0 引言

起落架是民用飞机重要的承力部件，在起降过程中，它担负着极其重要的使命。根据中国民用航空规章25部^[1]721条款的定义，主起落架系统必须设计成:如果在起飞和着陆过程中起落架因超载而损坏，其损坏模式很不可能导致燃油系统任何部分溢出足够量的燃油构成起火危险。而飞机的起飞和着陆是飞机事故的多发阶段，大量统计表明^[2]，有50%以上的安全事故发生在飞机起飞、着陆阶段，所以主起落架需要设计成应急断离结构，使得主起落架能够有序脱离机体，从而保护油箱安全。现代民机主要通过将主起落架与机翼连接的连接销设计成薄弱结构实现紧急情况下主起落架与机翼结构的安全分离，因此称为起落架保险销^[3]。

本文针对某民用飞机主起落架上两种受力形式的保险销的设计与验证进行了研究，包含保险销的结构设计与强度校核，同时设计了一套试验台架用于保险销的断离试验验证，并通过研发试验结果对试验方案进行优化，最后得到最终的保险销结构尺寸。

1 保险销结构设计

为了保护油箱，保险销往往设置在主起落架的传力路径上，当主起落架承受载荷超过其极限承载能力时，保险销可以使得主起落架脱离机体。一般情况下主起落架上保险销的受力形式分为两种，一种主要承受弯矩，另一种主要承受剪力。以某民用飞机主起落架为例，如图1所示，前耳铰链销主要承受弯矩，后耳铰链销、侧撑杆上下部铰链销和作动筒接头铰链销主要承受剪力。对于这两种受力形式的铰链销^[4]，可以分别设计成图2和图3所示的保险销结构形式，用来实现起落架主断离功能。

针对主起落架各方向载荷的组合超载，其中阻力载荷占主要载荷时，一般需要在前耳铰链（前交点）处设置保险销; 垂向载荷占主要载荷时，一般需要在后耳铰链（主交点）处设置保险销; 侧向载荷占主要载荷时，一般需要在侧撑杆上下部铰链销处设置保险销。

2 保险销载荷与强度设计

在CCAR25.305中要求:结构必须能够承受限制载荷而无有害的永久变形。在直到限制载荷的任何载荷作用下，变形不得妨碍安全运行; 结构必须能够承受极限载荷至少3 s而不破坏。对于保险销同时也要求在限制载荷下无有害的永久变形，在极限载荷下不破坏，对于保险销还需要定义其断离载荷窗口，要保险销在该载荷窗口内可以实现结构破坏。故确定保险销设计载荷时，以其受载最严重的地面载荷工况作为限制载荷F_limit，其余载荷关系如下:

极限载荷:

断离载荷的断离窗口下限:

断离载荷的断离窗口上限:

对于主要承受弯矩的保险销，其往往还会受到剪力，受力形式比较复杂，故K₁和K₂的取值需要保守一些，一般K₁可以取1.1，K₂可以取1.21; 对于单纯受剪的保险销，其受力形式比较简单，可以适当降低K₁，K₂的取值，一般K₁可以取1.02，K₂可以取1.09。

在得到保险销的设计载荷后，需要对保险销进行强度分析^[5]，采用有限元软件对保险销进行建模与计算，其分析过程与一般结构的强度校核过程一样，本文不再赘述。

3 保险销试验台架设计

在对保险销进行结构设计和强度验证后，需要对保险销进行试验验证。为了模拟保险销真实的受载形式，保险销需要安装在起落架上进行强度试验，这样可以模拟真实的保险销连接刚度，对于限制载荷和极限载荷的试验验证可以将保险销安装到起落架上进行验证，但是对于断离载荷工况，其载荷量值已经超过起落架本身的受载能力，如果将保险销装在起落架上进行断离试验验证，那么将会对起落架本体造成永久损害，而且考虑分散性，往往试验需要验证多个保险销的承载能力，那么就需要多个起落架来支持断离试验，这样会造成试验成本过高，所以需要设计单独的试验台架来验证保险销的承载能力^[6]。

针对主起落架上两种受力形式的保险销，以某民用飞机主起落架前交点保险销和侧撑杆保险销为例，前者主要承受弯矩，后者主要承受剪力，需要设计两种试验台架来进行试验。保险销的整体试验台架设计图如图4所示，其中“保险销试验台架”可以针对不同受力形式的保险销进行更换。

对于图4中的“4-保险销试验台架”，针对前交点保险销和侧撑杆保险销，分别设计试验台架如图5和图6所示。

由于图5和图6中的试验台架与真实的起落架刚度存在差异，所以需要对试验台架进行修正，即得到试验台架的修正系数，将修正系数考虑进保险销的断离载荷区间内，才能保证断离试验的结果与真实的结果一致。

以某民用飞机前交点保险销为例，对保险销试验台架进行修正，即建立保险销两种不同安装结构的有限元模型^[7]，通过对有限元模型的对比得到台架的修正系数。对于前交点保险销在真实起落架上的有限元模型，见图7和图8，前交点保险销在试验台架上的有限元模型如图9所示。

针对两种模型，前交点保险销的应力危险部位相同^[8]，如图10所示。对于C位置，该位置受载形式为受压，考虑到保险销真实的断离形式，该位置不予考虑。对于A、B位置，根据前交点保险销的金属材料属性，其理论断离应变为10%，故分别对比两种模型下引起A、B位置产生10%应变时的载荷，见表1^[9]。

故对于前交点保险销试验台架，为了保证其连接刚度与真实起落架上连接刚度相同，前交点保险销的断离试验载荷需要额外考虑1.115的系数。

对于侧撑杆保险销试验台架，与前交点保险销对比分析方法相同，分别建立起落架和试验台架有限元模型，将仿真得到的结果进行对比，得到侧撑杆保险销试验台架的修正系数为1.06。

4 保险销断离试验方案

保险销断离试验的成功判据为保险销的破坏载荷发生在断离窗口内，且从限制载荷快速加载至试验件破坏所需时间在3 s以内。断离试验的试验流程如图11所示^[10]，试验分两轮，第一轮试验无论成功与否，试验结果将用于验证试验台架的修正系数和优化保险销结构（见下一节），为此需要记录试验中的试验数据用于验证工作，对于前交点保险销可以粘贴应变片用于后续验证工作，如图12所示，对于侧撑杆保险销，由于空间限制无法粘贴应变片，可设置位移传感器记录试验中的位移用于后续的验证工作; 第二轮试验则为最终的验证试验，验证对象为结构优化后的保险销。

5 台架修正系数验证与保险销结构优化

对于第三章中试验台架的修正，由于分析时使用的材料断裂应变为理论应变，并且实际金属材料的材料属性并不会是一个定值，往往会在一定的区间内波动，所以断离试验完成后需要对试验台架修正系数进行验证，同时还要考虑材料的分散性对保险销的结构进行优化。下文以某民用飞机主起落架前交点和侧撑杆保险销为例进行验证。

5.1 前交点保险销试验台架验证与结构优化

首先需要利用试验中的应变片数据验证有限元模型的正确性。然后根据试验得到的断离载荷，代入有限元中得到该保险销的真实断裂应变（与10%的理论断裂应变明显不同），最后对比试验台架有限元模型和起落架有限元模型（该模型已经在起落架静力试验中验证）的载荷/应变曲线在保险销真实断裂应变处的差异，重新确认台架的修正系数为1.1，如图13所示。考虑该系数后，可以得到该民用飞机前交点保险销试验时的断离载荷区间要求为[2 550，2 805]。

为了解决金属材料的分散性对试验结果的影响，对于前交点保险销材料，其拉伸强度在1 655 MPa~1 850 MPa，将其分成4个等级，同时对应4种保险销断离截面内径，如图14及表2所示。

然后验证不同内径下的保险销是否满足断离要求。根据图纸前交点保险销受弯时的力臂存在上下公差，同时考虑保险销自身的尺寸公差，材料分散性，可以确定保险销的断离载荷窗口上限不应超过保险销最大外径、最小内径、力臂最小、材料属性最强时保险销的承载能力，窗口下限不应低于保险销最小内径、最大外径、力臂最大、材料属性最弱时保险销的承载能力。接下来需要在试验台架有限元模型中分别验证表2中4个区间的保险销的承载能力上下限都在[2 550，2 805]中，则表2中的尺寸设计满足要求。

5.2 侧撑杆保险销试验台架验证与结构优化

首先需要利用试验中的位移数据验证有限元模型的正确性。然后采用与前交点保险销相同的方法，重新确认台架的修正系数。考虑该系数后，可以得到该民用飞机侧撑杆保险销试验时的断离载荷区间要求为[1 300，1 390]。

对于侧撑杆保险销尺寸优化，这里采用与前交点不同的方法，由于侧撑杆主要承受剪力，故剪切强度与断离载荷息息相关，对于侧撑杆保险销材料，其拉伸强度在1 415 MPa~1 520 MPa，将其分成4个等级，每个等级选取4个点，根据式（4）~式（6）分别计算出4个点对应的保险销内径，然后将其连成一条光滑曲线形成侧撑杆保险销尺寸设计图，如图15和表3所示。

式中:

F_su——材料剪切强度，MPa;

F_{break_away}——保险销断离载荷，kN;

S——保险销断离截面面积，mm²;

F_tu——材料拉伸强度，MPa;

OD——保险销外径，mm;

ID——保险销断离内径，mm。

然后验证该曲线是否满足侧撑杆保险销断离要求。根据图纸得到侧撑杆保险销的装配间隙，同时与前交点保险销相同考虑自身的尺寸公差，材料分散性，在图15曲线上选取6~8个分散的点，分别代入台架有限元模型中验证保险销的承载能力上下限都在[1 300，1 390]中，则图15中的尺寸设计满足要求。

6 结论

当作为飞机重要部件的主起落架在超载情况下发生损坏，其损坏模式可能会导致机翼油箱损坏，从而引发起火危险甚至爆炸，威胁乘客生命财产安全。为了实现主起落架在超载情况下有序脱离，需要设计保险销结构。本文针对主起落架保险销主要描述了几个方面的内容，为保险销的设计与验证工作提供了工程实用的方法:

1）介绍了两种不同受力形式下，保险销的结构与载荷设计;

2）设计了一套试验台架和试验方案，用于验证保险销的断离设计是否满足要求，并根据试验结果对方案进行优化;

3）以某民机的起落架保险销为例，为了将尺寸公差、材料分散性等不确定因素考虑进保险销结构设计中，分别用两种方法对保险销断离截面的尺寸进行优化。

在保险销的尺寸优化工作完成后，仍然需要对优化后的保险销重新开展断离试验，确认其满足断离设计需求。如果优化后的保险销强度比原始构型弱，还需要重新完成限制/极限载荷强度试验确保保险销的静强度满足要求。

参考文献