摘要：近年來我國的通用航空產(chǎn)業(yè)得到了大力發(fā)展，這對通航飛機(jī)的安全性提出了更加嚴(yán)峻的要求。剎車盤作為飛機(jī)安全的重要部件之一，各種文獻(xiàn)對其研究較少。因此，本文對某型單發(fā)活塞式飛機(jī)的剎車盤進(jìn)行了測量，并結(jié)合Hypermesh和Nastran軟件進(jìn)行了有限元建模和自由模態(tài)與約束模態(tài)分析，并對結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

關(guān)鍵詞：通用航空；剎車盤；有限元；模態(tài)分析

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）07-0261-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： In recent years， China's general aviation industry has been vigorously developed， which puts more severe requirements on the safety of general aviation aircraft. Brake discs are one of the important components of aircraft safety. But the study on the brake disc is few. So， in this article， the brake disc of a kind of a single piston aircraft was measured. And the finite element model was built with Hypermesh and free and constraint modal analysis and the comparison were conducted with Nastran.

Key words： general aviation； brake disc； finite element method； modal analysis.

1 引言

我國的通用航空近年來得到大力發(fā)展。數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全國通用航空2017年全年飛行83.75萬小時，同比增長9.5%。截至2017年底，全國獲得通用航空經(jīng)營許可證的企業(yè)365家，新增56家，比上年增長14.1%。通航機(jī)隊在冊總數(shù)為2984架（其中固定翼飛機(jī)1865架，旋翼機(jī)1017架），新增300多架，比上年增長15.0%。截至2018年6月底，已在中國民用航空局取得使用許可證的通航機(jī)場已達(dá)168個，且多地仍在規(guī)劃或正在建設(shè)通用機(jī)場已逾百座。通用航空的迅速發(fā)展，也對通用航空飛行、管理、維修提出了更大的挑戰(zhàn)，通航安全必須得到更大的重視。

相比運輸航空，通航飛機(jī)大多數(shù)為小型飛機(jī)，其中活塞式飛機(jī)更是占有相當(dāng)?shù)谋戎?。小型飛機(jī)飛行距離相對較短，起降次數(shù)多，因此剎車盤作為飛機(jī)降落時的主要制動部件，對飛機(jī)的安全降落發(fā)揮了重要作用。但是，查閱各種文獻(xiàn)，對通航飛機(jī)剎車盤的研究相對較少，因此本文擬在通航產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展的背景下，聚焦于某通航單發(fā)活塞式發(fā)動機(jī)的剎車盤，對其進(jìn)行有限元建模與分析，以為后期相關(guān)研究奠定一個基礎(chǔ)。

2 剎車盤

本文將要研究的剎車盤為通航小型飛機(jī)的活塞式盤式制動器中的組件之一。其通過駕駛員踩制動踏板，將制動壓力傳遞到制動管路，再傳遞到制動器活塞，通過活塞的運動使摩擦片與高速旋轉(zhuǎn)的剎車盤接觸，二者之間的摩擦力矩使機(jī)輪逐漸減速直至完全停止。圖1所示即為本文要研究的剎車盤在機(jī)輪上的位置圖。

為了建立剎車盤的有限元模型，需要首先對剎車盤從飛機(jī)機(jī)輪上進(jìn)行拆解和測量。查閱該機(jī)型的AMM手冊，找到相應(yīng)章節(jié)，按照標(biāo)準(zhǔn)程序?qū)υ撝苿悠鬟M(jìn)行拆解，圖2所示為手冊中該制動器的安裝示意圖和具體組件分解圖。

圖3所示為剎車盤的實物圖，其通過三顆緊固螺栓與主機(jī)輪輪轂固定在一起。對其進(jìn)行幾何數(shù)據(jù)測量，得到其二維中心剖面圖如圖4所示。

3 剎車盤有限元模型

根據(jù)圖4所測得的該剎車盤的幾何尺寸數(shù)據(jù)，利用Solidworks三維建模軟件進(jìn)行幾何模型建模，得到如圖5所示的剎車盤三維模型。將該剎車盤三維模型以.igs格式導(dǎo)入到專業(yè)的網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh中進(jìn)行下一步的網(wǎng)格劃分、材料屬性添加、邊界條件施加等，即可得到圖6所示的剎車盤有限元模型。

該剎車盤有限元選用的網(wǎng)格尺寸為3mm，共有14348個節(jié)點，52586個Ctetra4單元組成。剎車盤的材料屬性如表1所示。

由于剎車盤通過其帽部的三顆周向均勻布置的緊固螺栓與機(jī)輪輪轂相連，因此在該三個螺栓孔處和剎車盤帽部端面施加全固定約束，約束其三個平動和三個轉(zhuǎn)動自由度。從而得到了該剎車盤的有限元模型。

4 剎車盤模態(tài)分析

模態(tài)作為物體的固有屬性，可以反映物體在外界激勵下的振動表現(xiàn)，同時也能表現(xiàn)其剛度水平。因此對上節(jié)建立的剎車盤有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析。該功能通過添加EIGRL卡片來實現(xiàn)，選取前8階模態(tài)進(jìn)行分析。最后選擇SOL 103 Normal Modes求解模塊利用Nastran求解器進(jìn)行模態(tài)求解。

得到的該剎車盤前8階自由模態(tài)與約束模態(tài)結(jié)果如表2所示。

從表2的剎車盤前8階模態(tài)分析結(jié)果可以看出，由于剎車盤為軸對稱和中心對稱的結(jié)構(gòu)，因此有很多成對模態(tài)，即模態(tài)頻率相同或相近，振型相同或相似，僅在相位上有差別。如自由模態(tài)的第1、2階，第3、4階等。且約束模態(tài)的振動頻率由于約束的影響使得其均大于對應(yīng)階次的自由模態(tài)頻率。對比對應(yīng)階次的自由模態(tài)與約束模態(tài)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在前8階中，二者模態(tài)的第1、2階和第5、6階振型相同，頻率不同。但是其他階次無論是頻率還是振型，都相差較大。根據(jù)文獻(xiàn)[6]的模態(tài)振型數(shù)字特征描述來看，自由模態(tài)的第3階和第4階均為（0，2）的周向模態(tài)，但是約束模態(tài)的卻并無此階模態(tài)；且約束模態(tài)的第7階為（1，0）的周向模態(tài)，第3階和第4階為剎車盤的局部模態(tài)?？梢钥闯觯捎诩s束的添加，剎車盤的剛度增加從而使其各階頻率均大于對應(yīng)的自由模態(tài)，且出現(xiàn)了自由模態(tài)前8階所沒有的模態(tài)振型。

5 結(jié)論

本文首先對某型單發(fā)活塞式飛機(jī)的主機(jī)輪進(jìn)行了拆解得到了剎車盤模型，然后通過測量其幾何尺寸數(shù)據(jù)得到了其三維模型，通過有限元軟件Hypermesh進(jìn)行了有限元模型建模，并利用Nastran軟件進(jìn)行了自由模態(tài)分析與約束模態(tài)分析。通過對結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，其模態(tài)結(jié)果呈成對出現(xiàn)，及頻率相同或相近，振型相差一個相位。而且自由模態(tài)與約束模態(tài)由于約束的添加在某些階次的頻率和振型均相差較大。本文的研究結(jié)果可以為后續(xù)的相關(guān)研究提供一定的模型基礎(chǔ)和參考意義。

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【通聯(lián)編輯：梁書】