Fuko與Turtle Srl合作開發的Biogear輕型直升機起落架通過復合材料實現54%重量減輕并保持安全性能

用復合材料代替金屬結構是減輕航空航天部件重量的一種有前途的策略。然而，將這種方法融入直升機起落架等高沖擊結構中，會帶來獨特的挑戰，需要測試標準的復合材料工程方法，需要創新的解決方案來滿足安全和性能要求。

傳統的金屬起落架依靠彈性變形來耗散能量，并依靠塑性變形來形成可控的失效機制。這種成熟的設計方法使起落架能夠吸收大量載荷，而不會將破壞力傳遞到機身或尾部，只要它們不接觸地面即可。相比之下，傳統的復合材料結構通常過于堅硬，無法以相同的方式發揮作用，因此需要采用新方法來實現類似的安全特性。

航空咨詢公司 Fuko（意大利羅馬）與 Turtle Srl.（意大利博洛尼亞，博洛尼亞大學衍生的工程公司）合作，開發輕型直升機起落架方案。二人組的設計名為 Biogear，結合了碳纖維增強聚合物 (CFRP) 和亞麻纖維增強聚合物，以減輕重量，從而提高有效載荷能力，并提高旋翼機的運行效率，同時保持傳統金屬設計的關鍵安全特性。與其取代的金屬結構相比，Biogear 的重量減輕了 54%，展示了如何將看似矛盾的材料特性進行戰略性組合，以在動態負載應用中實現所需的性能。

起落架規格和設計挑戰

Biogear 設計理念源自歐盟“地平線 2020”計劃資助的 AMULET（先進材料和制造技術聯合輕量化）項目中的一個競爭性舉措，該項目提供專題競賽、可行性評估、指導和資金機會，以將技術就緒水平 (TRL) 從第 4-5 階段提升到第 7 階段，從而促進從早期原型設計到市場就緒的過渡。該計劃旨在在脫碳循環經濟框架內推進輕量化材料和制造工藝，強調開發和優化聚合物基復合材料、陶瓷基復合材料和輕質金屬合金，以最大限度地減輕重量，同時提高整體性能。

Fuko 參加的比賽重點是為輕型直升機設計滑橇式起落架，該比賽規定了起落架的形狀、尺寸、最大重量和起落架連接配置，這是一項在嚴格限制條件下進行的工程挑戰。獲勝者將是能夠生產出重量最輕的起落架同時保持或提高起落架系統性能的團隊。

“滑軌與地面軌道的接口以及與機身的連接機制是不可協商的；任何修改都會導致不兼容，”Fuko 創始人、尼科洛·庫薩諾大學工程學教授、Biogear 項目負責人 Riccardo Panciroli 教授表示。“因此，設計創新的范圍僅限于材料的選擇及其配置?！?/font>

競賽規定最大起飛重量為 600 公斤，整個起落架組件的重量限制為 15 公斤，這是原始金屬版本的重量。它需要寬 1.6 米、高 1 米、長 3 米，同時完全符合歐洲航空安全局 (EASA) 對小型旋翼機 CS-27 的認證。該認證要求起落架必須經受住 0.33 米的跌落測試而不會出現任何結構損壞，并且必須經受住 0.5 米的跌落測試，并允許變形。

“在設計金屬起落架時，工程師可以使用成熟的均質材料工程原理，根據質量和速度可靠地計算載荷，”Panciroli 解釋道?！叭欢?，對于復合材料，鋪層會以復雜且有時違反直覺的方式影響沖擊力。結構過于堅硬可能會導致短時間內出現危險的力峰值，可能超過材料極限，而過度柔順性則會導致幾何非線性，從而將彎矩（載荷下最高彎曲應力點）放大到超出可接受水平，可能損害結構完整性。這種關系帶來了復雜的優化挑戰，需要仔細平衡和創新解決方案?！?/font>

高級分析和建模

要了解復合材料起落架的復雜動態行為，需要先進的分析技術，這些技術超越了傳統的復合材料設計方法和靜態載荷計算?！拔覀冃枰褂蔑@式有限元方法實現復雜的動態模型，”Panciroli 解釋道?！帮@式方法考慮了時間相關行為和慣性效應，這與使用隱式模型的傳統靜態載荷設計有很大不同。”

模擬框架必須同時捕捉多種非線性現象，考慮幾何非線性、撞擊過程中的復雜摩擦效應以及整個撞擊過程中結構響應和負載生成之間的復雜相互作用。撞擊過程中的力-時間分析表明地面摩擦系數如何顯著影響能量吸收，表明摩擦可以消散大量撞擊能量，從而以補充其固有性能的方式減少混合復合結構上的結構負載。

分析表明，中空混合 CFRP 和亞麻纖維結構可實現沿起落架支柱的近乎最佳的應力分布。結果表明，碳纖維和亞麻部分之間的相互作用產生了一種漸進式能量吸收機制，而這種機制無法單獨使用任何一種材料實現。此外，分析還表明，任何給定點的應力分布在整個壁厚范圍內都可能存在很大差異，這是確定整個結構中最佳纖維取向和材料過渡的關鍵發現。

“我們發現壁厚和鋪層結構是混合結構最關鍵的方面，”Panciroli 說道?！拔覀儼l現，如果我們減少厚度以降低剛度，則會大大限制材料的承載能力并增加發生剪切破壞的可能性。找到最佳平衡需要進行大量迭代并仔細考慮這些復雜因素?！?/font>

一旦確定了整體剛度和柔順性參數，合作伙伴就可以優化材料分布和鋪層策略，以實現最佳性能。“起落架本質上就像一個復雜的拱形結構，著陸腳充當動態支撐點，”Panciroli 指出。“雖然這可能意味著主要使用單向纖維來處理彎曲載荷，但這種方法會產生過大的剛度，導致潛在的危險力集中。

“我們需要超越傳統的復合材料設計方法，”他繼續說道?！拔覀冮_始嘗試不同的鋪層順序，以確定能夠有效實現所需性能的最佳配置，而且重要的是，還可以使用現有的制造技術在現實世界中生產?！?/font>

混合材料的選擇和制造考慮

最終結構采用空心腿設計，預浸料層數不詳，以達到所需的壁厚。根據局部負載要求，CFRP 與亞麻纖維的組合在整個結構中策略性地變化，范圍從 100% CFRP 到 80% 亞麻纖維和 20% CFRP。

之所以選擇碳纖維和亞麻纖維，是因為它們具有互補的特性，可以滿足 Biogear 起落架的性能要求。碳纖維具有較高的強度重量比和剛度，用于起落架與直升機連接的彎曲上部。該區域承受最大的彎曲力矩，需要一種能夠抵抗變形并保持結構完整性的材料。

亞麻纖維以其卓越的能量吸收、自然柔順性和減震性能而聞名，用于接觸地面的小腿部分。這些區域必須有效吸收沖擊力、減少振動并允許受控變形，以最大限度地降低災難性故障的風險。這些材料經過戰略性分布，可在動態負載條件下優化性能。

“當遠離最大彎曲力矩時，材料成分從主要由碳構成轉變為幾乎完全由亞麻 [纖維] 構成，”Panciroli 說道。“這種梯度方法可以精確調整局部剛度，同時確保結構連續性?！碧祭w維和亞麻纖維部分之間的界面特別利用了混合設計；與僅由一種材料制成的部分相比，材料組合的區域表現出更高的安全系數，證明了混合方法的協同優勢。

Panciroli 強調說：“如果結構中含有亞麻，那么發生災難性故障的風險會比全碳纖維部件低得多。其自然順應性通過大量實驗室測試得到驗證，包括全面的靜態和疲勞評估，以確保在所有操作條件下保持長期結構完整性?！?/font>

實際試樣材料測試表明，盡管 T700 碳纖維的強度比航空航天工業標準 T800 低 20%，但實際上提高了整體性能。Panciroli 解釋道：“剛度更高的 T800 纖維在斷裂點的變形較小，這降低了結構通過彈性偏轉吸收能量的能力。更重要的是，剛度的增加會導致更高的峰值沖擊載荷，從而導致危險的剪切應力集中。”

制造復雜的混合結構需要在壓實過程中仔細管理不同的熱性能和機械性能。“堆疊順序依賴于對控制層壓板行為的宏觀力學的透徹理解，”Panciroli 解釋道。“在涉及像這種起落架這樣的厚而空心的圓形結構的情況下，應力分布在整個厚度范圍內變化很大，需要精確控制制造過程。”

環境測試揭示了該設計中存在一個重大的潛在弱點：亞麻纖維組件極易受潮，隨著時間的推移，這可能會嚴重損害其機械性能。該團隊通過實施一種外層帶有碳纖維層的保護性夾層結構來解決這個問題，有效地將天然纖維組件與環境隔離開來，同時保持其有益的機械性能。

測試和性能驗證

綜合沖擊測試結果令人印象深刻，驗證了設計方法。在 0.33 米的標準跌落測試中，Biogear 的峰值加速度高達 6G，前腿和后腿之間的力分布以可控的方式有所不同。

物理分析表明，平面撞擊是最關鍵的負載情況，盡管還廣泛測試了其他情況（包括傾斜著陸和單腿接觸）。結果證實，地面摩擦承重概念可以消散大量撞擊能量，增強結構的彈性變形特性并提供卓越的性能。

Panciroli 指出：“亞麻部件的使用大大提高了地面摩擦的可能性，因為這些材料由于其天然的粘彈性能提供卓越的減震效果。這種特性有助于管理動態負載，并提高起落架在各種操作條件下的整體性能?！?/font>

Biogear 的最終設計重量為 6.9 公斤，僅為其所取代的原有 15 公斤金屬結構的 46%。重量減輕表明，看似矛盾的材料特性可以戰略性地結合起來，在動態負載應用中實現高性能。

Panciroli 指出：“Biogear 的混合結構可能為將天然纖維整合到主要航空航天結構中開辟新的可能性，從理論上影響整個航空航天工業未來的復合材料制造戰略，并為更可持續、更高效的飛機部件鋪平道路。”