基于ANSYS的飞机前起安装支架焊修方案的分析

基于ANSYS的飞机前起安装支架焊修方案的分析
杨兆军
【摘要】某型飞机的前起落架安装支架是该型飞机起落架系统的关键部件,随着学院的飞行训练小时数和总起落次数的增加,部分支架发生了裂纹故障,对其进行焊接修复是维修中的难点工作.利用Pro/E软件对支架的各种焊片形状和焊接位置进行了三维建模,并导入ANSYS软件进行有限元强度分析,对比得出最佳的焊修方案,为起落架支架的焊修工作提供了理论上的依据.
【期刊名称】《装备制造技术》
【年(卷),期】2016(000)006
【总页数】4页(P201-204)
【关键词】安装支架;焊接修复;Pro/E;ANSYS;有限元强度分析
【作者】杨兆军
【作者单位】中国民航飞行学院飞机修理厂,四川广汉618307
【正文语种】中文
【中图分类】V267
某型飞机的前起落架安装支架是将前起落架安装在机身上的重要部件，承受着前起落架传递过来的各种载荷［1］。

由于本身设计存在缺陷，加之该型飞机主要用于训练飞行，起飞和降落频率高，在该机型使用几千飞行小时后，发现一些支架在安装管和上支管之间的焊缝区域产生了裂纹，如图1所示。

按照飞机的适航要求，该支架一旦产生裂纹，必须进行更换。

为了降低飞机维修成本，工厂决定对安装支
架作焊接加强修理，为了获得修理方案的理论支撑，本文运用Pro/E软件对支架
的各种可能的焊修方案进行来了三维建模，并将其导入ANSYS中进行有限元强度分析［2］，通过对分析结果的对比，从中选出可行的加强修复方案。

1.1 建立三维模型
采用PRO/ENGINEER对原支架和焊修方案建立三维模型，又因上支管和安装管上的线段无法构建在同一个平面上，焊片在焊接时只有经过弯曲变形后，方能和支架上的两管面相贴合，所以，在对焊片进行三维建模时，使用了Pro/ENGINEER中的“混合扫描”项功能；在建模时，当焊缝体现不明确时，如果进行倒圆角，就会形成更小的倒角，一是会造成ANSYS在进行网格划分时很困难，二是会造成ANSYS进行结构分析时产生更大的应力集中，从而使分析的结果与实际情况不符。

所以，在对焊修方案进行三维建模时，忽略一些小的倒角，用“伸入接触”来代替实际的焊缝。

1.2 有限元模型的建立
将支架的Pro/E模型导入到ANSYS软件中。

支架的材质为国外的合金钢材料，近似我国15CrMn－MoVA结构钢［3］。

材料的弹性模量2.06E+11 Pa，泊松比3.0，屈服极限为1.190E+09 Pa，强度极限为1.263E+09 Pa.ANSYS软件中常用的三维实体单元有solid45、solid85、solid95等。

本文采用常用的solid45单元［4］。

2.1 约束和加载
图1所示支架是通过4个焊接在支管上的安装板，用12颗螺栓固定在机身上，所以对4个安装板与机身框的接触面实施约束。

通过对前起落架减震支柱进行压力
测试，获得了压力平均值F=9 508 N.前起落架通过一根大螺栓穿过安装管固定在支架上，所以其它部位受力很小，主要加载面设定在安装管下端面上。

如图2所示。

2.2 支架有限元分析
从ANSYS软件分析结果可知，原支架所受的σmax为0.226E+09 Pa，其位于上支管与安转管之间的焊缝区域，即产生裂纹的位置，如图3所示。

支架最大位移
发生在上支管和安装管处，最大位移为0.303 mm，说明在此情况下安装支架产
生了大变形，对安装支架刚度有影响，如图4所示。

3.1 焊接加强修复方案设计
根据支架的实际情况，设计了八种焊接加强修复方案，如图5所示。

方案1：焊片形状为直角梯形，上底宽15 mm、下底宽12 mm、高为11 mm，焊片厚度为1.6 mm.焊接位置：梯形上底距安装管上端面11 mm，直角腰距安装管中轴面左侧8mm.
方案2：焊片形状：上底为7.3 mm、下底为55 mm、高为35.6 mm的梯形，焊片的厚度为1.4 mm.焊接位置：下底边距安装管中轴面左侧3 mm，腰边距安装
管上端面3.5 mm.
方案3：焊片形状为梯形，上底宽9.2 mm、下底宽46 mm、高为45.6mm，焊
片的厚度为1.3 mm.焊接位置：下底距安装管中轴面左侧6 mm，梯形腰距安装
管上端面3.5 mm，并将焊片上底的两角进行圆角过渡。

方案4：焊片形状为三角形，边长分别为51 mm和66 mm，两边夹角为116°，焊片的厚度为1.5 mm，然后将焊片与上支管的焊接部位倒角成圆角。

焊接位置：116°角顶距安装管中轴面左侧5 mm，距安装管上端面5.5 mm.该方案是在综合
了前两方案基础上进行了改进，增加力臂长度。

方案5：焊片形状为梯形，下底和上底分别为42.5mm和20 mm，高为35 mm，焊片的厚度为0.9 mm，然后将焊片弯成曲面。

焊接位置：下底边在安装管中轴面上，距安装管上端面4.7mm.
方案6：焊片形状为四边形，四条边分别为25 mm、55 mm、85 mm、43mm，
焊片的厚度为1.3 mm.焊接位置：将两焊片焊接在上部和中部两支管之间。

方案7：焊片形状为梯形，下底和上底分别为51 mm和8 mm，高为46.5 mm，焊片的厚度为1.5 mm，在焊接时将焊片弯成曲面。

焊接位置：下底在安装管中轴左侧5.6 mm，距安装管上端面5.5mm.
方案8：焊片形状为两梯形。

该焊接方案是在方案7的基础上进行的改进，在上部两支管之间再焊接一块焊片，以期望通过此来增加结构强度。

安装管两侧焊片的形状、尺寸和位置与方案7相同，上支管间焊片形状为下底和上底分别为43.2 mm
和35.3 mm，高为11mm的梯形，焊片的厚度为1.1 mm.焊接位置：焊片焊接
在两上支管中立面上，梯形上底距安装管中立面28.3 mm.
3.2 焊接加强修复方案有限元分析
将八种焊接加强修复方案的三维模型逐一导入ANSYS软件中进行有限元分析，分析结果如图6所示。

（续下图）
（续上图）
下面按照方案编号，对有限元分析结果进行罗列：
（1）裂纹区域的应力值为0.192E+09 Pa，比原支架在该区域的应力值有所减小，但在上支管与焊片之间的焊缝区域产生了更大的应力集中，σmax达到
0.346E+09 Pa.
（2）裂纹区域的应力值为0.188E+09 Pa，比原支架在该区域的应力值有所减小，但在上支管与焊片之间的焊缝区域形成了更大的应力集中，σmax达到
0.241E+09 Pa.
（3）裂纹区域的应力值为0.174E+Pa，比原支架在该区域的应力值有所减小，但在上支管与焊片之间的焊缝区域形成了更大的应力集中，σmax达到
0.224E+09Pa.
（4）裂纹区域的应力值为0.116E+09 Pa，明显降低了原支架裂纹裂纹的应力值，但上支管与焊片之间的焊缝区域的σmax达到0.209E+Pa.
（5）裂纹区域的应力值为0.196E+09 Pa，但在上支管与焊片之间的焊缝区域的
σmax达到0.220E+09 Pa.
（6）裂纹区域的应力值为0.218E+09 Pa，比原支架裂纹区域的最大应力值降低
不明显。

（7）裂纹区域的应力值为0.126E+09 Pa，明显降低了原裂纹区域的应力值，
σmax在上支管与焊片之间的焊缝区域，为0.162E+09 Pa，最大位移量为
0.232E -03 m，最大位移量和最大应力值都比原装安装支架裂纹区域的σmax有
了大的降低。

（8）裂纹区域的应力值为0.137E+09 Pa，明显降低了原裂纹区域的最大应力值，但在两上支管与焊片之间焊缝区域的σmax达到0.308E+09 Pa.
安装支架的焊接修复方案可能还其它好的方案，目前只作了以上八个方案的有限元分析，以后将不断研究出新的焊接修复方案，并作有限元分析，以便找到可行的最佳方案。

通过对八种焊接加强修复方案的有限元分析结果的比较分析，选取最佳焊接加强修复方案。

八种修复方案中，在安装管与上支架之间焊缝处的最大应力值都有所减小，但部分方案的最大应力值减小不明显，甚至1、2、8三种修复方案的最大应力值已大大
超过原支架的最大应力值。

通过对八种焊修方案的分析比较，方案7的最大应力
值及分布情况最为理想，所以就目前安装支架的焊修开发工作而言，将会采用方案7进行焊接维修工作。

【相关文献】
［1］江治俊.TB200型飞机前起落架安装支架焊接修复［J］.中国民航飞行学院报，2010，（5）：29-31.
［2］吴江，杨兆军.某型飞机翼肋组件的有限元分析及改进［J］.机械研究与应用，2014，（2）：55-57.
［3］杨兆军.某型飞机前起支架失效机理分析［J］.科技创新导报，2011，（24）：74-75.
［4］徐贵旭.基于ANSYS的大采高液压支架的优化分析［J］.机械研究与与应用，2015，（3）：9-10.。