某型飛機起落架帶鎖撐桿的支桿截面優(yōu)化設(shè)計

某型飛機起落架帶鎖撐桿的支桿截面優(yōu)化設(shè)計

1.1/fyb1/t15/fyb1/t5/fyb1/t5/fyb1/t5/fyh0腹板高厚比以5/fyb1/t5e為標準,設(shè)置石線未除3.2t為了確保局部穩(wěn)定，應(yīng)限制支撐桿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腹板高厚比為:h0/tw≤(25+0.5λ)√235/fyh0/tw≤(25+0.5λ)235/fy??????√(2)其中,h1=h-2t1.2支桿最優(yōu)剛度的確定及優(yōu)化撐桿截面積公式:S=2tb+tw(h-2t)(3)截面慣性矩:慣性半徑:i=√JSi=JS??√(5)柔度:λ=liλ=li(6)柔度極限:λp=π√ECσpλp=πECσp???√>λ(7)此桿不屬于大柔度桿。臨界應(yīng)力:σ=σb[1-σb(li)24π2C?E]σ=σb[1?σb(li)24π2C?E](8)臨界力:Plin=σ·F(9)與撐桿受到的最大載荷相比,η=Ρlin|Ρ|η=Plin|P|(10)(10)式中:σp—比例極限,E—彈性模量,C—桿端支持系數(shù)C=1.0。其中,λ為支桿在受力過程中撓度,按文獻中的規(guī)定,當λ<30時,取λ=30;當λ>100時,取λ=100。已知撐桿初始面積為1660mm2。定義優(yōu)化參數(shù)t,b,h0,tw,如圖1所示。因此,在給定截面面積情況下,以撐桿在最惡劣工況下的穩(wěn)定性最好為優(yōu)化目標,翼板寬厚比、腹板高厚比為約束條件,建立支桿的優(yōu)化設(shè)計程序,采用迭代法求出不同截面面積下?lián)螚U的最佳剛度值。運用Matlab優(yōu)化工具箱的非線性約束函數(shù)fmincon進行優(yōu)化搜索,對支桿截面尺寸進行優(yōu)化,得到滿足零件剛度情況下,嚴重工況下的支桿的截面優(yōu)化尺寸。優(yōu)化計算結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出,隨著截面積的減小,截面厚度尺寸下降較快,截面慣性矩逐步減小,寬度和高度下降較慢。在穩(wěn)定系數(shù)接近1時,即接近失穩(wěn)狀態(tài)時,寬度和厚度尺寸下降較快。同時,在起落架工況中撐桿屬于拉壓桿,在拉力作用(1327.2kN)下按照材料比例極限(1400MPa)試算求得支桿最小截面積為948mm2,將截面積948mm2代入優(yōu)化程序求得支桿穩(wěn)定性系數(shù)接近3.1341,符合穩(wěn)定性要求。支桿截面優(yōu)化尺寸為:t=5.7478,b=67.2680,h0=29.6335,tw=9.6324。2元強度分析2.1撐桿有限元分析撐桿作為連接飛機機體和起落架的關(guān)鍵件,如圖3所示,是一個兩端具有耳子、中間為H字型的對稱結(jié)構(gòu),為了提高計算效率,可將撐桿可分為兩個同等部分,在建立有限元模型的過程中,只選用撐桿一半模型進行有限元分析。2.1.1單元單元生成因為結(jié)構(gòu)對稱,撐桿可建立1/2模型,如圖4所示。利用MSC/NASTRAN前處理器,采用10節(jié)點四面體單元,生成9315個節(jié)點和4959個單元。網(wǎng)格劃分完成后,消除重復節(jié)點。2.1.2節(jié)點內(nèi)部z向位移作為連接飛機機體與起落架的重要件,撐桿在對稱面上的節(jié)點只能產(chǎn)生Z向位移,在X和Y方向固定,在一端耳子內(nèi)孔面上3個方向位移固定,無轉(zhuǎn)動位移。載荷直接加在另一端耳子的內(nèi)孔面上。2.1.3材料屬性的確定撐桿材料:30CrMnSiNi2A,彈性模量:2.1×1011MPa;泊松比:0.3。2.2有限元分析結(jié)果撐桿在最大載荷工況下截面尺寸優(yōu)化前的有限元模擬結(jié)果如圖5所示。從圖中可見撐桿受力最大部位發(fā)生在耳子附近的支桿上,其最大應(yīng)力水平為764MPa,30CrMnSiNi2A的材料強度值為1667MPa,強度盈余量較大。根據(jù)支桿截面尺寸優(yōu)化后的有限元分析結(jié)果如圖6所示。其應(yīng)力水平達到1120MPa,符合材料強度要求。3起落架帶鎖撐桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計首先分析了撐桿截面尺寸設(shè)計約束,采用Matlab對支桿截面尺寸進行優(yōu)化分析。得出給定截面面積條件下,穩(wěn)定性最好的支桿截面尺寸。通過有限元分析了支桿在初始截面尺寸下,撐桿的應(yīng)力水平為791MPa,材料富余量較大,截面尺寸優(yōu)化后,撐桿應(yīng)力水平達到1320MPa,滿足材料強度要求,表明所采用的截面尺寸優(yōu)化方法是可行的。同時,截面尺寸優(yōu)化后,支桿截面面積從1660mm2減小到948mm2,僅支桿減重達到42.8%,在滿足撐桿功用的情況下,有效的實現(xiàn)了其減重設(shè)計。起落架帶鎖撐桿是連接飛機機體與起落架的關(guān)鍵件,其設(shè)計的好壞直接影響著飛機的起飛著陸,常規(guī)設(shè)計中對其賦予了很大的安全系數(shù),這就無疑增加了其本身的重量。通?？梢酝ㄟ^優(yōu)化其截面結(jié)構(gòu)尺寸,在保證安全的情況下,盡可能減少其截面面積,從而減輕其重量。對于長桿類結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題,P.E.Uys采用最小成本設(shè)計約束優(yōu)化錐形塔的結(jié)構(gòu)尺寸,得出在滿足剛度要求的情況下,使用最少強化環(huán)的數(shù)量。Yucheng通過優(yōu)化矩形薄壁梁的壁厚及截面尺寸,并用有限元計算檢驗優(yōu)化計算結(jié)果。袁健結(jié)合規(guī)范進行桁架的構(gòu)件截面尺寸優(yōu)化,以減少重量。范存超采用運用Nastran有限元分析軟件對裝載機搖臂結(jié)構(gòu)進行了強度分析,并根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)尺寸進行了改進。任治章提出一種設(shè)計型鋼柱截面尺寸的直接法,并給出了直接法的設(shè)計公式及計算所需要的全部圖表。彭興黔采用直接法進