CN110245438B - 一种基于有限元的航空机轮振动分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于有限元的航空机轮振动分析方法，该方法针对飞机机轮的振动特性进行分析。包括以下步骤:一、建立机轮几何模型，导入软件进行有限元模型建立；二、建立机轮各装配部件的接触模型；三、设定机轮各部件材料参数；四、计算机轮静侧向载荷、充气载荷、轴承支撑力、活塞施加压力；五、对机轮进行预应力下的模态分析；六、将模态分析结果导入谐响应分析模块，进行谐响应分析，得到机轮及其部件的位移、速度、加速度频域曲线，通过频率曲线来分析振动类型，判断颤振、啸叫、涡动三种主要振动形式发生的频率，得到该机轮的振动特性，以便后期进行防振动设计和优化。

Description

一种基于有限元的航空机轮振动分析方法

技术领域

本发明涉及一种基于有限元的航空机轮振动分析方法，主要用于航空机轮的振动特性分析，同时对机轮结构防振动设计和优化具有一定价值。

技术背景

航空机轮是飞机起落装置的重要组成部分。在飞机降落和起飞过程中，会受到各种载荷的冲击，产生剧烈的振动现象。针对航空机轮而言，引起各种激扰力的因素可以概括为3大类：一是飞机在地面上行驶时路面不平整对机轮产生的随机振动；二是飞机起降时碳盘的旋转；三是发动机运转时引起的间歇激振。如果这些激振力的激振频率和机轮的某一固有频率相吻合，就会产生共振，从而导致机轮上某些结构会产生数值很大的共振动载荷，影响乘客的舒适性，严重的甚至会破坏结构强度、影响刹车效率。在飞机刹车过程中，对航空机轮进行模态分析，可以确定结构和机械部件的固有频率及振型，从而使结构设计避免共振，并指导工程师预测在不同载荷作用下的振动形式，提高飞机着陆过程的稳定性，提高飞行安全性。然后进行谐响应分析，通过机轮及其部件的位移、速度、加速度频域曲线来确定振动类型，判断机轮及其部件发生颤振、啸叫、涡动三种振动时的频率。通过模态和谐响应分析可以为结构动力学优化设计提供目标函数或约束条件，为故障诊断与预报提供信息。

发明内容

本发明首次提出了通过CATIA建立了机轮刹车一体化模型并对其进行细节优化，运用Hyperworks进行网格优化，建立了高质量网格，完成了整个机轮的模态分析，确定了机轮的固有频率及其相应的振型，并探讨了不同激振力对结构功能和结构强度的影响。同时将模态分析结果导入谐响应分析模块，进行谐响应分析，得到机轮及其部件的位移、速度、加速度频域曲线，通过频率曲线来分析振动类型，判断颤振、啸叫、涡动三种主要振动形式发生的频率，得到该机轮的振动特性，继而根据该特性进行防振动设计和结构优化。

本发明一种基于有限元的航空机轮振动分析方法，包括下述步骤：

步骤一

以航空机轮为研究对象，建立航空机轮几何模型，导入软件进行有限元模型建立；

步骤二

建立机轮各装配部件的接触模型；

步骤三

设定机轮各部件材料参数；

步骤四

计算机轮径侧向载荷、充气载荷、轴承支撑载荷、刹车压力；

步骤五

对机轮进行预应力下的模态分析；

步骤六

将模态分析结果导入谐响应分析模块，进行谐响应分析，得到机轮及其部件的位移、速度、加速度频域曲线，通过频率曲线来分析振动类型，判断颤振、啸叫、涡动三种主要振动形式发生的频率，得到该机轮的振动特性，

步骤七

根据谐响应分析结果，进行防振动设计，同时对机轮结构进行优化，避开危险频率点，防止共振对机轮及部件造成损害。

本发明一种基于有限元的航空机轮振动分析方法，所述航空机轮为单幅板结构，分析对象包括机轮组件和刹车装置两部分；所述机轮组件包括轮毂、隔热屏、活动轮缘中的至少一种，所述刹车装置包括碳刹车盘、扭力筒、缸座中的至少一种，具体结构如附图二所示：机轮是由轮毂、扭力筒和碳盘(承压盘、动盘、静盘、压紧盘)装配而成，其中动盘和压紧盘与轮毂的导轨接触，静盘和承压盘与扭力筒的导轨相接触，轮毂和扭力筒相配合。基于航空机轮的设计图纸，通过CATIA软件设计得到航空机轮的实际三维实体模型，并进行模型修正：1、忽略结构体上的小孔、倒角、螺栓、垫片、密封圈以及部分凹槽，这些结构在实际工作中只起到装配作用，对结构的动力学分析无显著影响；2、由于是装配体，使用CATIA软件进行碰撞干涉检查，以保证模型之间的装配关系合理。将修改好的实体模型导入软件划分网格，建立有限元模型。

本发明一种基于有限元的航空机轮振动分析方法，步骤三中，建立机轮各装配部件的接触模型时，需建立刹车盘各摩擦盘之间的接触单元、承压盘与扭力筒的接触表面的接触单元、动盘与轮毂导轨之间的接触面的接触单元、静盘与扭力筒导轨之间的接触面的接触单元。如图三所示，建立完整的接触模型。

本发明一种基于有限元的航空机轮振动分析方法，当刹车盘的摩擦层为碳材质时，建立碳盘与碳盘的接触表面的接触单元。

本发明一种基于有限元的航空机轮振动分析方法，轮毂和缸座材料为AISI2014-T6铝合金，刹车盘材料为博云鑫航碳碳复合材料，扭力筒使用的材料是TC4钛合金.

本发明一种基于有限元的航空机轮振动分析方法，通过经验公式计算机轮的径侧向载荷、充气载荷和轴承支撑载荷，同时将防滑刹车控制盒实际工作的刹车压力通过活塞施加到压紧盘上，按实际工作情况施加约束条件，完成边界条件设置。

机轮所受的径向载荷、侧向载荷和充气载荷的计算公式分别为(1)径向载荷

如图4所示，径向载荷P_r作用下，轮胎压缩变形，产生附加侧向载荷，计算公式为：

式中：Z_r——径向载荷的附加侧向载荷；

P_r——径向载荷；

R_r——径向载荷P_r的一半；

D——轮胎外径的名义直径；

d——轮胎与轮毂结合径处直径；

f——轮胎在P_r下的压缩量；

h——轮缘高度；

C——两轮缘之间的距离；

(2)侧向载荷

由图5可知：侧向载荷Z_s是由于径向载荷P_r在滑行转弯和侧偏着陆而作用在轮胎上，使轮胎除有径向变形外，还有侧偏变形，从而将侧向载荷Z_s传到轮缘上，并附加一对由R_s组成的力矩，用以等效侧向载荷作用，其计算公式如下：

式中：R_s——侧向载荷的附加径向载荷

C、d、f、h同上一公式。

(3)充气压力

模拟过程忽略了轮胎模型，将充气压力转化为机轮轮缘上的作用力。根据《飞机设计手册》可以将充气压力等效为附加侧向力，等效公式如下：

Z＝πp₀[(R-r₀)²-r²]

式中：Z——充气载荷等效侧向力；

p₀——轮胎充气压力；

R——轮胎外径的一半，R＝D/2；

r₀——轮胎宽度的一半；

r——轮胎与轮毂结合径的一半，r＝d/2；

具体步骤如下：

1.建立机轮几何模型，导入软件进行有限元模型建立；

本专利分析的航空机轮为单幅板结构，分析对象主要包括机轮组件和刹车装置两部分。机轮组件包括轮毂、隔热屏、活动轮缘等，刹车装置主要由碳刹车盘、扭力筒、缸座等部件组成，基于航空机轮的设计图纸，通过CATIA软件设计得到航空机轮的实际三维实体模型，并进行模型修正。将修改好的实体模型导入软件划分网格，建立有限元模型。

2.建立机轮各装配部件的接触模型；

机轮由零部件装配而成，结构之间存在接触。考虑到实际运动及模态求解过程，对接触面进行建模。在于碳盘与碳盘的接触表面、承压盘与扭力筒的接触表面、动盘与轮毂导轨之间的接触面、静盘与扭力筒导轨之间的接触面分别设置接触单元，建立完整的接触模型；

3.设定机轮各部件材料参数；

机轮结构复杂，由多个部件组成，根据各个部件的功能选用或者自定义不同的材料参数。本专利分析所用轮毂和缸座材料为AISI 2014-T6铝合金，刹车盘材料为博云鑫航碳碳复合材料，扭力筒使用的材料是TC4钛合金。

4.计算机轮静侧向载荷、充气载荷、轴承支撑载荷、刹车压力；

通过经验公式计算机轮的径侧向载荷、充气载荷和轴承支撑载荷，同时将防滑刹车控制盒实际工作的刹车压力通过活塞施加到压紧盘上，按实际工作情况施加约束条件，完成边界条件设置。

5.对机轮进行预应力下的模态分析；

使用有限元软件求解器求解振动数学模型，得到指定频率范围内的机轮振动模态，通过个模态振型表征特定航空机轮的振动特性。

6.对机轮进行谐响应分析

将模态分析结果导入谐响应分析模块，进行谐响应分析，得到机轮及其部件的位移、速度、加速度频域曲线，通过频率曲线来分析振动类型，判断颤振、啸叫、涡动三种主要振动形式发生的频率，得到该机轮的振动特性，继而根据该特性进行防振动设计和结构优化。

7.防振动设计和结构优化

根据谐响应分析结果，进行防振动设计，同时对机轮结构进行优化，避开危险频率点，防止共振对机轮及部件造成损害。

原理和优势

航空刹车机轮由轮毂及刹车装置组成，前者主要起到支撑的作用，后者主要用于吸收飞机起降制动过程的能量。航空机轮作为一个具有多自由度的复杂动力学系统，其在飞机起降滑跑过程中会受到复杂的交变外力，因此会产生各种形式的振动现象，包括机轮摆振、啸叫、回旋振动等情况。在实际工作中，振动是不可避免的，当振动表现为各向幅值曲线、刹车力矩曲线平缓或者较快收敛时，工程上认为是允许的，不会对机轮结构产生明显的破坏影响。但是如果振动过于剧烈则会对主要构件乃至整个机轮结构产生破坏。

飞机在起降和滑跑过程中，通常由刹车装置摩擦特性引起的自激振动、摩擦面异常导致的强迫振动等各种形式的振动，会对飞机机轮的结构和刚度产生破坏，影响结构的使用寿命，还会产生噪声污染。刹车振动的危害主要体现在以下方面：①影响乘客乘坐的舒适度；②造成起落架构件和刹车装置组件结构疲劳或损坏，如碳盘键槽钢夹破坏、磨损指示杆脱落；③导致防滑刹车系统不能正常工作。因此急需一种有效的方法，用于表征机轮的振动特性，找到危险频率点，然后进行防振动设计和结构优化，避免机轮振动。

由于前人研究的内容主要集中在汽车的刹车装置和航空机轮的部分部件如轮毂、刹车盘的振动分析，没有涉及航空机轮及刹车装置一体化结构的有限元建模与动力学研究。本发明针对上述存在的问题，首次提出了通过CATIA建立了机轮刹车一体化模型并对其进行细节优化，运用有限元软件进行网格优化，建立了高质量四面体网格，完成了整个机轮的模态分析，确定了机轮的固有频率及其相应的振型，并探讨了不同激振力对结构功能和结构强度的影响。同时将模态分析结果导入谐响应分析模块，进行谐响应分析，得到机轮及其部件的位移、速度、加速度频域曲线，通过频率曲线来分析振动类型，判断颤振、啸叫、涡动三种主要振动形式发生的频率，得到该机轮的振动特性，继而根据该特性进行防振动设计和结构优化。

附图说明

附图1为本发明的流程图；

附图2为航空机轮结构示意图；

附图3为接触模型；

附图4为径向载荷分解示意图；

附图5为侧向载荷分解示意图；

图6为实施例1中机轮轮毂和轮缘

图7为实施例1中刹车组件结构示意图；

图8为实施例1中结构有限元模型图；

图9为实施例1中接触模型图

图10为实施例1中靠近腹板处轮毂径向载荷数据图；

图11为实施例1中靠近腹板处轮毂侧向载荷数据图；

图12为实施例1中远离腹板处轮毂径向载荷数据图；

图13为实施例1中远离腹板处轮毂侧向载荷数据图；

图14为实施例1中第一阶模态振型；

图15为实施例1中第二阶模态振型；

图16为实施例1中第三阶振动模态；

图17为实施例1中第四阶振动模态；

图18为实施例1中第七阶模态振型；

图19为实施例1中第十阶模态振型。

具体实施方式：

1.航空机轮装配体有限元模型的建立

1.1 CATIA三维实体模型建立

1-基于某型航空机轮的设计图纸，通过CATIA软件得到了航空机轮的实际三维实体模型机轮组件见图6(1-机轮轮毂；2-活动轮缘)，刹车装置见7(1-壳体；2-汽缸座；3-压紧盘；4-承压盘；5-静盘；6-动盘)，除去微小零部件得到简化模型。

1.2有限元模型建立

将得到的简化实体模型导入Hypermesh有限元软件中进行网格划分，然后用软件对所有结构表面进行2D网格划分，完成2D网格划分之后，首先进行质量检查，得到满足精度要求的结构网格，从而建立有限元模型，如图8所示。

2接触模型和材料设置

2.1接触模型

机轮模型为零件装配而成，所以结构之间存在接触。考虑到实际运动及模态求解过程，对接触面采用RBE2单元进行建模。通过Hypermesh建立完整的接触模型如图9所示：

2.2材料设置

根据机轮各个结构部件的材料属性进行设置，输入相关材料参数。

轮毂材料使用的是LD10铝合金，密度(kg/m^3)，弹性模量(MPa)；泊松比

扭力筒材料使用的是ZG30Cr18Mn12Si2N耐热钢，密度7750kg/m^3)，弹性模量194040MPa；泊松比0.3

碳盘材料使用的是C/C复合材料，密度1800kg/m^3，弹性模量90000MPa，泊松比0.333载荷计算和边界条件设置

3载荷计算

按照经验公式计算机轮径向载荷、侧向载荷、充气载荷，其计算公式分别为：(1)径向载荷

如图4所示，径向载荷P_r作用下，轮胎压缩变形，产生附加侧向载荷，计算公式为：

式中：Z_r——径向载荷的附加侧向载荷；

P_r——径向载荷；

R_r——径向载荷P_r的一半；

D——轮胎外径的名义直径；

d——轮胎与轮毂结合径处直径；

f——轮胎在P_r下的压缩量；

h——轮缘高度；

C——两轮缘之间的距离；

(2)侧向载荷

由图5可知：侧向载荷Z_s是由于径向载荷P_r在滑行转弯和侧偏着陆而作用在轮胎上，使轮胎除有径向变形外，还有侧偏变形，从而将侧向载荷Z_s传到轮缘上，并附加一对由R_s组成的力矩，用以等效侧向载荷作用，其计算公式如下：

式中：R_s——侧向载荷的附加径向载荷

C、d、f、h同上一公式。

(3)充气压力

模拟过程忽略了轮胎模型，将充气压力转化为机轮轮缘上的作用力。根据《飞机设计手册》可以将充气压力等效为附加侧向力，等效公式如下：

Z＝πp₀[(R-r₀)²-r²]

式中：Z——充气载荷等效侧向力；

p₀——轮胎充气压力；

R——轮胎外径的一半，R＝D/2；

r₀——轮胎宽度的一半；

r——轮胎与轮毂结合径的一半，r＝d/2；

在有限元数值计算过程中，基于圣维南原理并考虑级数展开的方便，径向载荷R_r以余弦规律分布在轮毂上半圆周上，侧向载荷Z_s以余弦规律分布在上半圆周120°的范围内，充气压力以恒定常数形式施加在轮缘上。建立数学模型时，柱坐标Z方向指向机轮轴向，Y方向设置为机轮角度方向，径向载荷施加在机轮180°到270°范围内，侧向载荷施加在机轮180°到240°范围内，具体施加载荷数据如图10-13：

3.2边界条件设置

根据实际情况，对边界条件进行设置，一般选取轮毂上两轴承座位置处施加固定约束

4航空机轮模态分析

使用有限元软件Hyperworks求解器进行计算求解，得到模态计算结果。结构的振动可以由各阶固有振型的线性组合表示，机轮有无数的固有频率，分析可知决定机轮的振动特性的主要是其低阶振型，结果主要取其前10阶。运用HyperworksOptiStruct模块进行模态分析求解，得到如表1所示的结果。从下面的模态振型图可以看出整个航空机轮存在着轴向振动、水平摆动、扭转振动、弯曲振动等多重形式。

表1航空机轮模型前10阶固有频率及振型

我们对其中比较典型的模态进行如下分析：图14为机轮的第一阶模态，频率为856.79Hz，主要表现为绕X轴的转动。由动力学特性分析理论可知，碳盘的旋转频率应避免在机轮的第一阶频率附近，否则碳盘会产生共振，使得碳盘之间的接触不够充分，进一步影响摩擦力产生，从而导致刹车效率的降低，导致飞机在降落过程需要更长的刹车距离和时间。

图15为机轮的第二阶模态，频率为917.73Hz，主要表现为沿X轴方向的振动。当各种激扰力的频率到达第二阶模态对应的频率时，会导致碳盘的轴向位移和轴向加速度值激增，除了会对刹车效率有影响之外，还会对机轮轮毂和扭力筒产生强烈的振动冲击，有可能对结构的刚度和强度造成破坏。考虑到刹车压力是通过缸座施加在承压盘上，当轴向振动过大，则会对缸座上的活塞造成不同程度的损伤。

图16、图17分别为机轮的第3、4阶模态振型，其固有频率分别为1004.45Hz、1046.12Hz。主要表现为碳盘在XY平面的弯曲振动。该振型会导致在刹车过程中，碳盘一侧的受力严重增大，造成刹车过程碳盘的损伤甚至断裂。而另一侧的碳盘分离。使得摩擦力急剧减小，刹车效率降低。

图18为机轮的第七阶模态振型，频率为1369.84Hz，主要表现为轮毂在Z Y平面的压缩和伸长振动。对碳盘沿X轴的振动影响不大，主要影响轮毂的结构强度。图19为机轮的第10阶模态振型，其固有频率为1903.62Hz，主要反映了扭力筒的振动情况。

5谐响应分析

将模态分析结果导入谐响应分析模块，进行谐响应分析，得到机轮及其部件的位移、速度、加速度频域曲线，从而对机轮及其部件的振动形式进行表征。

6.防振动设计和结构优化

6.1防振动设计

根据谐响应计算结果，得到各部件的振动形式和危险频率点，采用抑制刹车振动的措施进行防振动设计，主要有

1.摩擦材料：①改变刹车材料摩擦特性；②提高刹车盘制造精度

2.阻尼减振措施：①液压阻尼；②刹车盘阻尼；③采用减震垫

3.改变结构件频率：①刹车盘构型，②改进壳体结构；③改变约束方式。

6.2结构优化

以轮毂轮轴倾斜角、减重孔半径和轮缘半径作为设计变量，采用多目标优化方法：由于轮毂存在应力集中问题，优化轮毂局部几何尺寸，改善轮毂力学性能，消除甚至减小应力集中；针对机轮模型模态振型分析，通过合理布局来降低其一阶固有频率；不破坏机轮结构完整性，保证轮毂强度，不影响其使用功能的前提下，尽可能的减轻轮毂重量。以轮毂的强度、刚度和振动模态为约束条件，采用直接优化法中的Screening算法对机轮进行结构优化，优化结果如下变所示

表1优化前后数据对比

优化结果为机轮轮毂质量由23.891kg下降为23.33kg,减少比例为2.35％，优化后的力学性能验证与振动特性结果表明，在轮毂质量稍有减小的情况下，轮毂的强度和刚度得到提高，第一阶模态的频率降低，振动特性有所提升。

Claims (5)

1. 一种基于有限元的航空机轮振动分析方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一

以航空机轮为研究对象，建立航空机轮几何模型，导入软件进行有限元模型建立；

步骤二

建立机轮各装配部件的接触模型；

步骤三

设定机轮各部件材料参数；

步骤四

计算机轮径侧向载荷、充气载荷、轴承支撑载荷、刹车压力；

步骤五

对机轮进行预应力下的模态分析；

步骤六

将模态分析结果导入谐响应分析模块，进行谐响应分析，得到机轮及其部件的位移、速度、加速度频域曲线，通过频率曲线来分析振动类型，判断颤振、啸叫、涡动三种主要振动形式发生的频率，得到该机轮的振动特性，

步骤七

根据谐响应分析结果，进行防振动设计，同时对机轮结构进行优化，避开危险频率点，防止共振对机轮及部件造成损害；

通过经验公式计算机轮的径侧向载荷、充气载荷和轴承支撑载荷，同时将防滑刹车控制盒实际工作的刹车压力通过活塞施加到压紧盘上，按实际工作情况施加约束条件，完成边界条件设置；

机轮所受的径向载荷、侧向载荷和充气载荷的计算公式分别为

（1）径向载荷

径向载荷

作用下，轮胎压缩变形，产生附加侧向载荷，计算公式为：

式中：

——径向载荷的附加侧向载荷；

——径向载荷；

——径向载荷/>

的一半；

——轮胎外径的名义直径；

——轮胎与轮毂结合径处直径；

——轮胎在/>

下的压缩量；

——轮缘高度；

——两轮缘之间的距离；

（2）侧向载荷

侧向载荷

是由于径向载荷/>

在滑行转弯和侧偏着陆而作用在轮胎上，使轮胎除有径向变形外，还有侧偏变形，从而将侧向载荷/>

传到轮缘上，并附加一对由/>

组成的力矩，用以等效侧向载荷作用，其计算公式如下：

式中：

——侧向载荷的附加径向载荷

、/>

、/>

、/>

同上一公式；

（3）充气压力

模拟过程忽略了轮胎模型，将充气压力转化为机轮轮缘上的作用力；根据《飞机设计手册》可以将充气压力等效为附加侧向力，等效公式如下：

式中：

——充气载荷等效侧向力；

——轮胎充气压力；

——轮胎外径的一半，/>

;

——轮胎宽度的一半；

——轮胎与轮毂结合径的一半，/>

。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限元的航空机轮振动分析方法，其特征在于：所述航空机轮为单幅板结构，分析对象包括机轮组件和刹车装置两部分；所述机轮组件包括轮毂、隔热屏、活动轮缘中的至少一种，所述刹车装置包括碳刹车盘、扭力筒、缸座中的至少一种，基于航空机轮的设计图纸，通过CATIA软件设计得到航空机轮的实际三维实体模型，并进行模型修正：1、忽略结构体上的小孔、倒角、螺栓、垫片、密封圈以及部分凹槽，这些结构在实际工作中只起到装配作用，对结构的动力学分析无显著影响；2、由于是装配体，使用CATIA软件进行碰撞干涉检查，以保证模型之间的装配关系合理；将修改好的实体模型导入软件划分网格，建立有限元模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于有限元的航空机轮振动分析方法，其特征在于：建立机轮各装配部件的接触模型时，需建立刹车盘各摩擦盘之间的接触单元、承压盘与扭力筒的接触表面的接触单元、动盘与轮毂导轨之间的接触面的接触单元、静盘与扭力筒导轨之间的接触面的接触单元，建立完整的接触模型。

4.根据权利要求3所述的一种基于有限元的航空机轮振动分析方法，其特征在于：当刹车盘的摩擦层为碳材质时，建立碳盘与碳盘的接触表面的接触单元。

5.根据权利要求1所述的一种基于有限元的航空机轮振动分析方法，其特征在于：轮毂和缸座材料为AISI 2014-T6铝合金，刹车盘材料为博云鑫航碳碳复合材料，扭力筒使用的材料是TC4钛合金。

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