某型飞机主起下位锁撑杆方案CATIA有限元选型优化

（中航通飞研究院，广东 珠海 519040）

摘要：主起落架及其与机身结构连接设计为某项目飞机关键技术攻关课题。而主起落架方案中下位锁设计及连接方案又是主起落架方案设计中的关键难点。本文通过对下位锁部位建立多方案连接对比模型并进行CATIA有限元装配计算分析，成功解决了困扰下位锁连接设计的前期方案选型优化问题，其方法思路对类似设计具有较好的实用参考价值。

关键词：选型优化；CATIA有限元；飞机设计

中图分类号：V432 文献标识码：A1 概述

1.1 主起结构概述

某大型飞机着陆系统采用前三点式可收放起落架。起落架前轮布置在远离飞机重心的机身前部，主起落架布置在飞机重心之后翼身对接后加强框34框机身两侧。前起落架和主起落架均为单支柱双轮并列式起落架。该型飞机主起落架为支柱外伸式方案。其主要结构由主支柱、横向杆、垂向杆、航向杆、下位锁、上位锁及收放机构等构成，主要结构见图1。

1.2 主起结构受力分析

横向杆接头和垂向杆接头位于34框平面内，主要承受框平面内载荷。其中横向杆接头主要载荷为侧向载荷。主起航向杆和垂向杆设计为二力杆形式，承受杆件轴向载荷。垂向杆部位主要承受垂向载荷，航向杆主要用于承受从主支柱传到上部的航向载荷。主起下位锁通过前后两个连接点分别于机身33框、35框连接，受载既有航向载荷，同时还有侧向载荷，受载大且受力复杂。上位锁用于起落架收起时固定起落架。收放机构主要承受主起收放载荷，受载较小。

1.3 下位锁撑杆方案问题的提出

该型飞机主起方案的设计，参考了国外US-1飞机结构形式。由图2对比可知，US-1飞机在下位锁部位专门设计了撑杆结构，用以传递下位锁部位较大载荷。而某型飞机的主起结构与US-1飞机有类似之处，同时下位锁部位也是大受载点和复杂受力部位，目前设计方案下位锁处的受力究竟如何，撑杆有多大的作用，下位锁处是否需要设计撑杆？同时撑杆及连接点位置对载荷有何影响？……如何进行下位锁撑杆方案优化选型成为当务之急。

US-1飞机主起落架结构形式某型飞机下位锁连接方案

2CATIA有限元建模及计算

2.1 各方案结构建模

为解决上述问题，按照现有下位锁方案，建立各种下位锁撑杆连接方案模型。根据实际载荷方向、撑杆连接的前后位置及锁壳处连接点内外位置的不同，共建立无撑杆、前部内撑杆、前后内撑杆、前部外撑杆、前后外撑杆五种方案模型。根据不同方案模型建立下位锁局部CATIA有限元模型进行接头支座支反力计算。以前部内侧撑杆方案为例，方案模型详见图3，其余各方案模型见后面图6。

2.2模拟各接头部位螺栓连接

撑杆与撑杆座、撑杆与锁壳、锁壳与锁壳支座、锁壳与锁臂之间建立螺栓孔圆柱面同轴通用分析连接，选取用户自定义连接属性命令，起始端、末端选取刚性形式，中间段采用BEAM元，半径为连接件尺寸。

2.3零件网格划分

网格类型：各零件网格均采用四面体二维单元网格。

各零件网格大小划分见表1，网格划分三维模型见图4。

2.4建立支撑约束

在撑杆座、锁壳支座与机身连接面上建立固支约束，后继计算读取这些部位的支反力数值。

2.5载荷施加

在锁臂外侧，选取四个螺栓孔面建立虚拟刚性零件，作为载荷施加对象。

根据主起载荷计算报告，选取下位锁受载严重的起转载荷工况进行计算，施加载荷为起转工况时估算的下位锁锁臂载荷：

根据主起落架各接头载荷初步计算结果及主起落架收放原理试验数据，收放机构承载较小，对下位锁部位受载影响不大，计算中按忽略简化处理。

主起落架起转载荷：Px=263542N，Pz=329427N。

主起转轴离地面：3123mm，上下位锁距：1263mm，支柱离机身侧面接头孔：560mm

下位锁锁臂载荷计算：Px=-Px×3123/1263=－263542×3123/1263=-651656（N）

Py= Pz×560/1263=329427×560/1263

=146064（N）

计算得出的锁臂载荷Px、Py的反向载荷即为本有限元方案计算中的外部施加载荷。

2.6运行计算

无撑杆方案计算模型及结果见图5，各方案比较计算模型见图6。

3各方案数据对比分析

通过对上述各方案进行CATIA有限元建模及计算，其结果数据对比见表2。

从以上计算数据可以看出：

支座2、3上Fy明显大于Fx，Fy约为Fx的2倍以上，同时支座2处载荷明显大于支座3。

增加内撑杆设计对降低支座2、3处X方向纵向力有效果，但降幅最大仅为22.7%，也即内撑杆在分担纵向力上的效率仅为22.7%。

外撑杆在降低纵向力方面作用不大，最大降幅为8.3%。

内、外撑杆对支座2、3处Fy作用力降低作用不大，最大降幅5.1%。

增加撑杆设计后，其分担纵向力的最大效率仅为22.7%，撑杆支座受载很小，支座2、3处仍旧剩余大部分纵向载荷需要纵向梁传递，同时对于降低支座2、3位置的Fy方向载荷不起作用。而在支座2、3位置处Fy约为Fx的2倍以上，应重点考虑框上Y方向横向力的承受传递，纵向力相对应为次要因素。

综上所述，在下位锁位置为传递纵向力而增加撑杆及相应接头连接设计意义不大， 故选择按无下撑杆方案设计。

结语

通过上述CATIA有限元分析方法，成功解决了某型飞机主起下位锁撑杆方案的选型问题。其方法简便、实用、有效，计算结果数据直观可用，与传统强度有限元建模计算软件相比较，工作量大幅减少，并实现与原始结构数模的无缝对接，对类似结构设计具有较好的实用参考意义。

参考文献

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