Fuko与Turtle Srl合作开发的Biogear轻型直升机起落架通过复合材料实现54%重量减轻并保持安全性能

用复合材料代替金属结构是减轻航空航天部件重量的一种有前途的策略。然而，将这种方法融入直升机起落架等高冲击结构中，会带来独特的挑战，需要测试标准的复合材料工程方法，需要创新的解决方案来满足安全和性能要求。

传统的金属起落架依靠弹性变形来耗散能量，并依靠塑性变形来形成可控的失效机制。这种成熟的设计方法使起落架能够吸收大量载荷，而不会将破坏力传递到机身或尾部，只要它们不接触地面即可。相比之下，传统的复合材料结构通常过于坚硬，无法以相同的方式发挥作用，因此需要采用新方法来实现类似的安全特性。

航空咨询公司 Fuko（意大利罗马）与 Turtle Srl.（意大利博洛尼亚，博洛尼亚大学衍生的工程公司）合作，开发轻型直升机起落架方案。二人组的设计名为 Biogear，结合了碳纤维增强聚合物 (CFRP) 和亚麻纤维增强聚合物，以减轻重量，从而提高有效载荷能力，并提高旋翼机的运行效率，同时保持传统金属设计的关键安全特性。与其取代的金属结构相比，Biogear 的重量减轻了 54%，展示了如何将看似矛盾的材料特性进行战略性组合，以在动态负载应用中实现所需的性能。

起落架规格和设计挑战

Biogear 设计理念源自欧盟“地平线 2020”计划资助的 AMULET（先进材料和制造技术联合轻量化）项目中的一个竞争性举措，该项目提供专题竞赛、可行性评估、指导和资金机会，以将技术就绪水平 (TRL) 从第 4-5 阶段提升到第 7 阶段，从而促进从早期原型设计到市场就绪的过渡。该计划旨在在脱碳循环经济框架内推进轻量化材料和制造工艺，强调开发和优化聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料和轻质金属合金，以最大限度地减轻重量，同时提高整体性能。

Fuko 参加的比赛重点是为轻型直升机设计滑橇式起落架，该比赛规定了起落架的形状、尺寸、最大重量和起落架连接配置，这是一项在严格限制条件下进行的工程挑战。获胜者将是能够生产出重量最轻的起落架同时保持或提高起落架系统性能的团队。

“滑轨与地面轨道的接口以及与机身的连接机制是不可协商的；任何修改都会导致不兼容，”Fuko 创始人、尼科洛·库萨诺大学工程学教授、Biogear 项目负责人 Riccardo Panciroli 教授表示。“因此，设计创新的范围仅限于材料的选择及其配置。”

竞赛规定最大起飞重量为 600 公斤，整个起落架组件的重量限制为 15 公斤，这是原始金属版本的重量。它需要宽 1.6 米、高 1 米、长 3 米，同时完全符合欧洲航空安全局 (EASA) 对小型旋翼机 CS-27 的认证。该认证要求起落架必须经受住 0.33 米的跌落测试而不会出现任何结构损坏，并且必须经受住 0.5 米的跌落测试，并允许变形。

“在设计金属起落架时，工程师可以使用成熟的均质材料工程原理，根据质量和速度可靠地计算载荷，”Panciroli 解释道。“然而，对于复合材料，铺层会以复杂且有时违反直觉的方式影响冲击力。结构过于坚硬可能会导致短时间内出现危险的力峰值，可能超过材料极限，而过度柔顺性则会导致几何非线性，从而将弯矩（载荷下最高弯曲应力点）放大到超出可接受水平，可能损害结构完整性。这种关系带来了复杂的优化挑战，需要仔细平衡和创新解决方案。”

高级分析和建模

要了解复合材料起落架的复杂动态行为，需要先进的分析技术，这些技术超越了传统的复合材料设计方法和静态载荷计算。“我们需要使用显式有限元方法实现复杂的动态模型，”Panciroli 解释道。“显式方法考虑了时间相关行为和惯性效应，这与使用隐式模型的传统静态载荷设计有很大不同。”

模拟框架必须同时捕捉多种非线性现象，考虑几何非线性、撞击过程中的复杂摩擦效应以及整个撞击过程中结构响应和负载生成之间的复杂相互作用。撞击过程中的力-时间分析表明地面摩擦系数如何显著影响能量吸收，表明摩擦可以消散大量撞击能量，从而以补充其固有性能的方式减少混合复合结构上的结构负载。

分析表明，中空混合 CFRP 和亚麻纤维结构可实现沿起落架支柱的近乎最佳的应力分布。结果表明，碳纤维和亚麻部分之间的相互作用产生了一种渐进式能量吸收机制，而这种机制无法单独使用任何一种材料实现。此外，分析还表明，任何给定点的应力分布在整个壁厚范围内都可能存在很大差异，这是确定整个结构中最佳纤维取向和材料过渡的关键发现。

“我们发现壁厚和铺层结构是混合结构最关键的方面，”Panciroli 说道。“我们发现，如果我们减少厚度以降低刚度，则会大大限制材料的承载能力并增加发生剪切破坏的可能性。找到最佳平衡需要进行大量迭代并仔细考虑这些复杂因素。”

一旦确定了整体刚度和柔顺性参数，合作伙伴就可以优化材料分布和铺层策略，以实现最佳性能。“起落架本质上就像一个复杂的拱形结构，着陆脚充当动态支撑点，”Panciroli 指出。“虽然这可能意味着主要使用单向纤维来处理弯曲载荷，但这种方法会产生过大的刚度，导致潜在的危险力集中。

“我们需要超越传统的复合材料设计方法，”他继续说道。“我们开始尝试不同的铺层顺序，以确定能够有效实现所需性能的最佳配置，而且重要的是，还可以使用现有的制造技术在现实世界中生产。”

混合材料的选择和制造考虑

最终结构采用空心腿设计，预浸料层数不详，以达到所需的壁厚。根据局部负载要求，CFRP 与亚麻纤维的组合在整个结构中策略性地变化，范围从 100% CFRP 到 80% 亚麻纤维和 20% CFRP。

之所以选择碳纤维和亚麻纤维，是因为它们具有互补的特性，可以满足 Biogear 起落架的性能要求。碳纤维具有较高的强度重量比和刚度，用于起落架与直升机连接的弯曲上部。该区域承受最大的弯曲力矩，需要一种能够抵抗变形并保持结构完整性的材料。

亚麻纤维以其卓越的能量吸收、自然柔顺性和减震性能而闻名，用于接触地面的小腿部分。这些区域必须有效吸收冲击力、减少振动并允许受控变形，以最大限度地降低灾难性故障的风险。这些材料经过战略性分布，可在动态负载条件下优化性能。

“当远离最大弯曲力矩时，材料成分从主要由碳构成转变为几乎完全由亚麻 [纤维] 构成，”Panciroli 说道。“这种梯度方法可以精确调整局部刚度，同时确保结构连续性。”碳纤维和亚麻纤维部分之间的界面特别利用了混合设计；与仅由一种材料制成的部分相比，材料组合的区域表现出更高的安全系数，证明了混合方法的协同优势。

Panciroli 强调说：“如果结构中含有亚麻，那么发生灾难性故障的风险会比全碳纤维部件低得多。其自然顺应性通过大量实验室测试得到验证，包括全面的静态和疲劳评估，以确保在所有操作条件下保持长期结构完整性。”

实际试样材料测试表明，尽管 T700 碳纤维的强度比航空航天工业标准 T800 低 20%，但实际上提高了整体性能。Panciroli 解释道：“刚度更高的 T800 纤维在断裂点的变形较小，这降低了结构通过弹性偏转吸收能量的能力。更重要的是，刚度的增加会导致更高的峰值冲击载荷，从而导致危险的剪切应力集中。”

制造复杂的混合结构需要在压实过程中仔细管理不同的热性能和机械性能。“堆叠顺序依赖于对控制层压板行为的宏观力学的透彻理解，”Panciroli 解释道。“在涉及像这种起落架这样的厚而空心的圆形结构的情况下，应力分布在整个厚度范围内变化很大，需要精确控制制造过程。”

环境测试揭示了该设计中存在一个重大的潜在弱点：亚麻纤维组件极易受潮，随着时间的推移，这可能会严重损害其机械性能。该团队通过实施一种外层带有碳纤维层的保护性夹层结构来解决这个问题，有效地将天然纤维组件与环境隔离开来，同时保持其有益的机械性能。

测试和性能验证

综合冲击测试结果令人印象深刻，验证了设计方法。在 0.33 米的标准跌落测试中，Biogear 的峰值加速度高达 6G，前腿和后腿之间的力分布以可控的方式有所不同。

物理分析表明，平面撞击是最关键的负载情况，尽管还广泛测试了其他情况（包括倾斜着陆和单腿接触）。结果证实，地面摩擦承重概念可以消散大量撞击能量，增强结构的弹性变形特性并提供卓越的性能。

Panciroli 指出：“亚麻部件的使用大大提高了地面摩擦的可能性，因为这些材料由于其天然的粘弹性能提供卓越的减震效果。这种特性有助于管理动态负载，并提高起落架在各种操作条件下的整体性能。”

Biogear 的最终设计重量为 6.9 公斤，仅为其所取代的原有 15 公斤金属结构的 46%。重量减轻表明，看似矛盾的材料特性可以战略性地结合起来，在动态负载应用中实现高性能。

Panciroli 指出：“Biogear 的混合结构可能为将天然纤维整合到主要航空航天结构中开辟新的可能性，从理论上影响整个航空航天工业未来的复合材料制造战略，并为更可持续、更高效的飞机部件铺平道路。”