民用飛機(jī)管路系統(tǒng)適墜性仿真分析研究

葛銳　朱德軒　卞剛

【摘 要】本文介紹了民用飛機(jī)管路系統(tǒng)適墜性研究的重要意義，并利用ABAQUS有限元分析軟件中顯式非線性動(dòng)態(tài)分析（ABAQUS / Explicit），對(duì)管路系統(tǒng)適墜性要求進(jìn)行了模擬仿真分析研究。識(shí)別了管路特征、沖擊錘特征、沖擊高度、充壓情況、卡箍個(gè)數(shù)及卡箍間距、導(dǎo)管長(zhǎng)度、卡箍等因素對(duì)燃油管路系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)中導(dǎo)管破壞的影響。可為后續(xù)模擬件和裝機(jī)試驗(yàn)件的試驗(yàn)研究提供參考，為國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)適墜性研究提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；管路系統(tǒng)；適墜性；仿真分析

0 引言

隨著航空技術(shù)的日益發(fā)展，民用飛機(jī)安全性也不斷提高。2015年，國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）分析報(bào)告顯示，近年來(lái)民航客機(jī)發(fā)生事故造成乘客死亡的概率大約穩(wěn)定在五百萬(wàn)分之一[1]。即使如此，當(dāng)發(fā)生航空事故時(shí)，仍然會(huì)造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。而在民用航空事故中，沖擊和火災(zāi)是造成死亡的兩大因素。且有研究表明，78.5%的火災(zāi)是由于燃油箱或燃油管路泄漏導(dǎo)致的[2]。故從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度，提高燃油系統(tǒng)適墜性，避免/控制燃油泄漏是控制火災(zāi)的第一道防線。相對(duì)于燃油箱，布置于機(jī)身內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)和APU供油管路系統(tǒng)的適墜性要求更需引起重視[3]。

供油管路系統(tǒng)適墜性設(shè)計(jì)的主要目的是降低墜撞情況下機(jī)身燃油導(dǎo)管泄漏起火的可能性，進(jìn)而保證緊急情況下乘客的安全，提高事故生還率。同時(shí)，機(jī)身燃油導(dǎo)管適墜性要求也作為適航要求列入民用飛機(jī)適航規(guī)章中（條款25.993f）[4-5]。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)際上對(duì)民機(jī)燃油系統(tǒng)的適墜性研究逐步重視起來(lái)，但是適航規(guī)章或國(guó)際上研究結(jié)果對(duì)管路系統(tǒng)適墜性沒(méi)有清晰的定量要求，尤其對(duì)于機(jī)身內(nèi)的雙層金屬供油導(dǎo)管[3-5]。目前各方仍在投入大量資源持續(xù)開展研究工作。在國(guó)內(nèi)，大型民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)的適墜性研究更是處在探索階段。

本文介紹了利用ABAQUS有限元分析軟件中顯式非線性動(dòng)態(tài)分析（ABAQUS / Explicit），對(duì)管路系統(tǒng)適墜性要求進(jìn)行模擬仿真分析的研究結(jié)果。為后續(xù)模擬件和裝機(jī)試驗(yàn)件的試驗(yàn)研究提供參考，為國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)適墜性研究提供參考依據(jù)。

1 管路系統(tǒng)組成

管路系統(tǒng)一般由導(dǎo)管（單層或雙層）、軟管、連接件、支撐件、隔離器等組成。管路連接件有柔性接頭、無(wú)擴(kuò)口接頭、過(guò)框接頭等；支撐件主要有P 型卡箍、鞍型卡箍、支架一體化卡箍等；為防止大電流進(jìn)入燃油箱，有時(shí)管路中還需要增加隔離器。

2 仿真分析方法及思路

本文研究目標(biāo)是對(duì)如圖1所示的雙層金屬燃油管路落錘沖擊過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究管路材料、管路尺寸、沖擊錘質(zhì)量、沖擊錘切口尺寸、沖擊錘切口倒角、沖擊錘材料、沖擊高度、充壓情況、卡箍個(gè)數(shù)及卡箍間距、導(dǎo)管長(zhǎng)度、卡箍強(qiáng)弱、卡箍管路接觸摩擦力、支架強(qiáng)弱、螺栓強(qiáng)弱、管路類型等因素對(duì)燃油管路系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)中導(dǎo)管破壞的影響。

本文采用ABAQUS有限元軟件中顯式非線性動(dòng)態(tài)分析（ABAQUS/Explicit）進(jìn)行模擬，該方法已被確認(rèn)在顯式動(dòng)態(tài)分析中有著可靠的計(jì)算結(jié)果，為廣泛應(yīng)用的有限元顯式動(dòng)態(tài)分析算法，適用于高速動(dòng)力學(xué)事件（碰撞和爆炸等）、復(fù)雜的接觸問(wèn)題、高度非線性的準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題（如薄板成型等）、材料的退化和失效（如金屬延性失效）等問(wèn)題。

本文基于上述算法，通過(guò)建立落錘沖擊燃油管路的有限元數(shù)值仿真模型，并不斷改變相關(guān)影響因素研究該因素對(duì)燃油導(dǎo)管沖擊試驗(yàn)中導(dǎo)管破壞的影響趨勢(shì)。

3 有限元模型的建立

典型的數(shù)值模型如圖2所示，其中管路材料為不銹鋼321、沖擊錘重量為34.47kg、沖擊錘切口尺寸3.175mm且倒圓角0.5mm、沖擊錘材料為鋁合金7075、沖擊高度為11.2776m、內(nèi)管充壓60psi且外管不充壓、卡箍間距為0.6m、導(dǎo)管長(zhǎng)度 1m、支架材料為Al2024，落錘切口部分材料為鋼材料（300M）或鋁合金材料，落錘上部采用密度較大的鎢鋼（14.7g/cm3）作為配重。

損傷破壞判斷：通過(guò)Mises應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的比較來(lái)判斷是否發(fā)生屈服損傷；通過(guò)最大主應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度的比較以及塑性應(yīng)變的最大值與伸長(zhǎng)率的比較來(lái)綜合判斷管道是否發(fā)生破壞，即只要兩個(gè)因素中有一個(gè)達(dá)到破壞即認(rèn)為管道發(fā)生破壞。

單元類型：內(nèi)、外管采用殼單元S4R、其它各部件均采用實(shí)體單元C3D8R。

邊界條件及力加載：內(nèi)、外管兩端以及支架固支約束；內(nèi)管壓力施加均布?jí)簭?qiáng)60psi；卡箍施加均布?jí)簭?qiáng)2Mpa；落錘賦予重力屬性同時(shí)施加初始速度、橡膠與金屬表面的摩擦系數(shù)為0.8、其他部件之間接觸面的摩擦系數(shù)為0.3。

4 仿真分析結(jié)果

落錘沖擊時(shí)屈服破壞區(qū)域的云圖實(shí)例如圖3所示。根據(jù)各潛在影響因素對(duì)燃油導(dǎo)管沖擊試驗(yàn)中導(dǎo)管破壞的仿真分析結(jié)果，并結(jié)合權(quán)重分析得到：試驗(yàn)臺(tái)架因素（落錘高度、沖擊錘重量）和管路因素（管路長(zhǎng)度）對(duì)試驗(yàn)中導(dǎo)管破壞起主導(dǎo)作用；試驗(yàn)臺(tái)架因素（沖擊錘切口尺寸）和管路因素（管路材料、管路尺寸）對(duì)試驗(yàn)中導(dǎo)管破壞起次要作用；試驗(yàn)臺(tái)架因素（沖擊錘切口倒角、沖擊錘材料）和管路因素（卡箍強(qiáng)弱、支架強(qiáng)弱、卡箍個(gè)數(shù)、卡箍間距等其他因素）僅起到很小作用。具體影響因素權(quán)重分析如圖4所示。

5 結(jié)論

本文利用ABAQUS有限元分析軟件中顯式非線性動(dòng)態(tài)分析（ABAQUS/Explicit），對(duì)管路系統(tǒng)適墜性要求進(jìn)行了模擬仿真分析研究，識(shí)別了管路材料、管路尺寸、沖擊錘質(zhì)量、沖擊錘切口尺寸、沖擊錘切口倒角、沖擊錘材料、沖擊高度、充壓情況、卡箍個(gè)數(shù)及卡箍間距、導(dǎo)管長(zhǎng)度、卡箍強(qiáng)弱、卡箍管路接觸摩擦力、支架強(qiáng)弱、螺栓強(qiáng)弱、管路類型等因素對(duì)燃油管路系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)中導(dǎo)管破壞的影響權(quán)重?？蔀楹罄m(xù)模擬件和裝機(jī)試驗(yàn)件的試驗(yàn)研究提供參考，為國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)適墜性研究提供參考依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Safety Report 2014 [R]. Montreal， Quebec，2015.

[2]Lucha， G.M.， M.A. Robertson， and F.A. Schooley. An Analysis of Aircraft Accidents Involving Fires [R].Moffett Field，California， Ames Research Center， May 1975.

[3]朱德軒，葛銳，等.民用飛機(jī)機(jī)身燃油管路適墜性適航要求和驗(yàn)證方法研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2016.04.014.

[4]朱德軒，游勝龍，等.民用客機(jī)燃油系統(tǒng)適墜性問(wèn)題研究[J].科技信息，2011.11.

[5]朱德軒，葛銳，等.民用客機(jī)燃油系統(tǒng)的適墜性試驗(yàn)研究進(jìn)展回顧[J].裝備制造技術(shù)，2015.7.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]