飞机拦阻钩的设计及其强度分析.doc

飞机拦阻钩的设计及其强度分析柳刚（南京航空航天大学 航空宇航学院，江苏 南京210016）Email : liugang_1979@摘 要：介绍了飞机在地面或是舰载回收拦阻时拦阻钩的的工作原理和设计要求， 并设计出某型拦阻钩基本组成部分，并对在此拦阻钩下最大轴向载荷下进行有限元强度分析本文为将 来拦阻钩的更详细的设计提供一定的参考，对以后拦阻装置的设计提供一定的规范 关键词:拦阻钩；有限元；拦阻；CATIA引言拦阻钩与地面拦阻装置配合使用，能利用拦阻装置事先预置的拦阻载荷，在数十米或是数百米长度内 拦停飞机这是机上任何一种刹车装置都无法达到的制动效果 由于舰载飞机和路基飞机的拦阻要求不同,拦阻装置也略有不同舰载拦阻装置现代航母一般都是装配定长拦阻长度的拦阻装置该拦阻装置的拦阻划跑距离标明了 拦阻装置的特性，只要被拦阻的飞机在拦阻装置设计范围内，无须考虑被拦飞机的拦套重量和拦阻速度的 不同路基拦阻装置舰载飞机要能在各种类型的路基拦阻装置上使用，其中包括冲出跑道或中止起飞和野 外短机场着陆的应急拦阻，该拦阻装置要求机场盖板有一定的宽度范围，但没有固定的拦阻滑出长度通 常，用于舰载型拦阻的拦阻钩，一定适用于路基拦阻装置 ⑴⑷。

下图为一实物拦阻钩图1实物F-18拦阻钩1拦阻钩的工作原理和设计要求工作原理：拦阻钩一般装置于后机身腹部中央当着陆时由飞行员在飞机座舱仪表板上按下释放拦阻 钩按钮，拦阻钩在很短时间（如2秒）内放下，之后由纵向缓冲器压紧在道面上，使拦阻钩能很好的钩住拦 阻绳随后带动拦阻机工作，在规定的距离或是时间范围内耗散掉飞机的动能，从而使飞机很快停下来[4]设计要求：作为初步设计，本文仅考虑最基本的设计要求，其主要组成部分为钩臂和钩头1.1拦阻钩长度要求主要有：（1）甲板索的数量、跨度和高度；（2）为了减轻重量和使钩旋转速度最小，使用短钩的可 能性；（3）飞机在接近停车状态的操纵特性；（4）飞机拦阻钩与甲板初始接触的常见姿态；（5）拦阻[#]-#-rn辰ifiilS祁令轩理钩相对飞机机轮位置；（6）拦阻钩缓冲器和压紧装置的作用效率 ［1］1.2拦阻钩钩头的设计要求主要有：（1）拦套与逃逸特性的折衷设计拦阻钩设计，应使得钩子在钩住一条绳索后尽可能不再 钩住第二条绳索，或者在拦阻几何关系中保证不会出现上述第二条绳索干扰现象 2）钩面角对套钩、脱钩性能的影响最优钩面角选择需要兼顾飞机成功拦套不脱钩，以及拦阻滑跑结束时能顺利脱钩两方面 的性能。

3）钩面与钩尖、钩面与拦索槽外形过渡设计钩面和拦索槽的过渡区曲率半径尽可能大，使 上钩时甲板绳索缠住钩头时引起的弯曲应力尽可能小4）钩面角选择最优的钩面角选择需兼顾飞机 成功拦套不脱钩和拦阻滑跑结束后能顺利脱钩两方面性能，（ 5）钩尖半径、钩喉半径的选择小的钩尖很容易钩起甲板绳索，特别是甲板绳索受机轮压过，但过分小的钩尖半径会划伤绳索 6）钩头重量拦阻钩头重量的增加，会导致钩反跳的加剧以及相应拦阻缓冲器保持压力的增加，因此钩头和钩臂应设计 的尽可能小⑴⑷1.3钩头与钩臂的连接由于钩头在使用中经常受严重磨损，需做不定期更换，因此要求拦阻钩的钩头应是可拆卸的钩头在 钩臂上的连接采用螺栓或是销子连接连接轴线应处于与钩臂相垂直的平面内且与着陆表面平行钩头在 钩臂上连接，应考虑钩载的传递是通过钩头与钩臂之间的结构，而不是通过连接螺栓 ［1］[1] [2].2. 拦阻钩的建模本文是论证性的对拦阻钩进行设计，采用 CATIAt模，参考国外同类型飞机的所用钩（F-14A）2.1拦阻钩头的设计钩尖半径定为14mm钩喉半径设计为适用于直径为 35mr的拦索⑴理想情况下钩尖半径等于缆索半径，但难以做到，钩头喉道接触半径应足够大，正常情况下甲板绳索直径达 38mm最小25.4mm现在美国海军已不使用38-42mr直径的绳索。

图 2、3,4所示的是建模完成后的拦阻钩钩头应当注意在拦阻钩头设计中1）钩喉相对绳索不能太大，小直径绳索有可能被压扁在沟槽内钩喉 处绳索槽边倒圆，减少甲板绳索的损伤，钩喉应该有较大的圆弧过渡区，不至于划伤拦阻绳索 2）在钩头钩尖处应尽可能大地加大圆角、去掉尖角，减小甲板的磨损 3）为了减轻重量将对于钩头进行一定的挖空［1］2.2拦阻钩臂的设计对于此类飞机，选钩臂长为2.3m，截面为环形，材料为超高强度300M钢如上1.3所讲，钩头与钩臂之间连接，考虑到力的传递,应该是他们之间结构上的连接,而不是连接螺栓 在设计中钩头顶部挖空,-#-rti宛祁令埒號图2拦阻钩钩头左视图图 3拦阻钩钩头顶视图-#--#-图4拦阻钩钩头后视图 图 5拦阻钩钩臂既能减轻重量，又能很好的与钩臂在结构上相连接拦阻钩头突出部分插入钩头顶部可以在结构上传递载 荷螺栓只起到固定连接作用，而拦阻钩钩臂上的突起在拦阻钩钩起拦阻绳索，将绳索所传递的力由钩头 经过钩臂突起传到机身上，这样加强了拦阻钩的强度2.3拦阻钩的装配在CATIA下把拦阻钩的基本组成部分组装起来，并进行干涉检查组装图如下: 干涉检查图如下：拦阻钩各部件之间没有任何干涉。

图6拦阻钩的装配件nt-trCinfla rtJ rc-iuc L I I a.LtUp... Mt..Filltr lis-i. ■=?] 7 |lk fil财f 加▼ Util *Oil i.ck Or ContAd 4. CL-iM-fMATtp« : rcntuct * n u^.".61Rl-Esltl.图 7拦阻钩装配件干涉检查2.4拦阻钩的运动运用CATIA的运动学（DMU模块，可以形象看到拦阻钩的放下以及收起的过程及位置对于较短时间内（2秒）放下的拦阻钩，从原来紧贴机身腹部，拦阻钩绕与机身连接接头旋转向下 65度此时拦阻钩在纵向缓冲器作用下压紧跑道，随着飞机继续向前滑行，拦阻钩准备钩住在跑道上的拦阻绳索下面两图 分别为拦阻钩收上与放下位置关系rh吊錮爲祁p轩重W-#-图8拦阻钩收上状态 图 9拦阻钩放下65度状态3. 飞机拦阻钩的强度分析参考同类型的拦阻钩在不同飞机总重、不同的拦套速度和离跑道中心偏心距离下，得到最大的拦阻钩 轴向力在总重为 177777.78N,最大拦阻速度为 71.06m/s下，轴向最大力为 357777.78N [2]本文采用CATIA的有限元模块来进行拦阻钩的静力学有限元分析：把以前所做拦阻钩的模型部件整合 为一个体并加上材料特性以普通钢为例(E=2e11+011N_n)。

拦阻钩为全钢结构首先对其进行约束(只有绕机身连接点可以旋转)，按照实际情况把拦阻钩钩臂进行约束，拦阻绳把 357777.78N加于拦阻钩钩槽内3.1有限元划网格划分本算例采用线性四面体元划分拦阻钩图10拦阻钩有限元网格划分图 11拦阻钩在载荷下位移云图4. ■血-007J.Ai Innduy有限兀节点数目：8330有限元单元数目：32404有限元单元自由度：24990线性四面体个数：32404图12拦阻钩在载荷下应力云图3.2 施加载荷的分布结果rh辰IfiilS祁令轩理载荷施加于工作方向，采用分布力的形式添加，经过等效后为：Fx = 3.578e+005NFy = -4.232e-005NFz = 3.427e-007NMx = -2.727e-006NMy = 3.895e-006NMz = 3.570e+004N拦阻钩在此最大载荷下，在位移云图上可明显看出出现在钩头处，最大位移 0.0194m,沿拦阻钩钩臂逐渐减小至0m＞应力云图上应力最大出现在缆索沟槽内，最大为 160MPa次一级的应力沿沟槽与钩臂相 交处，出现在离沟槽最近的钩臂下表面，直至钩臂尾部总体上钩臂上应力沿着中心对称面是对称分布， 离中性面越远应力越大。

4. 结论由所受力的传递知，沟槽受到轴向拉力，对钩臂产生了一定的扭矩，因此最大位移分布与最大应力分布是合理的普通钢的抗拉强度（ 比）最小为400MPa而此算例拦阻钩采用超强度钢，其抗拉强度最小为1373MPa这种拦阻钩的设计静力学是合理的 ⑴⑶参考文献[1] 《飞机设计手册》总编委会编.飞机设计手册起飞着陆系统设计[M]北京:航空工业出版社,2002:271-321[2] Lyle W. Jones, Systems Engineer. Development of curve for estimating aircraft arresting hook loads [J]. Air force flight center Edwards air force base, California. 1982.[3] 国防科学技术工业委员会.飞机拦阻装置通用规范[J]北京,1998.[4] Engineered Arresting Systems Corporation. Safety Bulletin [J]. May 2004DESIGN STRENGTH ANAL YSIS OFTHE ARRESTING HOOKLiu GangCollege of Aerospace Engineering , Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing , 210016Ch inaAbstractThe work prin ciple and desig n requireme nts of arresti ng hook whe n aircraft la nds on ground or on carrier are in troduced. Desig n the basic parts of arrest ing hook, the max axis stre ngth an alysis of arrest ing hook with Fin ite Elements Method are made. The reference of arresting hook detail design is offered in this paper, also the criterion of arresting system design in the next stage is made.Keywords : Arresting Hook ; Finite Elements Method ; Arrest; CATIA-#-。