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      民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)設(shè)計(jì)載荷要求研究

      2015-10-08 12:56:19徐春雨
      科技視界 2015年27期

      徐春雨

      【摘 要】發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)作為發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)體結(jié)構(gòu)之間的連接結(jié)構(gòu),其強(qiáng)度設(shè)計(jì)是保證飛機(jī)安全極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。飛機(jī)設(shè)計(jì)載荷先行,為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足適航的要求,從而保證飛行安全,因此其設(shè)計(jì)載荷的完備性及準(zhǔn)確性顯得至關(guān)重要。本文通過(guò)對(duì)適航條款的研究,給出了發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)設(shè)計(jì)所需滿足的載荷要求,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用。

      【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié);慣性載荷;扭矩載荷;陀螺載荷;FBO載荷;風(fēng)車(chē)載荷

      0 引言

      發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)固定于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上,并將其產(chǎn)生的載荷傳遞至機(jī)體結(jié)構(gòu)。根據(jù)民用飛機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置的不同,分為尾吊發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)系統(tǒng)與翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)系統(tǒng)(注:由于尾吊與翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)功能相同,并且結(jié)構(gòu)相近,只是由于安裝位置不同,結(jié)構(gòu)尺寸稍有變化,本文將以翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)為主進(jìn)行介紹)。其強(qiáng)度設(shè)計(jì)所需滿足的載荷條款包括:§25.301 載荷,§25.361 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩,§25.363 發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置支架的側(cè)向載荷,§25.367 發(fā)動(dòng)機(jī)失效引起的非對(duì)稱載荷,§25.371 陀螺載荷,發(fā)動(dòng)機(jī)突然停車(chē)專用條件。

      1 發(fā)動(dòng)機(jī)慣性載荷

      根據(jù)CCAR 25.301條款的要求,對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足:

      (a) 強(qiáng)度的要求用限制載荷(服役中預(yù)期的最大載荷)和極限載荷(限制載荷乘以規(guī)定的安全系數(shù))來(lái)規(guī)定。除非另有說(shuō)明,所規(guī)定的載荷均為限制載荷。

      (b) 除非另有說(shuō)明,所規(guī)定的空氣、地面和水載荷必須與計(jì)及飛機(jī)每一質(zhì)量項(xiàng)目的慣性力相平衡。這些載荷的分布必須保守地近似于或接近地反映真實(shí)情況。除非表明確定受載情況的方法可靠,否則用以確定載荷大小和分布的方法必須用飛行載荷測(cè)量來(lái)證實(shí)。

      (c) 如果載荷作用下的變形會(huì)顯著改變外部載荷或內(nèi)部載荷的分布,則必須考慮載荷分布變化的影響

      發(fā)動(dòng)機(jī)慣性載荷來(lái)自于全機(jī)載荷輸入,主要飛行載荷和地面載荷,是指按照CCAR25 部計(jì)算的載荷,包括:動(dòng)態(tài)突風(fēng)載荷(包括離散垂直突風(fēng)、離散側(cè)向突風(fēng)、連續(xù)垂直突風(fēng)、連續(xù)側(cè)向突風(fēng))、動(dòng)態(tài)著陸載荷、動(dòng)態(tài)滑行載荷、飛行載荷、地面載荷(包括三點(diǎn)起飛滑跑、兩點(diǎn)滑行剎車(chē)、三點(diǎn)滑行剎車(chē)、急剎車(chē)、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、前輪側(cè)偏§25.499(a)、前輪側(cè)偏§25.499(b)(c)、前輪側(cè)偏§25.499(e)、繞左主起落架的回轉(zhuǎn)情況、繞右主起落架的回轉(zhuǎn)情況、倒行剎車(chē)、起飛滑跑的組合載荷情況)。

      2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩載荷

      發(fā)動(dòng)機(jī)限制扭矩載荷指根據(jù)§25.361計(jì)算的扭矩載荷?!?5.361 b)規(guī)定:“對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)裝置,發(fā)動(dòng)機(jī)架及其支承結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)成能承受下列每一種載荷:

      (1) 由于故障或結(jié)構(gòu)損壞(例如壓氣機(jī)卡住)造成發(fā)動(dòng)機(jī)突然停車(chē)所產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)限制扭矩載荷;

      (2) 發(fā)動(dòng)機(jī)最大加速所產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)限制扭矩載荷。”

      針對(duì)25.361 b)(1)條,限制扭矩載荷來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)、熄火、油路切斷。最危險(xiǎn)工況為油路切斷后,壓縮機(jī)中有最大剩余空氣流量,但這時(shí)渦輪轉(zhuǎn)子中沒(méi)有能量輸入。這一最大減速扭矩發(fā)生于紅線速度下的突然減速,僅存在幾毫秒。

      發(fā)動(dòng)機(jī)極限扭矩載荷主要是指轉(zhuǎn)子鎖死力矩(Rotor Seizure Torque),可能由兩種情況導(dǎo)致:風(fēng)扇葉片脫落(FBO)情況中風(fēng)扇與風(fēng)扇機(jī)匣碰撞、其他可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)的事件(渦輪葉片脫落)。

      確定發(fā)動(dòng)機(jī)最大減速時(shí)的限制扭矩時(shí)可以按發(fā)動(dòng)機(jī)在Δt 時(shí)間內(nèi)從最大轉(zhuǎn)速ωxmax 減小到零。Δt 的大小按發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分慣量的大小取值,如果慣量小,減速容易可取0.2 秒,如果慣量大,減速慢可取較大的值,目前國(guó)外最大的發(fā)動(dòng)機(jī)慣量情況取到0.5,通常情況國(guó)外飛機(jī)取0.2 到0.3。

      針對(duì)25.361 b)(2)條,首先要確定各轉(zhuǎn)動(dòng)部分在最大加速情況下的最大角加速度。

      得到以上兩個(gè)力矩后還需和飛機(jī)平飛時(shí)的氣動(dòng)載荷和慣性載荷疊加,進(jìn)行安裝節(jié)系統(tǒng)的強(qiáng)度分析。發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)時(shí)的扭矩值應(yīng)作為限制載荷使用,只有極少發(fā)生的非常突然的突然停車(chē)才會(huì)產(chǎn)生很大的扭矩,可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)的極限載荷對(duì)待。

      發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩載荷通過(guò)安裝節(jié)系統(tǒng)傳遞到吊掛上,飛機(jī)兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩通常是同向的(兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向一致),計(jì)算時(shí)應(yīng)是兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)作用而不能只考慮一側(cè)。

      3 陀螺載荷

      發(fā)動(dòng)機(jī)陀螺載荷指根據(jù)§25.371計(jì)算的扭矩載荷。

      §25.371規(guī)定:任何發(fā)動(dòng)機(jī)或輔助動(dòng)力裝置的支承結(jié)構(gòu)必須按§25.331、§25.341(a)、§25.349、§25.351、§25.473、§25.479、§25.481 中規(guī)定情況產(chǎn)生的包括陀螺載荷在內(nèi)的載荷進(jìn)行設(shè)計(jì),且發(fā)動(dòng)機(jī)或輔助動(dòng)力裝置處于與該情況相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速。為了符合本條的要求,必須滿足§25.331(c)(1)的俯仰機(jī)動(dòng)的要求直到達(dá)到正的限制機(jī)動(dòng)載荷系數(shù)(§25.333(b)的A2點(diǎn))。

      本條款規(guī)定了在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),必須按§25.331、§25.341(a)、§25.349、§25.351、§25.473、§25.479、§25.481 中規(guī)定情況產(chǎn)生的載荷情況進(jìn)行分析,需包括發(fā)動(dòng)機(jī)以最大轉(zhuǎn)速工作所產(chǎn)生的陀螺載荷。

      在上述條款規(guī)定的情況下,因?yàn)轱w機(jī)具有俯仰、偏航及滾轉(zhuǎn)角速度,所以會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)上產(chǎn)生一個(gè)陀螺載荷。具體來(lái)說(shuō),條款規(guī)定在計(jì)算公式中ω2要按下列情況選?。?/p>

      (1)俯仰機(jī)動(dòng)中的最大俯仰角速度。

      (2)滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)過(guò)程中所出現(xiàn)的最大俯仰角速度或偏航角速度。

      (3)偏航機(jī)動(dòng)中的最大偏航角速度。

      陀螺載荷計(jì)算公式通常為:M = Ix×ω1×ω2

      式中:M——發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的陀螺力矩(?!っ祝?

      Ix——發(fā)動(dòng)機(jī)(包括螺旋槳)旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(公斤·米2)

      ω1——發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(弧度/秒)

      ω2——飛機(jī)的機(jī)動(dòng)俯仰或偏航角速度(弧度/秒)

      根據(jù)陀螺載荷的計(jì)算公式可以確定力矩的方向,目前常見(jiàn)的民用飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向都為逆時(shí)針?lè)较颍◤臋C(jī)頭向機(jī)尾方向看),左右兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致,產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角速度方向向前,飛機(jī)俯仰時(shí)產(chǎn)生的角速度方向沿機(jī)翼的展向,按右手法則確定產(chǎn)生的陀螺力矩的方向?yàn)榇怪狈较?,而偏航時(shí)產(chǎn)生的陀螺力矩方向?yàn)檠仫w機(jī)展向。產(chǎn)生的陀螺力矩應(yīng)按結(jié)構(gòu)的連接特點(diǎn)用可靠或保守的方法傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu),并與規(guī)定的全機(jī)載荷疊加進(jìn)行結(jié)構(gòu)的校核。

      4 FBO載荷

      FBO 載荷是指發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片因鳥(niǎo)撞、冰雹或者是疲勞等原因發(fā)生斷裂而脫落所引起的載荷。

      發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)專用條件:

      (c)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu),必須考慮1g平飛載荷和下述動(dòng)載荷同時(shí)作用的極限載荷:

      (1)任何風(fēng)扇、壓氣機(jī)或渦輪葉片的喪失,以及

      (2)任何能引起更大載荷的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)損壞。

      當(dāng)(c)(1)和(c)(2)所定義的極限載荷作用到發(fā)動(dòng)機(jī)架和吊掛上時(shí),必須乘以1.0的安全系數(shù);當(dāng)作用到臨近的機(jī)體支撐結(jié)構(gòu)上時(shí),必須乘以1.25的安全系數(shù)。

      發(fā)動(dòng)機(jī)載荷最嚴(yán)重的故障狀態(tài)就是專用條件中規(guī)定的FBO狀態(tài),這個(gè)過(guò)程的模擬可以按照AC25.362-1X 進(jìn)行,葉片的飛出數(shù)量要計(jì)算部分葉片、1片及1.5片(若FBO試驗(yàn)中葉片飛出數(shù)量超出1.5片,需對(duì)試驗(yàn)中飛出的數(shù)量進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算),產(chǎn)生的慣量可以從供應(yīng)商處獲得,應(yīng)按時(shí)間歷程進(jìn)行全機(jī)的動(dòng)載荷計(jì)算得到發(fā)房、吊掛及支撐結(jié)構(gòu)的極限載荷,這個(gè)過(guò)程一般持續(xù)幾秒鐘,前部分時(shí)間內(nèi)是發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)烈振動(dòng)的不穩(wěn)定狀態(tài),產(chǎn)生很大的載荷,之后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)風(fēng)車(chē)狀態(tài),產(chǎn)生風(fēng)車(chē)載荷。這部分工作一般由發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商進(jìn)行,但主制造商必須證明其可靠性。所有發(fā)動(dòng)機(jī)的重要參數(shù)必須有可靠的來(lái)源和出處。

      FBO載荷為設(shè)計(jì)使用的極限載荷,這個(gè)載荷在加載時(shí)根據(jù)條款規(guī)定對(duì)不同的部位采用不同的安全系數(shù),短艙、安裝節(jié)和吊掛可以采用安全系數(shù)1.0。

      5 風(fēng)車(chē)載荷

      風(fēng)車(chē)載荷為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生FBO事件后的持續(xù)不平衡載荷,該載荷定義見(jiàn)AC25.24“發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)不平衡”。風(fēng)車(chē)載荷由發(fā)動(dòng)機(jī)公司通過(guò)動(dòng)響應(yīng)分析得到,計(jì)算所用的有限元模型由發(fā)動(dòng)機(jī)公司、短艙公司和飛機(jī)制造商聯(lián)合建立。

      CCAR 25.903c)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制:

      必須有在飛行中單獨(dú)停止任一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的措施,但對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝,只有在其繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)危及飛機(jī)的安全時(shí)才需要有停止任一發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的措施。在防火墻的發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè),可能暴露于火中的停轉(zhuǎn)系統(tǒng)的每個(gè)部件必須至少是耐火的。如果為此目的使用螺旋槳液壓順槳系統(tǒng),順槳管路在順槳期間可預(yù)期出現(xiàn)的各種使用條件下必須至少是耐火的。

      在FBO發(fā)生后,進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)不平衡載荷計(jì)算,分析中考慮從最大到最小的風(fēng)車(chē)速度,所有非線性因素(例如轉(zhuǎn)子和定子的摩擦),并在頻域內(nèi)進(jìn)行分析。

      以上的不平衡振動(dòng)載荷疊加上AC 25.24中5c(3)條中規(guī)定的載荷作為風(fēng)車(chē)情況下結(jié)構(gòu)的靜載。

      根據(jù)AC 25.24中5c(2)規(guī)定的轉(zhuǎn)場(chǎng)任務(wù)剖面,飛機(jī)飛行階段有等校正空速飄降(Initial Drift——FBO發(fā)生后飛機(jī)馬上飄降)、等校正空速下降(Final Drift)、巡航(Cruise)、等校正空速下降(Final Descent)。在AC 25.24中5c(2)中規(guī)定的各個(gè)階段中,5c(3)定義了各個(gè)階段應(yīng)該疊加的飛行載荷,構(gòu)成了限制、極限載荷:

      階段1和階段3中最大風(fēng)車(chē)振動(dòng)載荷疊加1g飛行載荷,考慮為限制載荷??紤]1.375系數(shù)后為極限載荷。

      階段4最大風(fēng)車(chē)振動(dòng)載荷疊加1.15g正平衡機(jī)動(dòng)載荷,考慮為限制載荷??紤]1.375系數(shù)后為極限載荷。

      階段2最大風(fēng)車(chē)振動(dòng)載荷疊加70%機(jī)動(dòng)和40%限制突風(fēng)載荷,考慮為極限載荷。這部分載荷可以考慮為離散源損傷容限情況(DSDT)下返場(chǎng)任務(wù)載荷。

      6 結(jié)束語(yǔ)

      由于安裝節(jié)結(jié)構(gòu)所受載荷的復(fù)雜性,其強(qiáng)度設(shè)計(jì)載荷的選取極為關(guān)鍵。因此,在對(duì)相關(guān)適航規(guī)章的充分研究后,本文給出了完備的安裝節(jié)設(shè)計(jì)載荷,對(duì)安裝節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有及其重要的指導(dǎo)意義。

      【參考文獻(xiàn)】

      [1]中國(guó)民用航空總局. CCAR-25 運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].

      [責(zé)任編輯:曹明明]

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