Cessna 172飛機(jī)起落架螺栓損傷分析

張鵬飛

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院，四川 廣漢 618300）

Cessna 172天鷹系列飛機(jī)，是歷史上生產(chǎn)量最多的單引擎四座小型飛機(jī)。在國(guó)內(nèi)某飛行學(xué)校，Cessna 172天鷹系列飛機(jī)為其飛行訓(xùn)練的主要機(jī)型，起降次數(shù)和飛行小時(shí)數(shù)目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)都是排在首位。飛行學(xué)校內(nèi)最主要訓(xùn)練的科目為起飛和降落，據(jù)統(tǒng)計(jì)其Cessna 172R平均每1000h就要飛2000個(gè)起落以上，而起落架是飛機(jī)起落過(guò)程最關(guān)鍵的系統(tǒng)，與飛機(jī)的安全緊緊相連。

Cessna 172R起落架配置形式為前三點(diǎn)式，這種配置形式能夠保證飛機(jī)在地面運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性較好。主起落架結(jié)構(gòu)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，主起落架支柱由6150合金彈簧鋼管和高強(qiáng)度的7075-T73鋁合金鍛造連接件構(gòu)成，用螺栓固定在機(jī)身底部。如圖1所示，該起落架彈簧管經(jīng)機(jī)體外端襯套進(jìn)行保持，再由一固定螺栓穿過(guò)其彈簧鋼管部分將其固定在飛機(jī)機(jī)體內(nèi)。

圖1 主起落架示意圖

由于螺栓固定后基本密封在隔框內(nèi)，只能通過(guò)觀察彈簧管的使用情況或在定時(shí)翻修時(shí)才能發(fā)現(xiàn)螺栓和螺栓孔的損傷情況，而此時(shí)問(wèn)題已經(jīng)產(chǎn)生，起落架性能下降，在著陸時(shí)容易產(chǎn)生安全事故。所以通過(guò)對(duì)螺栓工作原理和損傷部位特征進(jìn)行分析，查找引發(fā)螺栓受損的主要原因，降低故障率和受損程度，正是本文研究探討的目的。

1 受力分析

飛機(jī)訓(xùn)練期間主起落架分為空中和地面兩個(gè)狀態(tài)，在空中主要只受空氣阻力；在地面，起落架狀態(tài)分為著陸時(shí)、滑行期間、機(jī)輪離地時(shí)和飛機(jī)停放四個(gè)主要方面。固定螺栓主要承受起落架彈簧管帶來(lái)的剪切力矩，由于有襯套作為彈簧管縱軸約束，所以螺栓承受的就是起落架彈簧管與內(nèi)隔框所帶來(lái)的交變力矩，據(jù)觀察著陸狀態(tài)時(shí)起落架形變最大，所以我們就主要分析最重要的飛機(jī)著陸狀態(tài)。

主起落架在著陸時(shí)主要承受機(jī)輪觸地面的慣性力和機(jī)輪與地面的摩擦力，在此過(guò)程中襯套對(duì)于彈簧管只起保持作用，固定螺栓則承受彈簧管對(duì)螺栓的剪切力，具體體現(xiàn)在螺栓與彈簧管的上下端接觸點(diǎn)。

2 有限元分析

有限元計(jì)算模型建立的原則：在保證符合工程實(shí)際工況的情況下，盡量簡(jiǎn)化模型以節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，減小計(jì)算量以及計(jì)算時(shí)間。

基于有限元計(jì)算模型的建立原則，結(jié)合前面所作的受力分析，在充分考慮起落架相關(guān)組件的結(jié)構(gòu)、載荷傳遞方式、邊界約束特點(diǎn)并經(jīng)過(guò)一定量的反復(fù)試算后，確定了起落架隔框結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化幾何模型見(jiàn)圖2。由于機(jī)身內(nèi)隔框與機(jī)身通過(guò)鉚接與螺栓連接等方式緊密結(jié)合，所以我們將機(jī)身內(nèi)隔框進(jìn)行簡(jiǎn)化。

圖2 局部結(jié)合結(jié)構(gòu)

圖3 透視圖

本文所研究的是起落架系統(tǒng)固定螺栓部分，這部分主要由起落架彈簧管、機(jī)身內(nèi)隔框、固定螺栓、螺帽組成。如圖2所示，起落架固定螺栓依次穿過(guò)機(jī)體內(nèi)隔框，主起落架彈簧管鋼體部穿出部分由螺帽進(jìn)行固定。

材料屬性選擇：在材料的選擇方面，彈簧管材料選擇6150合金彈簧鋼，內(nèi)隔框材料選擇2024-T3鋁，材料的力學(xué)性能和材料的特性參數(shù)如表1所示。

表1 材料特性

螺栓材料根據(jù)其成分分析決定，然后根據(jù)其成分進(jìn)行查找牌號(hào)進(jìn)行分析，成分分析如表2。

表2 螺栓成分分析

定義約束和邊界條件：添加邊界條件時(shí)，盡可能根據(jù)真實(shí)情況下的受力和約束情況，考慮到起落架所受載荷和約束，添加的邊界條件如下：由于忽略?xún)?nèi)隔框與機(jī)身的相對(duì)位移，所以將內(nèi)隔框施加三個(gè)方向的固定約束。由于彈簧管外側(cè)有一個(gè)襯套進(jìn)行約束，所以在彈簧管上施加Y軸上的位移約束。

載荷的計(jì)算：本文在計(jì)算固定螺栓有限元分析時(shí)，主要分析飛機(jī)著陸階段，因?yàn)槿魧essna 172R飛機(jī)主起落架在飛機(jī)日常訓(xùn)練期間承受載荷做載荷譜，載荷最大值則為著陸狀態(tài)，所以將著陸狀態(tài)當(dāng)做主要狀態(tài)進(jìn)行分析。

由于無(wú)法獲得起落架工作時(shí)承受的外載荷的精確值（載荷譜），故采用模擬仿真的方法：根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，建立一組有限元計(jì)算模型，按實(shí)際工況估計(jì)并設(shè)定外載荷值，查看其應(yīng)力分布與云圖。（為了使螺栓受力點(diǎn)呈現(xiàn)的更加清晰，所以將著陸數(shù)據(jù)設(shè)置為接近飛機(jī)最大著陸重量1157kg）。

在圖4所示的彈簧管上施加5000N（外載荷設(shè)定值即飛機(jī)著陸而作用在彈簧管上的載荷值經(jīng)估計(jì)取為5000N）的均布載荷，方向?yàn)?Z正向，還有2000N（設(shè)定值為機(jī)輪觸地的摩擦力）施加在彈簧管上，方向?yàn)閅正向。將內(nèi)隔框進(jìn)行全方位位移約束。計(jì)算得出各組件的應(yīng)力云圖分別見(jiàn)圖4、5。

根據(jù)圖4顯示，螺栓和起落架接觸的上接觸點(diǎn)和下接觸點(diǎn)為應(yīng)力最大點(diǎn)，綜合上述分析可知，有限元計(jì)算模型得出的結(jié)果與受力分析情況基本吻合，由此可證明有限元計(jì)算模型的簡(jiǎn)化、單元設(shè)置、材料性能參數(shù)定義、網(wǎng)格劃分、約束條件設(shè)置、載荷施加符合實(shí)際工況。

圖4

圖5

3 故障敘述

在某架飛機(jī)進(jìn)行例行檢修，拆除起落架固定螺栓時(shí)，發(fā)現(xiàn)固定螺栓螺紋與隔框螺栓孔均有損傷，且都是螺紋式損傷。完好的內(nèi)隔框螺紋孔與螺栓中部本應(yīng)都是光滑無(wú)磨損的，但從圖中可以看出，螺栓表面的磨損非常嚴(yán)重，內(nèi)隔框螺栓孔也有螺紋狀損傷，這些損傷已經(jīng)影響到了自身的力學(xué)性能，給起落架整體結(jié)構(gòu)帶來(lái)很大的安全隱患。

從圖6中可以看出，磨損最嚴(yán)重的區(qū)域距離螺栓頭部20～45mm，根據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對(duì)比，這段磨損最嚴(yán)重的部位對(duì)應(yīng)的是螺栓與彈簧管的上接觸點(diǎn)至中空部位。而彈簧管上端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的螺栓直徑比正常直徑少了0.8mm。

圖6 （螺栓中部）

圖7 （內(nèi)隔框螺栓孔）

由圖8所示，磨損部位在中部靠近螺栓頭部區(qū)域，圖4有限元分析結(jié)果顯示，彈簧管與螺栓上接觸點(diǎn)剪切力為最大值，在磨損區(qū)域內(nèi)，且徑向磨損0.8mm，給飛機(jī)起落的安全性會(huì)帶來(lái)重要影響，且此次事件不是首例。

圖8 螺栓整體圖片

對(duì)螺栓表面與內(nèi)隔框損傷的觀察發(fā)現(xiàn)，內(nèi)隔框磨損與螺栓螺紋螺距相似，是由于安裝時(shí)造成安裝角不正確，使螺栓螺紋與內(nèi)隔框進(jìn)行相互磨損。后續(xù)在內(nèi)隔框有損傷的情況下，起落架交變載荷的作用致使內(nèi)隔框與彈簧管相對(duì)應(yīng)的螺栓孔錯(cuò)位，導(dǎo)致本身配合間隙較小的螺栓被彈簧管螺紋孔部分所切，致使螺栓磨損。在這種情況下，交變載荷會(huì)使螺栓受損情況加劇，安裝角度改變，若不加以控制，螺栓會(huì)持續(xù)磨損，使螺栓的力學(xué)性能下降，起落架結(jié)構(gòu)性能失效。

4 預(yù)防措施

起落架固定螺栓安裝過(guò)后內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)密閉，無(wú)法從外部觀察到螺栓孔與螺栓的受損情況，即使發(fā)生螺栓與螺栓孔磨損也無(wú)法檢測(cè)到，所以我們要進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)：

（1）改進(jìn)裝配工藝規(guī)程，正確工具進(jìn)行安裝與拆卸，固定螺栓要定時(shí)進(jìn)行力矩檢查。

（2）控制安裝誤差，減小裝配應(yīng)力，安裝時(shí)注意安裝角度，避免螺紋受損。

（3）減少檢查周期，定時(shí)進(jìn)行起落架艙檢查，及時(shí)進(jìn)行螺栓的檢查與更換。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于此類(lèi)飛機(jī)起落架固定螺栓損傷問(wèn)題開(kāi)展分析，通過(guò)仿真、試驗(yàn)及理論研究的方法，研究該處螺栓的載荷特性，以及螺栓損傷情況。從而使用完善的裝配工藝規(guī)程，控制安裝誤差，減小裝配應(yīng)力，減少檢查周期等方式進(jìn)行預(yù)防固定螺栓磨損問(wèn)題，從而減少起落架方面故障。