潘虹

摘 要：機(jī)輪輪轂受力是衡量飛機(jī)機(jī)輪質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。隨著有限元分析法的不斷發(fā)展，能對(duì)輪轂受力進(jìn)行更好的分析，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行更好的優(yōu)化。本文介紹了有限元分析法，通過(guò)分析輪轂的結(jié)構(gòu)及受力，研究了輪轂受力的有限元分析和輪轂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)機(jī)輪；輪轂受力；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

機(jī)輪是飛機(jī)身上重要的組成部分。飛機(jī)無(wú)論是在起飛還是降落的時(shí)候，飛機(jī)機(jī)輪都承載了非常巨大的沖擊力，承受著非常高的溫度。機(jī)輪輪轂受力是衡量飛機(jī)機(jī)輪質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。飛機(jī)機(jī)輪的結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，因?yàn)橐獓?yán)格控制誤差，設(shè)計(jì)的難度比較大。隨著有限元分析法的不斷發(fā)展，能對(duì)輪轂受力進(jìn)行更好的分析，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行更好的優(yōu)化。

一、有限元分析法

在科學(xué)界，無(wú)論是解決力學(xué)問(wèn)題，還是解決物理問(wèn)題，人們都要面臨精確度問(wèn)題。科學(xué)家為了解決這個(gè)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)不斷努力找到了數(shù)值解法。數(shù)值解法逐漸成為求解科學(xué)技術(shù)問(wèn)題的重要工具。傳統(tǒng)的數(shù)值解法都存在只限于幾何形狀規(guī)則的問(wèn)題。于是科學(xué)家有找到一種新的數(shù)值解法——有限元法。有限元法是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行的一種數(shù)值近似法，對(duì)連續(xù)問(wèn)題進(jìn)行單元離散，每個(gè)單元都有一定數(shù)目。一般的求解區(qū)域都是連續(xù)著的，對(duì)這些求值區(qū)域進(jìn)行離散，分為幾個(gè)按規(guī)則聯(lián)合的單元組合體，從而把無(wú)限的問(wèn)題變成有限的問(wèn)題，連續(xù)求得近似解，最好求得精確解。在分析復(fù)雜的問(wèn)題或結(jié)構(gòu)時(shí)，有限元法是非常有效的工具?？梢哉f(shuō)在數(shù)值方法研究領(lǐng)域，有限元法是重大的突破和發(fā)展。有限元法在各技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

二、輪轂的結(jié)構(gòu)及受力分析

輪轂結(jié)構(gòu)在整體上是軸對(duì)稱的，這樣的結(jié)構(gòu)便于安裝輪胎。一般車輪在工作的情況下，剎車裝置和橡膠輪胎都是必須要安裝的，前者應(yīng)安裝在輪轂的內(nèi)部，后者應(yīng)安裝在輪轂的外部。有三種力作用在輪轂上，分別是充氣力、徑向力和側(cè)向力。輪轂受充氣壓力，在輪胎內(nèi)氣壓的影響下，壓力在輪緣的根部產(chǎn)生，形成較大的正應(yīng)力。一般輪胎的充氣壓力為0.765Mpa。輪轂受徑向力，飛機(jī)子著陸時(shí)輪轂是一種沖擊狀態(tài)，這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)徑向力。輪轂受側(cè)向力，飛機(jī)著陸時(shí)，由于徑向力和充氣壓力的共同作用，輪胎自然會(huì)發(fā)生變形，產(chǎn)生一種變形力。這種力通過(guò)輪胎作用在輪轂上，在輪轂上上從產(chǎn)生了側(cè)向力。側(cè)向力又分為向內(nèi)側(cè)向力和向外側(cè)向力。飛機(jī)在地面進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，或飛機(jī)進(jìn)行側(cè)偏著陸時(shí)，這時(shí)候輪轂會(huì)承受向內(nèi)側(cè)向力。在這種壓力的影響下，不僅機(jī)輪腹板的內(nèi)緣會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，而且減輕孔的圓角處也會(huì)產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，還有輪承支座也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。由于輪轂結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，比如是單復(fù)結(jié)構(gòu)，這時(shí)候側(cè)向力會(huì)朝著固定輪緣，從而產(chǎn)生向外側(cè)向力。在這種力的作用下，固定輪緣和活動(dòng)輪緣所受的力與一般情況正好相反。活動(dòng)輪緣與腹板的距離要小于固定輪轂與腹板的距離。受向外側(cè)向力的影響，懸臂梁結(jié)構(gòu)揮會(huì)發(fā)生變化，彎矩?cái)U(kuò)大。

三、輪轂受力的有限元分析

（一）邊界條件和施加載荷

無(wú)論飛機(jī)在什么工況下，相對(duì)位移是不會(huì)在機(jī)輪軸和輪轂內(nèi)側(cè)發(fā)生的。輪轂內(nèi)側(cè)和輪承之間應(yīng)該有一個(gè)接觸節(jié)點(diǎn)，因此這個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以視為邊界條件，成為固定約束。在這個(gè)邊界條件的范圍下，研究剖面的位移約束。實(shí)踐載荷主要研究輪轂主要受的四個(gè)力。一是機(jī)輪受充氣壓力。載荷要均勻的分布，要等效的分布，向輪緣根部的方向加載載荷。二是徑向載荷。向徑向力施加載荷的關(guān)鍵是找到施加載荷的節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)一般在輪緣截面的二分之一處，也就是半周上。在半周上找一百八十一個(gè)節(jié)點(diǎn)，要計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的受力，這就需要進(jìn)行積分計(jì)算。三是向內(nèi)側(cè)向力載荷。通過(guò)計(jì)算得出節(jié)力點(diǎn)受力的明確結(jié)果，這時(shí)候仍要按照余弦分布，把經(jīng)側(cè)向載荷作用在節(jié)點(diǎn)上。四是向外側(cè)向力載荷。同內(nèi)側(cè)載荷一樣，先把結(jié)果計(jì)算出，按余弦分布把經(jīng)側(cè)向載荷作用的節(jié)點(diǎn)上。

（二）數(shù)據(jù)結(jié)果分析

對(duì)收集的數(shù)據(jù)結(jié)果，用有限元法進(jìn)行計(jì)算?？梢缘贸鲆韵鹿r：一是充氣壓力工況，飛機(jī)機(jī)輪輪轂的兩端，在其根部的具有較大的應(yīng)力值，輪胎充氣壓力不會(huì)使輪轂變形。二是徑向載荷工況，在打氣空的位置，應(yīng)力比較集中，隨著載荷的增加，輪轂會(huì)發(fā)生變形，而且固定輪緣一側(cè)發(fā)生的變形較大。三是經(jīng)側(cè)向聯(lián)合載荷，向內(nèi)側(cè)向載荷，由于輪轂與軸之間，軸與軸承之間，以及輪轂與軸承之間進(jìn)行了有力的配合，輪轂形成了一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)，輪轂兩側(cè)的輪緣先開始變形，然后向腹板逐漸發(fā)展，變相區(qū)域也逐漸增多。四是經(jīng)側(cè)向聯(lián)合載荷，向外側(cè)向載荷，由于固定輪緣一側(cè)受壓，所以輪轂的變形主要發(fā)生在固定輪緣一側(cè)。干涉剎車裝置，可以有效避免變形過(guò)大。

四、輪轂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于輪轂結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)體的特點(diǎn)，所以優(yōu)化設(shè)計(jì)是基于這一特性，在輪轂的旋轉(zhuǎn)面上作的優(yōu)化構(gòu)形設(shè)想。同時(shí)，針對(duì)第五章中分也不宜過(guò)大的修型，且因?yàn)橥跍p重孔的步驟，修型后的輪轂應(yīng)當(dāng)能進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分；減重區(qū)域如圖中黑粗線所標(biāo)出。輪轂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于，輪轂結(jié)構(gòu)的表面并不規(guī)則，細(xì)小尺寸與線段很多，基于solidworks軟件的分析特性，要想大規(guī)模的修型，勢(shì)必打亂其中點(diǎn)、線、面的編號(hào)，使得優(yōu)化過(guò)程無(wú)法進(jìn)行。為此，筆者經(jīng)過(guò)分析，輪轂的外側(cè)輪轂由于要施加載荷，配合輪胎、軸承，挖打氣孔等，不宜改動(dòng)，因此選在內(nèi)側(cè)輪轂進(jìn)行結(jié)構(gòu)的修型處理。輪轂的外圈應(yīng)力水平較低，但已經(jīng)很薄，而且還要安裝動(dòng)剎車片，所以在修型時(shí)，也只能很小心的處理。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)飛機(jī)機(jī)輪輪轂的承受力進(jìn)行分析，對(duì)飛機(jī)機(jī)輪輪轂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以保證飛機(jī)的飛行安全。有限元法在飛機(jī)輪轂承受力研究和結(jié)構(gòu)物優(yōu)化中發(fā)揮了重要作用。

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