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1、 http:/ 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_摘 要摘 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。 关键词关键词：拦阻钩；有限元；拦阻；CATIA 引言 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。
2、 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1 4。 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 1 拦阻钩的工作
3、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1 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 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
4、见姿态；（5）拦阻-1- http:/ 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 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
5、。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1 4。 1.3 钩头与钩臂的连接 1.3 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
6、头与钩臂之间的结构，而不是通过连接螺栓1。 2. 拦阻钩的建模 2. 拦阻钩的建模 本文是论证性的对拦阻钩进行设计，采用CATIA建模，参考国外同类型飞机的所用钩（F-14A）1 2： 2.1 拦阻钩头的设计 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 35mm的拦索1。 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 38-42mm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
7、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 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， -2- http:/ 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
8、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 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 图 7 拦阻钩装配件干涉检查 2.4 拦阻钩的运动 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
9、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。 -3- http:/ 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 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 357777.78N2。 本文采用 CATIA 的有
10、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_m2）。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 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。 有限元节点数目 ： 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 10 拦阻钩有限元网格划分 图 11 拦阻钩在载荷下位移云图 图 12 拦阻钩在载荷下应力云
11、图 3.2 施加载荷的分布结果 3.2 施加载荷的分布结果 -4- http:/ 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+005N Fy = -4.232e-005N Fz = 3.427e-007N Mx = -2.727e-006N My = 3.895e-006N Mz = 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。
12、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 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（b）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1 3。 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
13、 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 ANALYSIS OF THE ARRESTING HOOK Liu Gang College of Aerospace Engineering , Nan
14、jing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing , 210016 China Abstract The work principle and design requirements of arresting hook when aircraft lands on ground or on carrier are introduced. Design the basic parts of arresting hook, the max axis strength analysis of arresting hook with Finite 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 -5-
