應(yīng)急斷離剪切銷的雙剪切破壞過程仿真研究

談志晶 林 森

(上海飛機設(shè)計研究院，上海 201210)

0 引言

吊掛結(jié)構(gòu)是民機的主要承力部件，整個飛行過程中傳遞來自發(fā)動機產(chǎn)生的推力，而在緊急情況下需要在吊掛與發(fā)動機的連接接口或者吊掛與機翼的連接接口斷離，切斷推力繼續(xù)傳遞至機翼，保證飛機的安全著陸，因此研究如何保證吊掛應(yīng)急斷離剪切銷在應(yīng)急情況下的有效斷離相當(dāng)重要。本文選用不銹鋼作為應(yīng)急斷離剪切銷的材料并論述應(yīng)急斷離剪切銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。目前，國外應(yīng)急斷離的相關(guān)研究相對于國內(nèi)起步較早，因此國內(nèi)的理論研究相對薄弱[1-2]。美國學(xué)者較早的研究分析了飛機失事的影響因素，并提出針對飛機抗墜性的若干優(yōu)化意見[3]，之后又根據(jù)民用飛機適航條款的相關(guān)要求，設(shè)計了一種能夠在緊急情況下自動斷開的保護(hù)裝置，該保護(hù)裝置會在飛行載荷達(dá)到一定閥值后自動斷開[4]。國內(nèi)學(xué)者范耀宇等[5]通過分析歷史上民用飛機應(yīng)急著陸時發(fā)生的空難，并結(jié)合空客、波音等飛機設(shè)計公司在吊掛應(yīng)急斷離方向的設(shè)計理念，對中國民機吊掛的緊急情況下的斷離設(shè)計提出了一些建設(shè)性意見，并進(jìn)一步結(jié)合PAM-CRASH仿真軟件模擬分析了民用飛機吊掛應(yīng)急斷離的方案[6]。2015年，我國張鵬飛學(xué)者[7]發(fā)表論文敘述了民用飛機緊急狀況下的應(yīng)急斷離設(shè)計，論述了發(fā)動機或吊掛的應(yīng)急斷離設(shè)計的試驗驗證以及模擬仿真的方法。2015年我國朱成鋼[8]研究并總結(jié)中國國內(nèi)已有的應(yīng)急斷離剪切銷的強度設(shè)計方法，并在總結(jié)的基礎(chǔ)上提出了應(yīng)急斷離剪切銷新的強度設(shè)計思路，即通過塑性修正方法得到應(yīng)急斷離剪切銷斷離橫截面上的極限許用力矩，只需保證經(jīng)過塑性修正后得到的彎曲強度達(dá)標(biāo)即可。2017年金子博等人[9]以某大型民用飛機吊掛應(yīng)急斷離剪切銷的設(shè)計為背景，研究了超靜定結(jié)構(gòu)雙剪切應(yīng)急斷離剪切銷橫向抗沖擊性能對應(yīng)急斷離剪切銷強度設(shè)計的影響程度。首先其通過ABAQUS有限元仿真軟件建立了一套熱耦合力學(xué)模型，通過相關(guān)邊界條件的設(shè)定，模擬真實的飛機緊急迫降工況，并使用多組不同尺寸應(yīng)急斷離保險銷，在不同著陸角度以及著陸速度下，模擬分析了應(yīng)急斷離剪切銷的剪斷載荷和能量吸收效率，并最終得出不同內(nèi)外徑尺寸以及徑厚比對應(yīng)急斷離剪切銷剪斷特性的影響。

民用飛機應(yīng)急斷離剪切銷的設(shè)計，通常情況下使用不銹鋼作為制造應(yīng)急斷離剪切銷的材料，而不銹鋼的力學(xué)性能直接影響應(yīng)急斷離剪切銷的使用壽命。含銅相析出作為不銹鋼加強的一種手段之一[10-11]，通過析出粒子錯位發(fā)生積塞增加材料強度。另外，采用熱處理手段來提高不銹鋼的抗磨損性能[12-13]。計算機領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，帶動了相關(guān)仿真軟件的飛速進(jìn)步，眾多有限元仿真軟件已經(jīng)具有強大的仿真分析能力，包括材料的力學(xué)性能分析、失效準(zhǔn)則的建立以及模型網(wǎng)格的劃分。2013年宗俊達(dá)等人[14]使用MSC Nastran軟件對應(yīng)急斷離剪切銷的試驗夾具進(jìn)行了強度以及剛度的模擬計算，給出了試驗夾具的校核設(shè)計方法，為試驗夾具提供了設(shè)計思路。張孟玫學(xué)者[15]提出了一種應(yīng)急斷離剪切銷抗剪強度計算的理論方法，其采用三維模型和有限元分析方法動態(tài)模擬了應(yīng)急斷離剪切銷的斷離全過程。2015年，王寶賓等人[16]，采用ABAQUS仿真軟件，模擬了應(yīng)急斷離剪切銷在不同直徑尺寸下的斷離應(yīng)力，并通過試驗進(jìn)行了驗證，成功地將應(yīng)急斷離技術(shù)應(yīng)用于航空業(yè)以外的領(lǐng)域，解決了汽車制造業(yè)中變速器臺架應(yīng)急斷離問題，從而以較低的研發(fā)成本保護(hù)了昂貴的試驗設(shè)備的安全。本文以應(yīng)急斷離剪切銷為研究對象，開展力學(xué)性能測試和斷裂過程仿真分析，研究不同徑厚比對應(yīng)急斷離剪切銷破壞過程的影響，為后續(xù)應(yīng)急斷離剪切銷試驗件的設(shè)計與制造提供理論支持。

1 試驗

1.1 試驗方法

圓柱體單向拉伸實驗是材料力學(xué)性能測試中常見的試驗方法，方便為材料的有限元模擬提供精確有效的理論數(shù)據(jù)。依照ASTM EB/E8M金屬材料試驗方法，開展某種不銹鋼制作的啞鈴型試棒單軸拉伸試驗，為減少試驗裝夾等帶來的影響，開展3組單軸拉伸試驗，試樣尺寸如圖1所示。試驗裝置采用萬能試驗機。

圖1 試樣尺寸

1.2 試驗結(jié)果

基于單軸拉伸試驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行本構(gòu)模型和有限元模型的建立。由位移載荷曲線轉(zhuǎn)換得到真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。

圖2 應(yīng)變-應(yīng)力曲線

2 有限元模型的建立

分析不銹鋼應(yīng)急斷離剪切銷真實應(yīng)力應(yīng)變曲線，可看出主要包括彈性形變和塑性形變。建立剪切銷的仿真模型，選用彈-塑性本構(gòu)模型，本構(gòu)模型如式(1)所示[17]。式中，E為彈性模型，屈服強度通過彈性變形階段獲得，分析塑性變形階段，計算獲得應(yīng)變硬化系數(shù)B和應(yīng)變硬化指數(shù)n。進(jìn)而獲得本構(gòu)模型的具體參數(shù)，如表1所示。

表1 彈塑性本構(gòu)模型參數(shù)

(1)

式中：σ—應(yīng)力，MPa；

E—彈性模量，MPa；

ε—應(yīng)變；

σv—屈服強度，MPa；

B—應(yīng)變硬化系數(shù)，MPa；

n—應(yīng)變硬化指數(shù)。

依據(jù)彈-塑性本構(gòu)模型，建立了有限元模型，使用C3D8R單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，夾具上部通過參考點RP-1進(jìn)行綁定，在參考點施加4E+6載荷，限制夾具底部Z方向的自由度，釋放應(yīng)急斷離剪切銷試件的全局自由度，完成設(shè)置后，應(yīng)急斷離剪切銷雙剪有限元模型如圖3所示。開展不同徑厚比下雙剪仿真分析，方案如表2所示。

圖3 雙剪有限元模型

表2 雙剪分析不同徑厚比方案

3 結(jié)果分析

試件1-1、1-2隨時間變化所承受的剪應(yīng)力S23云圖如圖4所示。

(a)試件1-1、試件1-2斷裂前S23云圖

圖4(a)可以看出，在不斷施加載荷的過程中，兩側(cè)的剪切應(yīng)力也隨之增加，隨著時間推移直至斷裂前，試件1-1所承受的最大剪力范圍為486.1 MPa～583.2 MPa，平均剪切強度值534.65 MPa；試件1-2所承受的最大剪力范圍為483.8 MPa～580.7 MPa，平均剪切強度值532.25 MPa。施加的載荷不斷增加，應(yīng)急斷離剪切銷剪切處開始出現(xiàn)裂紋并慢慢擴展，如圖4(b)所示，相同外徑32 mm下，試件1-1斷裂瞬間平均剪應(yīng)力508.85 MPa小于試件2-2斷裂瞬間平均剪應(yīng)力534.95 MPa，裂紋出現(xiàn)在不同位置，完全斷裂后，斷離銷斷口均出現(xiàn)不規(guī)則形狀，得出的結(jié)論為：相同外徑下，應(yīng)急斷離剪切銷內(nèi)徑越大，其破壞瞬間的剪切強度則越大。

圖5和圖6分別展示出了雙剪工況下，試件1-1與試件1-2破壞過程中應(yīng)力云圖和位移變化云圖。可以看出，在不同時刻下，試件1-1的平均MISES應(yīng)力比試件1-2大，即應(yīng)急斷離剪切銷內(nèi)徑越小，平均MISES應(yīng)力越大。從圖6可看出，不同時刻，應(yīng)急斷離剪切銷內(nèi)徑越大，破壞位移越大。

圖5 試件1-1、1-2斷裂瞬間應(yīng)力云圖

(a)試件1-1、1-2斷裂瞬間位移云圖

4 結(jié)論

民用飛機吊掛應(yīng)急斷離剪切銷在緊急情況下的成功斷離對保障飛機安全著陸至關(guān)重要。本文以不銹鋼材質(zhì)應(yīng)急斷離剪切銷為研究對象，開展了材料的力學(xué)性能測試，建立了應(yīng)急斷離剪切銷的彈-塑性本構(gòu)模型；基于力學(xué)性能測試結(jié)果，建立了應(yīng)急斷離剪切銷的雙剪有限元模型，開展了不同徑厚比下的應(yīng)急斷離剪切銷仿真分析并為應(yīng)急斷離剪切銷試驗件設(shè)計提供數(shù)字化參考。主要結(jié)論如下：

(1)雙剪工況下，相同外徑下，內(nèi)徑越大，其破壞瞬間的剪切強度越大；

(2)雙剪工況下，相同外徑下，內(nèi)徑越大，其破壞位移越大。