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摘 要： 起落架是飞机结构中的重要部件之一，不仅承受着飞机与地面接触时产生的静、动载荷，还需要吸收飞机在着陆、高速滑跑时所产生的能量。活塞杆作为起落架的关键受力部件，本文以活塞杆为研究对象，通过ANSYS对活塞杆进行应力分析。通过APDL存储求解结果并导出，利用MATLAB搭建数据批量后处理系统。将活塞杆的有限元分析结果和数据后处理相结合，并对有限元的求解结果进行了深入研究，使得工程技术人员可以针对求解数据进行后续开发，为有限元分析提出了新的思路，改善后期数据的处理与交互。
关键词： 起落架;有限元分析;APDL;力学性能;数据分析
中图分类号： TP319 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.034
本文著录格式：孙乐萌，陈闵叶，杨思力，等. 基于ANSYS的起落架关键部件有限元分析及后处理[J]. 软件，2020，41（06）：164168
【Abstract】： Landing gear is one of the important parts of aircraft structure. It not only bears the static and dynamic loads generated when the aircraft contacts the ground， but also needs to absorb the energy generated when the aircraft lands and slides at high speed. The piston rod is the key part of the landing gear. This paper takes the piston rod as the research object， and analyzes the stress of the piston rod by ANSYS. The solution results are stored and exported by APDL， and the data batch post-processing system is built by MATLAB. The finite element analysis results of piston rod are combined with data post-processing， and the solution results of the finite element are studied in depth， so that the engineers and technicians can carry out the follow-up development for the solution data， and put forward new ideas for the finite element analysis， improve the treatment and interaction of the later data.
【Key words】： Landing gear; Finite element analysis; APDL; Mechanical properties; Data analysis
0 引言
飞机起落架作为飞机安全着陆时极其重要的承力部件，影响着整个飞机的着陆安全，一旦起落架结构发生损坏会造成不可估量的损失。利用ANSYS这一款有限元分析软件准确地进行起落架力学有限元仿真分析是全面评估起落架结构力学性能的有效手段，能够系统地研究起落架结构的承载能力。但由于ANSYS软件本身的数据后处理、绘图等功能有限，常常需要把ANSYS模拟后的结果数据导出以做进一步的处理分析。本文提出了一种新的方法，基于Matlab平台编写脚本，将ANSYS APDL模块计算完成的数据表批量整齐的导出成csv文件，便于后期数据处理交互，提高工作效率。
1 起落架结构与关键零件建模
1.1 飞机起落架结构
飞机起落架主要用于对飞机的起飞、着陆、地面滑跑和地面停放。采用油气式减震支柱進行减震，通过操纵液压系统进行起落架正常收放。起落架在飞机着陆时承受巨大冲击载荷，其振动与冲击载荷主要靠油气式减震支柱来吸收，并消耗着陆和滑行时的撞击能量[1]。工作原理主要是在主活塞与次活塞之间形成的空腔形成缓冲支柱，其内部充满液压油与干燥空气或高压氮气，当减震支柱压缩时，气体与油液受到压缩，吸收能量，起到缓冲减震作用。通过机轮刹车装置吸收水平方向的能量。通过转弯操纵机构或者差动刹车控制飞机转弯和地面运动。减缓飞机滑跑时由于跑道不平导致的振动[2]。
1.2 零件选择与建模
减震支柱作为飞机起落架的关键零部件，直接影响到整个起落架落地时的安全性能。而减震支柱中又包括外筒与活塞杆两个主要零部件，考虑到有限元分析的后续步骤顺利进行（有限元网格的划分、材料和物理特性的定义以及边界条件的施加等）[3]，选择活塞杆为本文的研究对象。
具体到活塞杆建模时，由于起落架活塞杆比较复杂，对其整体进行实体分析是一件比较困难的事情，而且计算量也很大。需要得到的是活塞杆的应力情况，同时考虑到计算机资源的限制，需要对活塞杆各个部位以及加载部位进行简化分析，将对应力影响不大的部位略去。对应力分布只产生较小局部影响的特征，可以忽略[4]。对于一下加载附件和约束构件，在保证载荷正确传递的情况下，也可以进行较大简化，这样得到保持较高的计算精度但却大大减少计算量和求解时间的简化模型，如图1所示。 2 基于ANSYS的活塞杆有限元分析
2.1 活塞杆模型导入及参数设计
将所建模型导入ANSYS软件，以某型号民航飞机为例，其着陆重量大约为66 t。建立一个新的项目树，进行材料设置。由于起落架结构为飞机的主要受力结构之一，飞机起降频繁、载重量大，因此对用钢的抗冲击性、抗疲劳强度等要求苛刻，本文选用的起落架材料为30CrMnSiNi2A钢，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.28[5]。
2.2 活塞杆网格划分与网格质量检查
ANSYS有限元网格划分是进行数值模拟分析至关重要的一步，直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。网格数据的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小，网格划分的质量也会影响计算分析结果的准确性[6]。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因素综合考虑。由于ANSYS19.2具备人工设置网格大小控制疏密分布以及选择分网算法等，本文采用自由网格划分对起落架活塞杆进行网格划分。选中Mesh模块Details of mesh选项网格参数。其中sizing中的Relevance Center选项设置为Medium，其余采用默认设置。网格划分图像如图2所示。
网格质量检查是有限元分析过程中的一个重要步骤[7]。通过检查单元形状、局部网格细化、改进网格等操作完善网格划分，使分析结果尽可能准确。ANSYS软件提供了形状检查手段来帮助判断网格质量，形状不好的单元可能是计算结果非正常结束，需要清除或修改。
针对活塞杆网格分析的网格质量检查如图3所示。通过检查单元发现，整个活塞杆共划分节点16377个，单元8907个。形状不好的单元并未出现在所关心的关键部位上，Element Quality的均值为0.53098。综合看来，整体网格质量是良好的。
2.3 活塞杆约束及载荷定义
由于活塞杆结构经简化后作为一个整体进行分析，按照实际结构和力学关系施加约束[8]。结合动力学分析的一般方法，活塞杆与其他构建之间在空间中有三个平动自由度：UX、UY、UZ，三个转动自由度：RX、RY、RZ。选定Fixed support选项，选择需要施加固定约束的面。本文需要施加的固定约束面有：活塞杆顶部中心点、轮毂接头处、活塞杆与扭臂连接处。均施加全约束（即UX、UY、UZ、RX、RY、RZ六个方向全约束）。选择Pressure选项，同时在Magnitude选项设置压力，加载模型仿真。
2.4 ANSYS与仿真结果分析
对所建模型仿真，其中等效力云图、等效弹性变形云图与等效总变形云图结果如图4-6所示。
图4显示为当前工况下活塞杆的第一应力云图。从图中可以看出内筒接触挤压区域出现了较高的第一主应力。图5显示为当前工况下活塞杆的第三应力云图。活塞杆与外筒接触区域出现了较大的应力值。除此之外，下部车架受挤压作用，也出现
较高的应力值。图6显示为当前工况下活塞杆的VonMises应力云图，在此特殊工况下，活塞杆下端要承受上刹车拉杆的刹车载荷，因此引起活塞杆底端用于安装上刹车拉杆的耳片拉应力较高。
3 ANSYS数据后处理与二次开发
3.1 ANSYS APDL模块下数据后处理
Mechanical APDL是ANSYS的经典界面，通常所说的ANSYS指的是这个经典界面，workbench 是ANSYS推出的一个CAE软件整合平台。由于Mechanical APDL与CAE软件交互困难，所以前期的有限元分析本文使用了workbench进行求解[9]。为了后续方便批量的处理求解结果的信息表，我们在workbench插入Command调用APDL模块。
调入APDL模块后，通过Read Results导入最后一次求解后的结果。打开Sorted nodes模块，针对我们所需要的节点坐标、应力分量、主应力和节点位移分别进行参数设置。由于ANSYS的数据文件保存为lis格式，不方便后续对数据的批量处理。因此本文通过Matlab软件编写脚本，将ANSYS APDL模块计算完成的数据表批量整齐的导出成csv文件，便于后期数据处理交互，提高工作效率。
3.2 m/p脚本
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。本文通过MATLAB软件对文件格式实现转化，对多个文件中的海量数据进行批量处理。
采集数据出现次数，并根据节点序号从小到大排列起来，方便后面获取每個数的位置。依次识别节点位移、应力分量、总应力和节点位移中的数据。通过识别数据集中的空格将数据按照所对应的物理量进行分类，并对应相关的节点[10]。
运行脚本，依次导入四个lis文件点击运行，分为坐标操作、应力分量操作、主应力操作、提取S1、S2、S3、位移操作及结果保存五个步骤，在提示音响后数据处理结束，csv文件保存在源数据文件夹下。
3.3 数据结果分析
打开生成的csv文件，由左往右依次生成节点序号、该节点的X、Y、Z轴坐标、该节点分别在X、Y、Z轴受力的大小、该节点所受第一拉应力矢量大小与坐标轴的方向余弦、该节点所受第二拉应力矢量大小与坐标轴的方向余弦、该节点所受第三拉应力矢量大小与坐标轴的方向余弦、该节点发生位移的适量大小与坐标轴的方向余弦，共26列数据截取部分节点如表1所示。
4 结语
起落架装置是飞机重要的具有承力兼操纵性的部件，在飞机安全起降过程中担负着极其重要的使命，是飞机的主要部件之一，其性能的优劣直接关系到飞机的使用于安全。减震器作为起落架的重要受力部件，飞机在着陆接地瞬间或在不平的跑道上高速滑跑时，与地面发生剧烈的撞击，除充气轮胎可起小部分缓冲作用外，大部分撞击能量要靠减震器吸收。本文针对减震器的主要受力部件活塞杆进行研究，并根据已有数据进行建模，由ANSYS对活塞杆进行网格划分并检查和优化网格质量，分析起落架活塞杆的受力与变形，通过APDL模块查看和导出分析结果。通过对结果的初步分析可知，内筒接触挤压区域出现了较高的切向应力，活塞杆与外筒接触区域以及下部车架收到挤压作用出现较大的拉应力。活塞杆底端用于安装上刹车拉杆的耳片受到较大的拉应力。再通过MATLAB平台编写程序，将ANSYS APDL模块计算完成的lis文件批量整齐的导出成csv文件，便于工程技术人员后期对有限元分析结果的交互处理，简化工作流程，提高工作效率，改善后期数据的处理与交互。
参考文献
[1] 姚光生. 飞机起落架关键零件强度分析及结构优化[D]. 中北大学， 2014.
[2] 姚光生， 秦可伟， 席园. 飞机起落架撑杆结构有限元分析及结构优化[J]. 河北农机， 2014（01）： 45-46.
[3] 孙缘. 基于ADAMS和ANSYS的起落架落震仿真及强度优化设计[D]. 南京航空航天大学， 2012.
[4] 蔡高存. 飞机主起落架力学建模与分析[J]. 机械工程师， 2018（04）： 56-58+62.
[5] 张成玉. 基于ANSYS的起落架减震支柱设计技术研究[D]. 南京航空航天大学， 2010.
[6] 嵇昆浦. 基于MATLAB-GUI的GNSS基准站网坐标序列数据处理软件[J/OL]. 测绘地理信息： 1-7[2020-02-22]. http：// kns.cnki.net/kcms/detail/42.1840.P.20200103.1600.030.html.
[7] 高喆， 禹朝帅， 刘钊宾， 等. 基于Python-Matlab的Abaqus后处理技术在柴油机有限元分析中的应用[J]. 拖拉机与农用运输车， 2017， 44（04）： 46-49.
[8] 张小辉， 王显会， 张明， 等. 基于MATLAB的螺栓组连接优化设计与有限元验证[J]. 机械制造， 2017， 55（07）： 68-71.
[9] 李亮. 基于ANSYS的起落架扭力臂受力分析及结构优化设计[D]. 南京航空航天大学， 2012.
[10] 陈玉振. 主起落架减震支柱的建模方法与强度分析[D]. 南京航空航天大学， 2007.
关键词： 起落架;有限元分析;APDL;力学性能;数据分析
中图分类号： TP319 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.06.034
本文著录格式：孙乐萌，陈闵叶，杨思力，等. 基于ANSYS的起落架关键部件有限元分析及后处理[J]. 软件，2020，41（06）：164168
【Abstract】： Landing gear is one of the important parts of aircraft structure. It not only bears the static and dynamic loads generated when the aircraft contacts the ground， but also needs to absorb the energy generated when the aircraft lands and slides at high speed. The piston rod is the key part of the landing gear. This paper takes the piston rod as the research object， and analyzes the stress of the piston rod by ANSYS. The solution results are stored and exported by APDL， and the data batch post-processing system is built by MATLAB. The finite element analysis results of piston rod are combined with data post-processing， and the solution results of the finite element are studied in depth， so that the engineers and technicians can carry out the follow-up development for the solution data， and put forward new ideas for the finite element analysis， improve the treatment and interaction of the later data.
【Key words】： Landing gear; Finite element analysis; APDL; Mechanical properties; Data analysis
0 引言
飞机起落架作为飞机安全着陆时极其重要的承力部件，影响着整个飞机的着陆安全，一旦起落架结构发生损坏会造成不可估量的损失。利用ANSYS这一款有限元分析软件准确地进行起落架力学有限元仿真分析是全面评估起落架结构力学性能的有效手段，能够系统地研究起落架结构的承载能力。但由于ANSYS软件本身的数据后处理、绘图等功能有限，常常需要把ANSYS模拟后的结果数据导出以做进一步的处理分析。本文提出了一种新的方法，基于Matlab平台编写脚本，将ANSYS APDL模块计算完成的数据表批量整齐的导出成csv文件，便于后期数据处理交互，提高工作效率。
1 起落架结构与关键零件建模
1.1 飞机起落架结构
飞机起落架主要用于对飞机的起飞、着陆、地面滑跑和地面停放。采用油气式减震支柱進行减震，通过操纵液压系统进行起落架正常收放。起落架在飞机着陆时承受巨大冲击载荷，其振动与冲击载荷主要靠油气式减震支柱来吸收，并消耗着陆和滑行时的撞击能量[1]。工作原理主要是在主活塞与次活塞之间形成的空腔形成缓冲支柱，其内部充满液压油与干燥空气或高压氮气，当减震支柱压缩时，气体与油液受到压缩，吸收能量，起到缓冲减震作用。通过机轮刹车装置吸收水平方向的能量。通过转弯操纵机构或者差动刹车控制飞机转弯和地面运动。减缓飞机滑跑时由于跑道不平导致的振动[2]。
1.2 零件选择与建模
减震支柱作为飞机起落架的关键零部件，直接影响到整个起落架落地时的安全性能。而减震支柱中又包括外筒与活塞杆两个主要零部件，考虑到有限元分析的后续步骤顺利进行（有限元网格的划分、材料和物理特性的定义以及边界条件的施加等）[3]，选择活塞杆为本文的研究对象。
具体到活塞杆建模时，由于起落架活塞杆比较复杂，对其整体进行实体分析是一件比较困难的事情，而且计算量也很大。需要得到的是活塞杆的应力情况，同时考虑到计算机资源的限制，需要对活塞杆各个部位以及加载部位进行简化分析，将对应力影响不大的部位略去。对应力分布只产生较小局部影响的特征，可以忽略[4]。对于一下加载附件和约束构件，在保证载荷正确传递的情况下，也可以进行较大简化，这样得到保持较高的计算精度但却大大减少计算量和求解时间的简化模型，如图1所示。 2 基于ANSYS的活塞杆有限元分析
2.1 活塞杆模型导入及参数设计
将所建模型导入ANSYS软件，以某型号民航飞机为例，其着陆重量大约为66 t。建立一个新的项目树，进行材料设置。由于起落架结构为飞机的主要受力结构之一，飞机起降频繁、载重量大，因此对用钢的抗冲击性、抗疲劳强度等要求苛刻，本文选用的起落架材料为30CrMnSiNi2A钢，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.28[5]。
2.2 活塞杆网格划分与网格质量检查
ANSYS有限元网格划分是进行数值模拟分析至关重要的一步，直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。网格数据的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小，网格划分的质量也会影响计算分析结果的准确性[6]。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因素综合考虑。由于ANSYS19.2具备人工设置网格大小控制疏密分布以及选择分网算法等，本文采用自由网格划分对起落架活塞杆进行网格划分。选中Mesh模块Details of mesh选项网格参数。其中sizing中的Relevance Center选项设置为Medium，其余采用默认设置。网格划分图像如图2所示。
网格质量检查是有限元分析过程中的一个重要步骤[7]。通过检查单元形状、局部网格细化、改进网格等操作完善网格划分，使分析结果尽可能准确。ANSYS软件提供了形状检查手段来帮助判断网格质量，形状不好的单元可能是计算结果非正常结束，需要清除或修改。
针对活塞杆网格分析的网格质量检查如图3所示。通过检查单元发现，整个活塞杆共划分节点16377个，单元8907个。形状不好的单元并未出现在所关心的关键部位上，Element Quality的均值为0.53098。综合看来，整体网格质量是良好的。
2.3 活塞杆约束及载荷定义
由于活塞杆结构经简化后作为一个整体进行分析，按照实际结构和力学关系施加约束[8]。结合动力学分析的一般方法，活塞杆与其他构建之间在空间中有三个平动自由度：UX、UY、UZ，三个转动自由度：RX、RY、RZ。选定Fixed support选项，选择需要施加固定约束的面。本文需要施加的固定约束面有：活塞杆顶部中心点、轮毂接头处、活塞杆与扭臂连接处。均施加全约束（即UX、UY、UZ、RX、RY、RZ六个方向全约束）。选择Pressure选项，同时在Magnitude选项设置压力，加载模型仿真。
2.4 ANSYS与仿真结果分析
对所建模型仿真，其中等效力云图、等效弹性变形云图与等效总变形云图结果如图4-6所示。
图4显示为当前工况下活塞杆的第一应力云图。从图中可以看出内筒接触挤压区域出现了较高的第一主应力。图5显示为当前工况下活塞杆的第三应力云图。活塞杆与外筒接触区域出现了较大的应力值。除此之外，下部车架受挤压作用，也出现
较高的应力值。图6显示为当前工况下活塞杆的VonMises应力云图，在此特殊工况下，活塞杆下端要承受上刹车拉杆的刹车载荷，因此引起活塞杆底端用于安装上刹车拉杆的耳片拉应力较高。
3 ANSYS数据后处理与二次开发
3.1 ANSYS APDL模块下数据后处理
Mechanical APDL是ANSYS的经典界面，通常所说的ANSYS指的是这个经典界面，workbench 是ANSYS推出的一个CAE软件整合平台。由于Mechanical APDL与CAE软件交互困难，所以前期的有限元分析本文使用了workbench进行求解[9]。为了后续方便批量的处理求解结果的信息表，我们在workbench插入Command调用APDL模块。
调入APDL模块后，通过Read Results导入最后一次求解后的结果。打开Sorted nodes模块，针对我们所需要的节点坐标、应力分量、主应力和节点位移分别进行参数设置。由于ANSYS的数据文件保存为lis格式，不方便后续对数据的批量处理。因此本文通过Matlab软件编写脚本，将ANSYS APDL模块计算完成的数据表批量整齐的导出成csv文件，便于后期数据处理交互，提高工作效率。
3.2 m/p脚本
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。本文通过MATLAB软件对文件格式实现转化，对多个文件中的海量数据进行批量处理。
采集数据出现次数，并根据节点序号从小到大排列起来，方便后面获取每個数的位置。依次识别节点位移、应力分量、总应力和节点位移中的数据。通过识别数据集中的空格将数据按照所对应的物理量进行分类，并对应相关的节点[10]。
运行脚本，依次导入四个lis文件点击运行，分为坐标操作、应力分量操作、主应力操作、提取S1、S2、S3、位移操作及结果保存五个步骤，在提示音响后数据处理结束，csv文件保存在源数据文件夹下。
3.3 数据结果分析
打开生成的csv文件，由左往右依次生成节点序号、该节点的X、Y、Z轴坐标、该节点分别在X、Y、Z轴受力的大小、该节点所受第一拉应力矢量大小与坐标轴的方向余弦、该节点所受第二拉应力矢量大小与坐标轴的方向余弦、该节点所受第三拉应力矢量大小与坐标轴的方向余弦、该节点发生位移的适量大小与坐标轴的方向余弦，共26列数据截取部分节点如表1所示。
4 结语
起落架装置是飞机重要的具有承力兼操纵性的部件，在飞机安全起降过程中担负着极其重要的使命，是飞机的主要部件之一，其性能的优劣直接关系到飞机的使用于安全。减震器作为起落架的重要受力部件，飞机在着陆接地瞬间或在不平的跑道上高速滑跑时，与地面发生剧烈的撞击，除充气轮胎可起小部分缓冲作用外，大部分撞击能量要靠减震器吸收。本文针对减震器的主要受力部件活塞杆进行研究，并根据已有数据进行建模，由ANSYS对活塞杆进行网格划分并检查和优化网格质量，分析起落架活塞杆的受力与变形，通过APDL模块查看和导出分析结果。通过对结果的初步分析可知，内筒接触挤压区域出现了较高的切向应力，活塞杆与外筒接触区域以及下部车架收到挤压作用出现较大的拉应力。活塞杆底端用于安装上刹车拉杆的耳片受到较大的拉应力。再通过MATLAB平台编写程序，将ANSYS APDL模块计算完成的lis文件批量整齐的导出成csv文件，便于工程技术人员后期对有限元分析结果的交互处理，简化工作流程，提高工作效率，改善后期数据的处理与交互。
参考文献
[1] 姚光生. 飞机起落架关键零件强度分析及结构优化[D]. 中北大学， 2014.
[2] 姚光生， 秦可伟， 席园. 飞机起落架撑杆结构有限元分析及结构优化[J]. 河北农机， 2014（01）： 45-46.
[3] 孙缘. 基于ADAMS和ANSYS的起落架落震仿真及强度优化设计[D]. 南京航空航天大学， 2012.
[4] 蔡高存. 飞机主起落架力学建模与分析[J]. 机械工程师， 2018（04）： 56-58+62.
[5] 张成玉. 基于ANSYS的起落架减震支柱设计技术研究[D]. 南京航空航天大学， 2010.
[6] 嵇昆浦. 基于MATLAB-GUI的GNSS基准站网坐标序列数据处理软件[J/OL]. 测绘地理信息： 1-7[2020-02-22]. http：// kns.cnki.net/kcms/detail/42.1840.P.20200103.1600.030.html.
[7] 高喆， 禹朝帅， 刘钊宾， 等. 基于Python-Matlab的Abaqus后处理技术在柴油机有限元分析中的应用[J]. 拖拉机与农用运输车， 2017， 44（04）： 46-49.
[8] 张小辉， 王显会， 张明， 等. 基于MATLAB的螺栓组连接优化设计与有限元验证[J]. 机械制造， 2017， 55（07）： 68-71.
[9] 李亮. 基于ANSYS的起落架扭力臂受力分析及结构优化设计[D]. 南京航空航天大学， 2012.
[10] 陈玉振. 主起落架减震支柱的建模方法与强度分析[D]. 南京航空航天大学， 2007.