起落架关键结构疲劳寿命分析及优化研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 起落架关键结构疲劳寿命分析及优 化研究 【摘 要】本文以某型飞机主起 落架车架关键结构为研究对象，对其结 构进行疲劳寿命及灵敏度分析并指导结 构优化研究。通过疲劳寿命分析找出 Y 构危险薄弱部位，再分析薄弱部位部 分设计变量对结构指标的影响程度，然 后依据分析结果对结构进行优化研究。 结果表明，通过分析找出结构危险薄弱 部位并筛选出对结构指标影响最大的变 量，使结构优化具有针对性且优化效果 良好，为类似结构优化提供参考。 中国论文网 /8/view-12933700.htm 【关键词】关键结构；疲劳寿命； 灵敏度；优化研究 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 Fatigue Life Analysis and Optimization Research on Key Structure of Landing Gear LI Jing ZHANG Yi-pu ZHANG Xian-yu LI Wei （Aviation University of Air Force， Changchun Jilin 130022，China） 【Abstract】In this paper，the key structure of the main landing gear frame of a certain aircraft is studied，the fatigue life and sensitivity are analyzed and the structure optimization is conducted.Through the fatigue life analysis find out the dangerous parts of the structure，then analyze the influence degree of the design variables for the structural indexes，and optimize the structure according to the analysis results.The results，through analysis find out the risk weak parts of structural and -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 select the variables that have the greatest influence on the structural indicators，so that the structural optimization is targeted and the optimization effect is good，and providing a reference for similar structural optimization. 【Key words】Key structure；Fatigue life；Sensitivity；Optimization study 0 引言 随着现代飞机的快速发展，飞机 各项性能在不断提升，飞机结构出现的 问题也越来越多，其结构一旦出现问题， 将严重影响飞机的飞行安全。在出现的 结构问题当中，飞机起落架作为飞机整 体的一个至关重要的部件，问题总量约 占飞机整体故障的 40%左右1，而疲劳 损伤是飞机结构故障的主要原因之一2， 整体结构的安全性又由其关键结构来决 定3，故起落架关键结构安全性能的好 坏将严重影响飞机整体的安全评估。我 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 国针对起落架关键结构疲劳寿命的研究 较多，取得了一定的研究成果，但基于 疲劳寿命的优化研究较少，且大多数的 研究只是依据经验对其薄弱部位进行尝 试性修改4，缺少一定的理论依据及参 考意义。因此，对某型飞机主起落架车 架关键结构进行研究分析，定性定量地 找出对结构指标影响最大的设计变量， 为结构优化研究提供参考依据。 1 结构疲劳寿命分析 车架前摇臂作为飞机主起落架车 架的关键结构，用来平衡刹车时前后机 轮的载荷并且和轮架翻转机构相连，在 受到工作载荷作用时，极易产生结构变 形并引起应力集中，从而造成结构破坏。 通过对其结构特点及工作环境进行分析， 得出在刹车载荷作用下结构所受到的影 响最大。因此，将结构在刹车载荷作用 下进行分析研究。采用 CATIA 软件对 其进行全尺寸建模，并导入 ANSYS Workbench 中进行仿真分析。结构材料 为 30CrMnSiNi2A 钢，添加材料属性并 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 采用自动划分法划分其网格，共产生节 点 398255 个，单元 232149 个，通过检 查其单元质量、纵横比等多个性能指标 发现，网格划分符合要求且结果较理想。 然后依据结构受力特点对结构进行约束 处理，并按照载荷谱中提供的载荷大小 设置载荷，利用弹塑性有限元解的方法 并选择 Morrow 弹性应力线性修正的方 式对前摇臂结构进行疲劳寿命仿真分析， 分析得到结构疲劳寿命云图如图 1 所示。 图 1 前摇臂结构在刹车载荷下的 疲劳寿命云图 从分析云图可知，车架前摇臂结 构在刹车载荷条件下的疲劳寿命危险部 位在上拉杆接耳与中间轴孔过渡处，与 实际使用中发现裂纹部位较吻合，说明 分析结果具有一定的可靠性，同时说明 在此状态载荷下其薄弱部位发生结构破 坏的可能性较大，为接下来结构优化研 究提供参考。 2 结构优化方案选择 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 对结构进行灵敏度分析是优化研 究的重要基础，计算结构薄弱部位部分 主要变量对结构指标的影响程度，并将 所得结果进行对比，筛选找出对结构影 响最大的变量。再依据结构优化过程中 各指标的重要程度，运用层次分析法对 其进行指标权重计算。通过上述所得结 果对结构变量进行优化，可使结构改进 具有针对性。 2.1 结构灵敏度分析 灵敏度分析就是分析各目标对设 计变量改变的敏感程度5，敏感程度即 灵敏度。通过对灵敏度结果进行分析比 较，可以筛选得到对结构影响最大的变 量，并最终用于指导优化设计的搜索方 向和辅助决策，从而避免盲目修改，大 大提高优化效率。灵敏度绝对值越大， 改变该结构变量对结构指标的影响也就 越大。 灵敏度函数的数学表达 式为： （1） 式中：ui 表示结构性能指标；bj -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 表示结构设计参数。 本文将一阶向前差分的方法融入 在到灵敏度计算公式（1）中，可以得 出： （2） 依据灵敏度向前差分计算模型， 按照车架前摇臂在刹车工作载荷作用下， 分析初始条件下结构的疲劳寿命、应力 与重量，然后对设计参数逐个进行微小 的扰动，再对其进行疲劳寿命、应力与 重量分析，对比前后差值可以得出变量 对指标的影响情况。 依据前面疲劳寿命分析结果，车 架前摇臂薄弱部位主要为上拉杆接耳与 中间轴孔的过渡处，针对此薄弱部位， 选定部分设计变量。设定上拉杆接耳与 中间轴孔过渡处圆弧半径为 r，上拉杆 接耳与中间轴孔过渡处板厚度为 b。通 过分析计算得到，各变量对结构指标的 影响程度如表 1 所示。 表 1 前摇臂部分变量对结构指标 的影响程度 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 分析表中数据可知，圆弧半径 r 对寿命的影响大于板厚 b 对寿命的影响， 说明增加半径 r 可以增加结构抗疲劳能 力；圆弧半径 r 对应力的影响程度大于 板厚 b 对应力的影响程度，说明增加圆 弧半径的尺寸可以减小应力集中；同时 半径 r 对重量的影响小于板厚 b 对重量 的影响，说明增加半径 r 的尺寸对结构 重量影响很小。因此，选择圆弧半径 r 作为研究变量可以达到较好的优化效果。 2.2 结构指标权重计算 层次分析法6是用来辅助决策者 选择方案的一种基于定性与定量相结合 的方法，它将一些评判因素进行定量化， 为决策者提供一种直观地评判依据。按 照各指标在决策者心目中的重要程度， 将各指标进行对比并建立判断矩阵。按 照所建立的矩阵求各指标的权重系数。 文中基于结构疲劳寿命进行优化，所以 疲劳寿命最重要，其次是结构最大应力 作为伴随状态，最后是结构重量。则建 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 立的判断矩阵 P 为： 采用方根法计算其权重系数，并 验证所建立的矩阵 P 满足其一致性指标， 说明所建立的矩阵符合要求并能够较好 地反映出各指说南喽灾匾 程度，则 疲劳寿命、最大应力及结构重量的权重 系数 Wi 分别为：0.65、0.22、0.13。 3 结构优化研究与分析 车架前摇臂结构优化研究的主要 目的是增加结构的抗疲劳能力，将结构 重量控制在一定范围内的同时减小应力 集中。依据前面分析结果可知，选择圆 弧半径 r 作为优化研究对象，可以较好 地达到优化目的并使结构改变很小，同 时满足装配要求，建立优化模型，求目 标函数的最小值。 （3） 式中：式中：N 表示结构疲劳寿 命；max 表示最大应力；m 表示结构 重量；C 与 m1 为材料常数；Mmax 为 常数；Wz 为弯曲截面系数；k 表示原 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 圆弧半径 r；l 表示板宽。 结合结构重量及其相关约束条件， 利用数学规划法中的直接搜索法进行迭 代计算得出结果，得到变量圆弧半径 r 的半径改为 31mm 为最佳设计值。在 CATIA 中将结构模型进行修改，将修 改后的结构进行疲劳寿命分析及强度校 核。并对优化前后的结构指标进行分析 对比，对比结果如表 2 所示。 表 2 结构优化前后结果及对比情 况 由表中数据可知，通过对结构有 针对性地进行改进，可保证结构重量在 几乎不变的情况下，结构寿命明显增加， 同时结构应力集中得到改善，有效提高 了结构的抗疲劳能力，使结构优化达到