飞机机轮轮毂受力的有限元分析及结构优化设计

　　摘要：机轮轮毂受力是衡量飞机机轮质量的一个重要标准。随着有限元分析法的不断发展，能对轮毂受力进行更好的分析，能够对结构进行更好的优化。本文介绍了有限元分析法，通过分析轮毂的结构及受力，研究了轮毂受力的有限元分析和轮毂的结构优化。
　　关键词：飞机机轮；轮毂受力；有限元分析；结构优化
　　机轮是飞机身上重要的组成部分。飞机无论是在起飞还是降落的时候，飞机机轮都承载了非常巨大的冲击力，承受着非常高的温度。机轮轮毂受力是衡量飞机机轮质量的一个重要标准。飞机机轮的结构是非常复杂的，因为要严格控制误差，设计的难度比较大。随着有限元分析法的不断发展，能对轮毂受力进行更好的分析，能够对结构进行更好的优化。
　　一、有限元分析法
　　在科学界，无论是解决力学问题，还是解决物理问题，人们都要面临精确度问题。科学家为了解决这个问题，经过不断努力找到了数值解法。数值解法逐渐成为求解科学技术问题的重要工具。传统的数值解法都存在只限于几何形状规则的问题。于是科学家有找到一种新的数值解法有限元法。有限元法是利用计算机进行的一种数值近似法，对连续问题进行单元离散，每个单元都有一定数目。一般的求解区域都是连续着的，对这些求值区域进行离散，分为几个按规则联合的单元组合体，从而把无限的问题变成有限的问题，连续求得近似解，最好求得精确解。在分析复杂的问题或结构时，有限元法是非常有效的工具。可以说在数值方法研究领域，有限元法是重大的突破和发展。有限元法在各技术领域得到广泛应用。
　　二、轮毂的结构及受力分析
　　轮毂结构在整体上是轴对称的，这样的结构便于安装轮胎。一般车轮在工作的情况下，刹车装置和橡胶轮胎都是必须要安装的，前者应安装在轮毂的内部，后者应安装在轮毂的外部。有三種力作用在轮毂上，分别是充气力、径向力和侧向力。轮毂受充气压力，在轮胎内气压的影响下，压力在轮缘的根部产生，形成较大的正应力。一般轮胎的充气压力为0。765Mpa。轮毂受径向力，飞机子着陆时轮毂是一种冲击状态，这时候会出现径向力。轮毂受侧向力，飞机着陆时，由于径向力和充气压力的共同作用，轮胎自然会发生变形，产生一种变形力。这种力通过轮胎作用在轮毂上，在轮毂上上从产生了侧向力。侧向力又分为向内侧向力和向外侧向力。飞机在地面进行转弯，或飞机进行侧偏着陆时，这时候轮毂会承受向内侧向力。在这种压力的影响下，不仅机轮腹板的內缘会产生很大的应力，而且减轻孔的圆角处也会产生巨大的应力，还有轮承支座也会产生应力。由于轮毂结构不对称，比如是单复结构，这时候侧向力会朝着固定轮缘，从而产生向外侧向力。在这种力的作用下，固定轮缘和活动轮缘所受的力与一般情况正好相反。活动轮缘与腹板的距离要小于固定轮毂与腹板的距离。受向外侧向力的影响，悬臂梁结构挥会发生变化，弯矩扩大。
　　三、轮毂受力的有限元分析
　　（一）边界条件和施加载荷
　　无论飞机在什么工况下，相对位移是不会在机轮轴和轮毂内侧发生的。轮毂内侧和轮承之间应该有一个接触节点，因此这个节点就可以视为边界条件，成为固定约束。在这个边界条件的范围下，研究剖面的位移约束。实践载荷主要研究轮毂主要受的四个力。一是机轮受充气压力。载荷要均匀的分布，要等效的分布，向轮缘根部的方向加载载荷。二是径向载荷。向径向力施加载荷的关键是找到施加载荷的节点，这个节点一般在轮缘截面的二分之一处，也就是半周上。在半周上找一百八十一个节点，要计算出每个节点的受力，这就需要进行积分计算。三是向内侧向力载荷。通过计算得出节力点受力的明确结果，这时候仍要按照余弦分布，把经侧向载荷作用在节点上。四是向外侧向力载荷。同内侧载荷一样，先把结果计算出，按余弦分布把经侧向载荷作用的节点上。
　　（二）数据结果分析
　　对收集的数据结果，用有限元法进行计算。可以得出以下工况：一是充气压力工况，飞机机轮轮毂的两端，在其根部的具有较大的应力值，轮胎充气压力不会使轮毂变形。二是径向载荷工况，在打气空的位置，应力比较集中，随着载荷的增加，轮毂会发生变形，而且固定轮缘一侧发生的变形较大。三是经侧向联合载荷，向内侧向载荷，由于轮毂与轴之间，轴与轴承之间，以及轮毂与轴承之间进行了有力的配合，轮毂形成了一个悬臂梁结构，轮毂两侧的轮缘先开始变形，然后向腹板逐渐发展，变相区域也逐渐增多。四是经侧向联合载荷，向外侧向载荷，由于固定轮缘一侧受压，所以轮毂的变形主要发生在固定轮缘一侧。干涉刹车装置，可以有效避免变形过大。
　　四、轮毂结构优化
　　由于轮毂结构具有旋转体的特点，所以优化设计是基于这一特性，在轮毂的旋转面上作的优化构形设想。同时，针对第五章中分也不宜过大的修型，且因为挖减重孔的步骤，修型后的轮毂应当能进行自适应网格划分；减重区域如图中黑粗线所标出。轮毂结构优化设计的难点在于，轮毂结构的表面并不规则，细小尺寸与线段很多，基于solidworks软件的分析特性，要想大规模的修型，势必打乱其中点、线、面的编号，使得优化过程无法进行。为此，笔者经过分析，轮毂的外侧轮毂由于要施加载荷，配合轮胎、轴承，挖打气孔等，不宜改动，因此选在内侧轮毂进行结构的修型处理。轮毂的外圈应力水平较低，但已经很薄，而且还要安装动刹车片，所以在修型时，也只能很小心的处理。
　　五、结语
　　综上所述，对飞机机轮轮毂的承受力进行分析，对飞机机轮轮毂的结构进行优化，可以保证飞机的飞行安全。有限元法在飞机轮毂承受力研究和结构物优化中发挥了重要作用。
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