滑橇式起落架的落震分析与评价

滑橇式起落架的落震分析与评价

陈喜民

珠海隆华直升机科技有限公司   广东省珠海市 519000

摘要：采用有限元法创建了某型号无人直升机滑橇式起落架的分析计算模型，并基于相关直升机设计标准开展了起落架的落震模拟计算，获得了起落架在落震过程中完整的应力及位移响应变化。通过定义强度失效系数开展了起落架各构成结构的分析与评价，并根据分析结论提出了起落架优化的建议，为起落架的进一步设计提供指导。

关键词：滑橇式起落架；落震分析；有限元；应力失效

Abstract:The analysis and calculation model of the skid-type landing gear of an unmanned helicopter is established by using the finite element method,and the shock drop simulation of the landing gear is carried out based on the relevant helicopter design standards.The complete stress and displacement response changes of the landing gear during the shock drop are obtained. By defining the stress failure coefficient,the analysis and evaluation of the components of the landing gear are carried out. According to the analysis, the suggestions for the optimization of the landing gear are put forward to provide guidance for the further design of the landing gear.

Key words:Skid landing gear; Knock analysis; FEA;Stress failure

一、引言

起落架装置作为直升机的重要部件，是直升机用以起飞、着陆、滑跑、滑行和停放的专门装置，同时也是直升机着陆和起飞过程中吸收冲击能量的装置。起落架是通过产生很大的结构变形达到吸收着陆装机能量的效果，但结构又不能发生破坏而导致损坏机体。因此，文献[1]要求直升机起落架必须开展落震试验以验证其着陆载荷系数和能量吸收储备能力。但是，考虑到试验成本和优化迭代问题，对于新设计的起落架装置直接开展落震试验是不合适。一般是先采用有限元开展落震仿真分析，并根据分析结果优化起落架结构，直至仿真分析结果满足抗撞击设计要求再开展落震试验验证，确保试验一次性通过。

滑橇式起落架由于结构简单，且易于加工和维护而被大多数现代轻型直升机所采用。滑橇式起落架的落震分析是一个求解滑橇在动载荷作用下的几何非性、材料非线性和状态非线性的问题，Tho等[2]采用LS-DYNA对带圆角的矩形截面弓形梁进行简化，完成了滑橇起落架的落震分析；陈静等[3]采用RADIOSS开展了起落架落震仿真分析，得到不同重量重心、升力系数、落震高度的起落架着陆性能。

为了评价某轻型无人直升机滑橇式起落架的着陆性能，本文采用有限元方法对起落架开展落震分析，并定义强度失效系数以进行起落架的失效评价。基于评价结果提出了起落架的优化方向，对直升机滑橇式起落架的进一步优化设计具有非常重要的指导意义。

二、有限元建模

2.1三维结构

起落架的三维结构如图1所示，主要由前、后弓形梁、滑橇、连接抱紧块、加强梁及缓冲胶垫等组成。着陆时撞击能量的吸收主要是通过前后弓形梁的变形实现的，缓冲胶垫在着陆过程中起缓冲作用，降低起落架着陆时的冲击力。弓形梁通过抱紧连接块与滑橇连接。弓形梁、滑橇和加强梁的材料选用6063铝合金管材，抱紧块及其他连接件由7075铝板加工而成，缓冲胶垫为丁晴橡胶材料。

图1起落架三维结构示意图

2.2 有限元模型

基于图1所示的起落架三维结构创建其有限元模型。其中，弓形梁、滑橇及加强梁为典型的薄壳结构，为提高计算效率，采用壳单元进行建模；铝合金抱紧块的厚度为4.5mm，相对于其他两个方向的尺寸足够小，也可采用壳单元进行建模；缓冲胶垫则采用三维实体单元进行建模；在保证计算精度的前提下为提升计算效率，在建模过程中简化螺栓等连接结构，采用节点耦合、刚性连接和绑定接触设置等模拟结构间的连接关系；机身重量采用质量单元模拟，质量单元的节点坐标设置在整机的重心位置，质量属性设置为真实的整机重量245kg；采用刚性壳单元模拟着陆地面，并在地面与起落架缓冲胶垫及滑橇表面建立接触关系，接触类型选择罚函数。由此，得到起落架的有限元模型如图2所示，单元总数量为690251个，节点总数303169个。

图2 起落架有限元模型

对于落震分析，起落架需要考虑结构塑性变形后的破坏状态，因此模型中的弓形梁、滑橇、连接件等均采用弹塑性本构模型，缓冲胶垫为橡胶材料，采用超弹性本构模型。由文献[4]可以查得起落架各零件所用材料的力学属性，如表1所示，将表中的材料属性赋予相关零件。

表1 起落架各零部件力学性能

三、仿真计算与评价

3.1 计算与分析

对于本文研究的轻型直升机，文献[1]规定直升机的着陆载荷为：在旋翼提供2/3起飞重量的升力情况下，直升机以2.0m/s的下沉速度着陆。因此，基于起落架有限元模型，将模型中的重力加速度值调整为标准重力加速度的1/3（即6.537m/s2），以等效旋翼升力的影响。同时，对起落架模型整体施加2.0m/s的下沉速度，并将地面壳单元整体设置为固支约束状态。计算模型采用动力学显示方法求解，总求解时间设置为0.03s，最小时间步设置为10-7s。设置完成后，对模型进行求解可得到起落架完整的落震过程。图3展示了落震过程中起落架结构出现应力最大值时刻的应力云图。由图3可知，起落架在落震过程中的最大应力值为298MPa，出现在0.0231s时刻的弓形梁上。此时的弓形梁发生了严重的弯曲变形，变形量达到了8.2mm，说明弓形梁受到了巨大的撞击载荷作用。其他零部件中，与机身连接的连接抱紧块也出现了较大的应力响应，应力值达到258MPa；而滑橇和加强梁的应力值则较为平缓，均未超过100MPa。缓冲胶垫本身具有较大的变形能力，不进行评价。

图3起落架落震分析过程

3.2 结果评价

直升机设计手册[5]要求起落架在落震过程中，用于吸收撞击能量的弓形梁可以产生很大的塑性变形但结构不能产生破坏，而对于其他零部件在落震过程中最大等效应力不应大于其材料屈服强度。为便于数据分析，定义强度失效系数n，

(1)

式中，为考核结构的Von Mises应力峰值，MPa；定义为材料失效强度，MPa，对于弓形梁为材料的实际抗拉强度，对于其他零部件为材料的实际屈服强度。当n≤1时，认为结构安全；当n>1时，认为结构不安全。由起落架落震分析结果提取各个零部件在整个落震计算过程中的的Von Mises应力峰值，并结合表1所示的材料力学性能计算结构的失效系数，将计算结果列于表2。

表2起落架各零部件应力失效系数

可以看出，起落架的滑橇、加强梁以及抱紧块等零部件的最大应力失效系数均小于1，满足设备抗冲击安全性要求，且还有较大强度余量。而弓形梁的最大应力失效系数大于1，达到了1.439，不满足零部件的抗落震安全性要求，此弓形梁在真实的落震试验中可能会出现断裂的风险，需要开展弓形梁的进一步优化，如外形或管材厚度优化以提高其刚度及强度，保证弓形梁在落震试验过程中的强度可靠性。

四、结论

本文针对某轻型无人直升机，为研究其滑橇式起落架的着落抗撞击性能，采用有限元方法开展了起落架的落震分析，获得了起落架在落震过程的完整应力和位移响应，并基于计算结果对各零部件的结构可靠性进行了评估，得到如下结论：

a)起落架在着陆撞击荷载作用下，滑橇、加强梁的应力响应较为平缓，而弓形梁和连接抱紧块的应力响应则较为剧烈，尤其是弓形梁，视为起落架的薄弱零部件；

b)弓形梁的最大应力失效系数大于1，不满足设备抗落震安全性要求，需要开展弓形梁的进一步优化以提高其刚度及强度，确保部件在落震试验过程中的强度可靠性。

参考文献

[1]GJB 720-2012,军用直升机强度规范第2部分:载荷[S].中国人民解放军总装备部,2012.

[2] Tho C H, Sparks C E, Sareen A K et al. Efficient Helicopter Skid Landing Gear Dynamic Drop Simulation Using LS-DYNA[J].Journal of the American Helicopter Society, 2004, 49(4):483-492.

[3]陈静,沈安澜,吴远飞,等.直升机滑橇式起落架落震仿真计算与试验验证[J].科技和产业, 2021, 021(004):228-233.

[4]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2016.

[5] 飞机设计手册第19册直升机设计[M]. 北京:航空工业出版社,2005.