基于ANSYS的起落架關(guān)鍵部件有限元分析及后處理

孫樂(lè)萌 陳閔葉 楊思力

摘 ?要： 起落架是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的重要部件之一，不僅承受著飛機(jī)與地面接觸時(shí)產(chǎn)生的靜、動(dòng)載荷，還需要吸收飛機(jī)在著陸、高速滑跑時(shí)所產(chǎn)生的能量。活塞桿作為起落架的關(guān)鍵受力部件，本文以活塞桿為研究對(duì)象，通過(guò)ANSYS對(duì)活塞桿進(jìn)行應(yīng)力分析。通過(guò)APDL存儲(chǔ)求解結(jié)果并導(dǎo)出，利用MATLAB搭建數(shù)據(jù)批量后處理系統(tǒng)。將活塞桿的有限元分析結(jié)果和數(shù)據(jù)后處理相結(jié)合，并對(duì)有限元的求解結(jié)果進(jìn)行了深入研究，使得工程技術(shù)人員可以針對(duì)求解數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)開(kāi)發(fā)，為有限元分析提出了新的思路，改善后期數(shù)據(jù)的處理與交互。

關(guān)鍵詞： 起落架;有限元分析;APDL;力學(xué)性能;數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)： TP319 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.034

本文著錄格式：孫樂(lè)萌，陳閔葉，楊思力，等. 基于ANSYS的起落架關(guān)鍵部件有限元分析及后處理[J]. 軟件，2020，41（06）：164168

【Abstract】： Landing gear is one of the important parts of aircraft structure. It not only bears the static and dynamic loads generated when the aircraft contacts the ground， but also needs to absorb the energy generated when the aircraft lands and slides at high speed. The piston rod is the key part of the landing gear. This paper takes the piston rod as the research object， and analyzes the stress of the piston rod by ANSYS. The solution results are stored and exported by APDL， and the data batch post-processing system is built by MATLAB. The finite element analysis results of piston rod are combined with data post-processing， and the solution results of the finite element are studied in depth， so that the engineers and technicians can carry out the follow-up development for the solution data， and put forward new ideas for the finite element analysis， improve the treatment and interaction of the later data.

【Key words】： Landing gear; Finite element analysis; APDL; Mechanical properties; Data analysis

0 ?引言

飛機(jī)起落架作為飛機(jī)安全著陸時(shí)極其重要的承力部件，影響著整個(gè)飛機(jī)的著陸安全，一旦起落架結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞會(huì)造成不可估量的損失。利用ANSYS這一款有限元分析軟件準(zhǔn)確地進(jìn)行起落架力學(xué)有限元仿真分析是全面評(píng)估起落架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的有效手段，能夠系統(tǒng)地研究起落架結(jié)構(gòu)的承載能力。但由于ANSYS軟件本身的數(shù)據(jù)后處理、繪圖等功能有限，常常需要把ANSYS模擬后的結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)出以做進(jìn)一步的處理分析。本文提出了一種新的方法，基于Matlab平臺(tái)編寫腳本，將ANSYS APDL模塊計(jì)算完成的數(shù)據(jù)表批量整齊的導(dǎo)出成csv文件，便于后期數(shù)據(jù)處理交互，提高工作效率。

1 ?起落架結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵零件建模

1.1 ?飛機(jī)起落架結(jié)構(gòu)

飛機(jī)起落架主要用于對(duì)飛機(jī)的起飛、著陸、地面滑跑和地面停放。采用油氣式減震支柱進(jìn)行減震，通過(guò)操縱液壓系統(tǒng)進(jìn)行起落架正常收放。起落架在飛機(jī)著陸時(shí)承受巨大沖擊載荷，其振動(dòng)與沖擊載荷主要靠油氣式減震支柱來(lái)吸收，并消耗著陸和滑行時(shí)的撞擊能量[1]。工作原理主要是在主活塞與次活塞之間形成的空腔形成緩沖支柱，其內(nèi)部充滿液壓油與干燥空氣或高壓氮?dú)猓?dāng)減震支柱壓縮時(shí)，氣體與油液受到壓縮，吸收能量，起到緩沖減震作用。通過(guò)機(jī)輪剎車裝置吸收水平方向的能量。通過(guò)轉(zhuǎn)彎操縱機(jī)構(gòu)或者差動(dòng)剎車控制飛機(jī)轉(zhuǎn)彎和地面運(yùn)動(dòng)。減緩飛機(jī)滑跑時(shí)由于跑道不平導(dǎo)致的振動(dòng)[2]。

1.2 ?零件選擇與建模

減震支柱作為飛機(jī)起落架的關(guān)鍵零部件，直接影響到整個(gè)起落架落地時(shí)的安全性能。而減震支柱中又包括外筒與活塞桿兩個(gè)主要零部件，考慮到有限元分析的后續(xù)步驟順利進(jìn)行（有限元網(wǎng)格的劃分、材料和物理特性的定義以及邊界條件的施加等）[3]，選擇活塞桿為本文的研究對(duì)象。

具體到活塞桿建模時(shí)，由于起落架活塞桿比較復(fù)雜，對(duì)其整體進(jìn)行實(shí)體分析是一件比較困難的事情，而且計(jì)算量也很大。需要得到的是活塞桿的應(yīng)力情況，同時(shí)考慮到計(jì)算機(jī)資源的限制，需要對(duì)活塞桿各個(gè)部位以及加載部位進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，將對(duì)應(yīng)力影響不大的部位略去。對(duì)應(yīng)力分布只產(chǎn)生較小局部影響的特征，可以忽略[4]。對(duì)于一下加載附件和約束構(gòu)件，在保證載荷正確傳遞的情況下，也可以進(jìn)行較大簡(jiǎn)化，這樣得到保持較高的計(jì)算精度但卻大大減少計(jì)算量和求解時(shí)間的簡(jiǎn)化模型，如圖1所示。

2 ?基于ANSYS的活塞桿有限元分析

2.1 ?活塞桿模型導(dǎo)入及參數(shù)設(shè)計(jì)

將所建模型導(dǎo)入ANSYS軟件，以某型號(hào)民航飛機(jī)為例，其著陸重量大約為66 t。建立一個(gè)新的項(xiàng)目樹(shù)，進(jìn)行材料設(shè)置。由于起落架結(jié)構(gòu)為飛機(jī)的主要受力結(jié)構(gòu)之一，飛機(jī)起降頻繁、載重量大，因此對(duì)用鋼的抗沖擊性、抗疲勞強(qiáng)度等要求苛刻，本文選用的起落架材料為30CrMnSiNi2A鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.28[5]。

2.2 ?活塞桿網(wǎng)格劃分與網(wǎng)格質(zhì)量檢查

ANSYS有限元網(wǎng)格劃分是進(jìn)行數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，直接影響著后續(xù)數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果的精確性。網(wǎng)格數(shù)據(jù)的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量也會(huì)影響計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[6]。一般來(lái)講，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度會(huì)有所提高，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)權(quán)衡兩個(gè)因素綜合考慮。由于ANSYS19.2具備人工設(shè)置網(wǎng)格大小控制疏密分布以及選擇分網(wǎng)算法等，本文采用自由網(wǎng)格劃分對(duì)起落架活塞桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分。選中Mesh模塊Details of mesh選項(xiàng)網(wǎng)格參數(shù)。其中sizing中的Relevance Center選項(xiàng)設(shè)置為Medium，其余采用默認(rèn)設(shè)置。網(wǎng)格劃分圖像如圖2所示。

網(wǎng)格質(zhì)量檢查是有限元分析過(guò)程中的一個(gè)重要步驟[7]。通過(guò)檢查單元形狀、局部網(wǎng)格細(xì)化、改進(jìn)網(wǎng)格等操作完善網(wǎng)格劃分，使分析結(jié)果盡可能準(zhǔn)確。ANSYS軟件提供了形狀檢查手段來(lái)幫助判斷網(wǎng)格質(zhì)量，形狀不好的單元可能是計(jì)算結(jié)果非正常結(jié)束，需要清除或修改。

針對(duì)活塞桿網(wǎng)格分析的網(wǎng)格質(zhì)量檢查如圖3所示。通過(guò)檢查單元發(fā)現(xiàn)，整個(gè)活塞桿共劃分節(jié)點(diǎn)16377個(gè)，單元8907個(gè)。形狀不好的單元并未出現(xiàn)在所關(guān)心的關(guān)鍵部位上，Element Quality的均值為0.53098。綜合看來(lái)，整體網(wǎng)格質(zhì)量是良好的。

2.3 ?活塞桿約束及載荷定義

由于活塞桿結(jié)構(gòu)經(jīng)簡(jiǎn)化后作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，按照實(shí)際結(jié)構(gòu)和力學(xué)關(guān)系施加約束[8]。結(jié)合動(dòng)力學(xué)分析的一般方法，活塞桿與其他構(gòu)建之間在空間中有三個(gè)平動(dòng)自由度：UX、UY、UZ，三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度：RX、RY、RZ。選定Fixed support選項(xiàng)，選擇需要施加固定約束的面。本文需要施加的固定約束面有：活塞桿頂部中心點(diǎn)、輪轂接頭處、活塞桿與扭臂連接處。均施加全約束（即UX、UY、UZ、RX、RY、RZ六個(gè)方向全約束）。選擇Pressure選項(xiàng)，同時(shí)在Magnitude選項(xiàng)設(shè)置壓力，加載模型仿真。

2.4 ?ANSYS與仿真結(jié)果分析

對(duì)所建模型仿真，其中等效力云圖、等效彈性變形云圖與等效總變形云圖結(jié)果如圖4-6所示。

圖4顯示為當(dāng)前工況下活塞桿的第一應(yīng)力云圖。從圖中可以看出內(nèi)筒接觸擠壓區(qū)域出現(xiàn)了較高的第一主應(yīng)力。圖5顯示為當(dāng)前工況下活塞桿的第三應(yīng)力云圖。活塞桿與外筒接觸區(qū)域出現(xiàn)了較大的應(yīng)力值。除此之外，下部車架受擠壓作用，也出現(xiàn)

較高的應(yīng)力值。圖6顯示為當(dāng)前工況下活塞桿的VonMises應(yīng)力云圖，在此特殊工況下，活塞桿下端要承受上剎車?yán)瓧U的剎車載荷，因此引起活塞桿底端用于安裝上剎車?yán)瓧U的耳片拉應(yīng)力較高。

3 ?ANSYS數(shù)據(jù)后處理與二次開(kāi)發(fā)

3.1 ?ANSYS APDL模塊下數(shù)據(jù)后處理

Mechanical APDL是ANSYS的經(jīng)典界面，通常所說(shuō)的ANSYS指的是這個(gè)經(jīng)典界面，workbench ? 是ANSYS推出的一個(gè)CAE軟件整合平臺(tái)。由于Mechanical APDL與CAE軟件交互困難，所以前期的有限元分析本文使用了workbench進(jìn)行求解[9]。為了后續(xù)方便批量的處理求解結(jié)果的信息表，我們?cè)趙orkbench插入Command調(diào)用APDL模塊。

調(diào)入APDL模塊后，通過(guò)Read Results導(dǎo)入最后一次求解后的結(jié)果。打開(kāi)Sorted nodes模塊，針對(duì)我們所需要的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、應(yīng)力分量、主應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。由于ANSYS的數(shù)據(jù)文件保存為lis格式，不方便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的批量處理。因此本文通過(guò)Matlab軟件編寫腳本，將ANSYS APDL模塊計(jì)算完成的數(shù)據(jù)表批量整齊的導(dǎo)出成csv文件，便于后期數(shù)據(jù)處理交互，提高工作效率。

3.2 ?m/p腳本

MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。本文通過(guò)MATLAB軟件對(duì)文件格式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，對(duì)多個(gè)文件中的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理。

采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)次數(shù)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)序號(hào)從小到大排列起來(lái)，方便后面獲取每個(gè)數(shù)的位置。依次識(shí)別節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力分量、總應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移中的數(shù)據(jù)。通過(guò)識(shí)別數(shù)據(jù)集中的空格將數(shù)據(jù)按照所對(duì)應(yīng)的物理量進(jìn)行分類，并對(duì)應(yīng)相關(guān)的節(jié)點(diǎn)[10]。

運(yùn)行腳本，依次導(dǎo)入四個(gè)lis文件點(diǎn)擊運(yùn)行，分為坐標(biāo)操作、應(yīng)力分量操作、主應(yīng)力操作、提取S1、S2、S3、位移操作及結(jié)果保存五個(gè)步驟，在提示音響后數(shù)據(jù)處理結(jié)束，csv文件保存在源數(shù)據(jù)文件夾下。

3.3 ?數(shù)據(jù)結(jié)果分析

打開(kāi)生成的csv文件，由左往右依次生成節(jié)點(diǎn)序號(hào)、該節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z軸坐標(biāo)、該節(jié)點(diǎn)分別在X、Y、Z軸受力的大小、該節(jié)點(diǎn)所受第一拉應(yīng)力矢量大小與坐標(biāo)軸的方向余弦、該節(jié)點(diǎn)所受第二拉應(yīng)力矢量大小與坐標(biāo)軸的方向余弦、該節(jié)點(diǎn)所受第三拉應(yīng)力矢量大小與坐標(biāo)軸的方向余弦、該節(jié)點(diǎn)發(fā)生位移的適量大小與坐標(biāo)軸的方向余弦，共26列數(shù)據(jù)截取部分節(jié)點(diǎn)如表1所示。

4 ?結(jié)語(yǔ)

起落架裝置是飛機(jī)重要的具有承力兼操縱性的部件，在飛機(jī)安全起降過(guò)程中擔(dān)負(fù)著極其重要的使命，是飛機(jī)的主要部件之一，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到飛機(jī)的使用于安全。減震器作為起落架的重要受力部件，飛機(jī)在著陸接地瞬間或在不平的跑道上高速滑跑時(shí)，與地面發(fā)生劇烈的撞擊，除充氣輪胎可起小部分緩沖作用外，大部分撞擊能量要靠減震器吸收。本文針對(duì)減震器的主要受力部件活塞桿進(jìn)行研究，并根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，由ANSYS對(duì)活塞桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分并檢查和優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量，分析起落架活塞桿的受力與變形，通過(guò)APDL模塊查看和導(dǎo)出分析結(jié)果。通過(guò)對(duì)結(jié)果的初步分析可知，內(nèi)筒接觸擠壓區(qū)域出現(xiàn)了較高的切向應(yīng)力，活塞桿與外筒接觸區(qū)域以及下部車架收到擠壓作用出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。活塞桿底端用于安裝上剎車?yán)瓧U的耳片受到較大的拉應(yīng)力。再通過(guò)MATLAB平臺(tái)編寫程序，將ANSYS APDL模塊計(jì)算完成的lis文件批量整齊的導(dǎo)出成csv文件，便于工程技術(shù)人員后期對(duì)有限元分析結(jié)果的交互處理，簡(jiǎn)化工作流程，提高工作效率，改善后期數(shù)據(jù)的處理與交互。

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