(jìn)而做出相關(guān)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)行新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)。

1關(guān)于有限元分析法的研究

在科學(xué)技術(shù)的研究領(lǐng)域中，研究者們常常會(huì)面臨著許多力學(xué)問題和其他物理問題，雖然已經(jīng)知道了他們所遵循的基本方法和相應(yīng)的定解條件，但無論是解決力學(xué)問題還是解決物理問題，人們都會(huì)面臨著精確度的問題，在工業(yè)的很多領(lǐng)域中，精確度都是一個(gè)非常重要的標(biāo)準(zhǔn)，科學(xué)家們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)問題，通過不斷的研究得出了數(shù)值解法[1]。在近幾十年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于數(shù)值的運(yùn)算提供了很大的幫助，而數(shù)值方法的應(yīng)用也越來越廣泛，越來越成為解決科學(xué)技術(shù)問題的重要工具。在科學(xué)界對(duì)于有限元法的定義可以理解為：有限元法是基于計(jì)算機(jī)而進(jìn)行的一種數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)于連續(xù)問題它能夠通過有限數(shù)目的單元離散來近似，每個(gè)單元都有一定數(shù)目，其作為一種分析工具，對(duì)于復(fù)雜問題和復(fù)雜結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行強(qiáng)有力的分析。目前在技術(shù)領(lǐng)域中，有限元法的應(yīng)用已經(jīng)十分的廣泛，對(duì)于彈塑性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)以及動(dòng)力學(xué)問題，有限元法都能夠計(jì)算出滿意的結(jié)果。

簡而言之，有限元的求解思路就是根據(jù)力學(xué)的相關(guān)原理，利用變分法將相關(guān)的方程建立應(yīng)用到結(jié)構(gòu)離散化的各個(gè)單元上，進(jìn)而進(jìn)行分析計(jì)算，得到每個(gè)單元的應(yīng)變和位移，最后得出結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變。近幾十年來，有限元法的理論和應(yīng)用都得到了不斷發(fā)展，已經(jīng)從彈性力學(xué)擴(kuò)展到空間問題，分析的對(duì)象涉及的范圍也越來越多，未來值得肯定的是，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代力學(xué)以及計(jì)算數(shù)學(xué)的發(fā)展，有限元法作為一種有效的數(shù)值分析工具，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都會(huì)起到很大的作用。

2國內(nèi)外對(duì)于飛機(jī)剎車裝置的研究現(xiàn)狀分析

飛機(jī)剎車裝置作為飛機(jī)剎車系統(tǒng)的重要組成部分，其核心部件是剎車副，剎車副決定著整個(gè)剎車裝置的結(jié)構(gòu)和性能。通過對(duì)剎車副的材料以及熱學(xué)與力學(xué)的研究，可以對(duì)剎車裝置的重量、性能和壽命進(jìn)行一個(gè)很好的設(shè)計(jì)。相比較于早期飛機(jī)剎車盤的材料，在現(xiàn)代的先進(jìn)飛機(jī)中其剎車盤絕大部分都是采用了更為先進(jìn)的碳—碳復(fù)合材料，從而使得剎車盤的使用壽命更長，更加的穩(wěn)定[2]。

在西方發(fā)達(dá)國家，很早就將碳—碳復(fù)合材料作為飛機(jī)的剎車盤的材料，已經(jīng)基本取代了金屬材料的剎車盤，所以早期的時(shí)候這種先進(jìn)的技術(shù)都是被國外的大型跨國公司所壟斷。國內(nèi)對(duì)于這種先進(jìn)材料的研究起步較晚，但經(jīng)過十足的努力，我國關(guān)于碳—碳復(fù)合材料的剎車盤的研究也取得了很大的成果，碳—碳剎車盤現(xiàn)在也已經(jīng)應(yīng)用到我國軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)上。

對(duì)于剎車副溫度場和受力的研究，我國相比較西方國家研究的起步較晚，從而西方的技術(shù)也相對(duì)的比較成熟一些。國內(nèi)也有這方面的研究但是目前并不是很多，但也有部分學(xué)者做出了一定的研究內(nèi)容，闡述了飛機(jī)剎車副制動(dòng)過程中溫度場的計(jì)算方法，討論了邊界條件和各相關(guān)參數(shù)的確定方法，對(duì)于摩擦材料物性參數(shù)對(duì)溫度場的影響也做出了相關(guān)研究。

3對(duì)于飛機(jī)剎車裝置的設(shè)計(jì)以及力學(xué)的分析

（1）對(duì)于飛機(jī)剎車裝置的設(shè)計(jì)，是圍繞其核心部件剎車副的設(shè)計(jì)展開的。根據(jù)剎車機(jī)輪的尺寸、輪軸尺寸、飛機(jī)的著陸剎車能量等參數(shù)進(jìn)行剎車副的設(shè)計(jì)，根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算得到剎車副的機(jī)構(gòu)參數(shù)后，對(duì)剎車副和剎車裝置使用有限元分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[3]。

（2）通過對(duì)剎車裝置的剎車副的參數(shù)設(shè)計(jì)，根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算方法得出剎車能量，經(jīng)過一系列的計(jì)算、比對(duì)，我們可以得知在飛機(jī)沒有踩剎車時(shí)，動(dòng)盤和靜盤之間存在一定的間隙，需要將剎車盤的單盤厚度設(shè)定到一定的數(shù)值，以保證沒有剎車阻力。

（3）對(duì)剎車副進(jìn)行有限元分析的時(shí)候，由于飛機(jī)在剎車的過程中時(shí)間短且會(huì)產(chǎn)生非常大的能量，剎車盤在厚度和徑向方向上會(huì)存在較大的溫度梯度，因此會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，這時(shí)需要分析剎車副溫度場的邊界條件。通過相關(guān)的計(jì)算公式和方法，對(duì)剎車副溫度場進(jìn)行一個(gè)有限元計(jì)算，得到剎車副的各個(gè)節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻上的溫度數(shù)值。

（4）通過對(duì)剎車副的熱應(yīng)力的計(jì)算分析，我們可以得到剎車盤熱應(yīng)力的一些特點(diǎn)。在剎車開始的初期，由于整體溫度不高，而在摩擦面上產(chǎn)生了很大的熱流密度，導(dǎo)致此時(shí)在摩擦盤厚度方向的溫度梯度很大，所以其是引起熱應(yīng)力的主要因素。在剎車的中后期，剎車副內(nèi)部碳—碳復(fù)合材料的導(dǎo)熱率很高，此時(shí)外邊界的熱應(yīng)力明顯比內(nèi)部大。在過程中我們還發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力的最大值比溫度的最大值出現(xiàn)的較早一些。

4結(jié)束語

隨著我國工業(yè)實(shí)力的不斷發(fā)展，航空工業(yè)的發(fā)展也日新月異，對(duì)飛機(jī)的剎車裝置進(jìn)行有效的研究，有助于在飛機(jī)的生產(chǎn)過程中對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷的優(yōu)化。以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的有限元分析法在飛機(jī)剎車裝置的研究上起到了十分重要的作用，其在軍民兩個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。通過對(duì)飛機(jī)剎車裝置相關(guān)的部件的承受力進(jìn)行有限元分析，從而對(duì)飛機(jī)的相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證飛機(jī)的飛行安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳雨晨.基于ANSYS的飛機(jī)機(jī)輪輪轂受力分析與結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

[2] 韓建輝.飛機(jī)剎車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能仿真分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2012.

[3] 簡正柱.飛機(jī)制動(dòng)過程中剎車副溫度場的數(shù)值模擬研究[D].長沙：中南大學(xué)，2007.