某型飞机起落架带锁撑杆的支杆截面优化设计

某型飞机起落架带锁撑杆的支杆截面优化设计

1.1/fyb1/t15/fyb1/t5/fyb1/t5/fyb1/t5/fyh0腹板高厚比以5/fyb1/t5e为标准,设置石线未除3.2t为了确保局部稳定，应限制支撑杆的比例和翼板的比例。b1/t≤(10+0.1λ)√235/fyb1/t≤(10+0.1λ)235/fy−−−−−−√(1)其中,b1=(b-tw)/2b1=(b−tw)/2腹板高厚比为:h0/tw≤(25+0.5λ)√235/fyh0/tw≤(25+0.5λ)235/fy−−−−−−√(2)其中,h1=h-2t1.2支杆最优刚度的确定及优化撑杆截面积公式:S=2tb+tw(h-2t)(3)截面惯性矩:惯性半径:i=√JSi=JS−−√(5)柔度:λ=liλ=li(6)柔度极限:λp=π√ECσpλp=πECσp−−−√>λ(7)此杆不属于大柔度杆。临界应力:σ=σb[1-σb(li)24π2C⋅E]σ=σb[1−σb(li)24π2C⋅E](8)临界力:Plin=σ·F(9)与撑杆受到的最大载荷相比,η=Ρlin|Ρ|η=Plin|P|(10)(10)式中:σp—比例极限,E—弹性模量,C—杆端支持系数C=1.0。其中,λ为支杆在受力过程中挠度,按文献中的规定,当λ<30时,取λ=30;当λ>100时,取λ=100。已知撑杆初始面积为1660mm2。定义优化参数t,b,h0,tw,如图1所示。因此,在给定截面面积情况下,以撑杆在最恶劣工况下的稳定性最好为优化目标,翼板宽厚比、腹板高厚比为约束条件,建立支杆的优化设计程序,采用迭代法求出不同截面面积下撑杆的最佳刚度值。运用Matlab优化工具箱的非线性约束函数fmincon进行优化搜索,对支杆截面尺寸进行优化,得到满足零件刚度情况下,严重工况下的支杆的截面优化尺寸。优化计算结果如图2所示。从图2中可以看出,随着截面积的减小,截面厚度尺寸下降较快,截面惯性矩逐步减小,宽度和高度下降较慢。在稳定系数接近1时,即接近失稳状态时,宽度和厚度尺寸下降较快。同时,在起落架工况中撑杆属于拉压杆,在拉力作用(1327.2kN)下按照材料比例极限(1400MPa)试算求得支杆最小截面积为948mm2,将截面积948mm2代入优化程序求得支杆稳定性系数接近3.1341,符合稳定性要求。支杆截面优化尺寸为:t=5.7478,b=67.2680,h0=29.6335,tw=9.6324。2元强度分析2.1撑杆有限元分析撑杆作为连接飞机机体和起落架的关键件,如图3所示,是一个两端具有耳子、中间为H字型的对称结构,为了提高计算效率,可将撑杆可分为两个同等部分,在建立有限元模型的过程中,只选用撑杆一半模型进行有限元分析。2.1.1单元单元生成因为结构对称,撑杆可建立1/2模型,如图4所示。利用MSC/NASTRAN前处理器,采用10节点四面体单元,生成9315个节点和4959个单元。网格划分完成后,消除重复节点。2.1.2节点内部z向位移作为连接飞机机体与起落架的重要件,撑杆在对称面上的节点只能产生Z向位移,在X和Y方向固定,在一端耳子内孔面上3个方向位移固定,无转动位移。载荷直接加在另一端耳子的内孔面上。2.1.3材料属性的确定撑杆材料:30CrMnSiNi2A,弹性模量:2.1×1011MPa;泊松比:0.3。2.2有限元分析结果撑杆在最大载荷工况下截面尺寸优化前的有限元模拟结果如图5所示。从图中可见撑杆受力最大部位发生在耳子附近的支杆上,其最大应力水平为764MPa,30CrMnSiNi2A的材料强度值为1667MPa,强度盈余量较大。根据支杆截面尺寸优化后的有限元分析结果如图6所示。其应力水平达到1120MPa,符合材料强度要求。3起落架带锁撑杆结构优化设计首先分析了撑杆截面尺寸设计约束,采用Matlab对支杆截面尺寸进行优化分析。得出给定截面面积条件下,稳定性最好的支杆截面尺寸。通过有限元分析了支杆在初始截面尺寸下,撑杆的应力水平为791MPa,材料富余量较大,截面尺寸优化后,撑杆应力水平达到1320MPa,满足材料强度要求,表明所采用的截面尺寸优化方法是可行的。同时,截面尺寸优化后,支杆截面面积从1660mm2减小到948mm2,仅支杆减重达到42.8%,在满足撑杆功用的情况下,有效的实现了其减重设计。起落架带锁撑杆是连接飞机机体与起落架的关键件,其设计的好坏直接影响着飞机的起飞着陆,常规设计中对其赋予了很大的安全系数,这就无疑增加了其本身的重量。通常可以通过优化其截面结构尺寸,在保证安全的情况下,尽可能减少其截面面积,从而减轻其重量。对于长杆类结构优化设计问题,P.E.Uys采用最小成本设计约束优化锥形塔的结构尺寸,得出在满足刚度要求的情况下,使用最少强化环的数量。Yucheng通过优化矩形薄壁梁的壁厚及截面尺寸,并用有限元计算检验优化计算结果。袁健结合规范进行桁架的构件截面尺寸优化,以减少重量。范存超采用运用Nastran有限元分析软件对装载机摇臂结构进行了强度分析,并根据分析结果对结构尺寸进行了改进。任治章提出一种设计型钢柱截面尺寸的直接法,并给出了直接法的设计公式及计算所需要的全部图表。彭兴黔采用直接法进