民用飛機發(fā)動機吊掛保險銷設(shè)計研究

張鵬飛

【摘 要】隨著國際適航組織對適航法規(guī)的不斷修正和完善，危險情況下對機翼油箱及相關(guān)系統(tǒng)安全和客艙的保護成為民用飛機設(shè)計的主要關(guān)注和研究領(lǐng)域。同時，以波音公司和空客公司為主要大型商用飛機制造商競爭格局的形成，動力裝置翼吊布局成為在役飛機最主要的動力裝置布置形式，在這種條件下，應(yīng)急情況動力裝置、吊掛、機翼油箱結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計和客艙安全及飛機經(jīng)濟性成為擺在每一個飛機主制造商面前的一對矛盾，也成為適航局方的主要的關(guān)注問題。

【關(guān)鍵詞】高函道比渦扇發(fā)動機；短艙外部壓力；臨界載荷；發(fā)動機推力

0 引言

波音和空客系列飛機自737型號以來，就形成了完整的動力裝置吊掛應(yīng)急斷離設(shè)計體系和分析驗證方法。經(jīng)歷波音系列747、757、777、787等型號的不斷驗證和完善，波音公司完成了動力裝置應(yīng)急斷離設(shè)計載荷設(shè)計和計算、保險銷設(shè)計和分析、吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計、保險銷試驗驗證、動力裝置吊掛拋離軌跡設(shè)計和分析等一系列關(guān)鍵技術(shù)的研究和方法驗證。波音系列飛機的機翼結(jié)構(gòu)、動力裝置吊掛應(yīng)急斷離設(shè)計和驗證技術(shù)已經(jīng)成為其非常鮮明的技術(shù)特色之一。波音系列飛機在歷史的多次空難中，動力裝置吊掛應(yīng)急斷離設(shè)計成功的避免了油箱結(jié)構(gòu)的損壞和動力裝置對客艙結(jié)構(gòu)的撞擊，從而大大減少了乘客的傷亡，成為波音系列飛機在應(yīng)急著陸等危險情況下避免二次損傷，造成災(zāi)難性事故的鮮明技術(shù)優(yōu)勢。

1 飛機載荷設(shè)計要求

本文對動力裝置吊掛應(yīng)急斷離的設(shè)計的基本思路進行了討論?；谏鲜鲈O(shè)計思路，翼吊飛機動力裝置吊掛應(yīng)急斷離設(shè)計按照如下載荷考慮是比較經(jīng)濟、可靠、安全的方式[1]：

機翼結(jié)構(gòu)（尤其是吊掛和機翼連接的臨近部位），包含機翼接頭、機翼接頭和壁板連接件、臨近動力裝置站位的機翼盒段油箱結(jié)構(gòu)。除其需要考慮的飛行載荷、動載荷、氣動載荷等主要載荷外，還需要考慮動力裝置設(shè)計載荷、吊掛設(shè)計載荷、保險銷設(shè)計載荷工況傳遞到機翼油箱本體結(jié)構(gòu)的載荷和非正常著陸情況（主載荷方向向上、主載荷方向向后）傳遞到機翼油箱結(jié)構(gòu)的載荷；

吊掛結(jié)構(gòu)僅需要考慮動力裝置和短艙傳遞過來的載荷情況，包含動力裝置重心處的慣性載荷（飛行載荷、動載荷、地面載荷），及其他局部載荷情況，與機翼盒段相比，非正常著陸情況載荷是不需要考慮的。

飛機飛行載荷、動載荷和地面載荷是指按照CCAR25 部計算的載荷，包括：動態(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)）、動態(tài)著陸載荷、動態(tài)滑行載荷、飛行載荷（包括飛行機動載荷和動力裝置失效載荷）、地面載荷（包括起飛滑跑、滑行剎車、急剎車、轉(zhuǎn)彎、前輪側(cè)偏、回轉(zhuǎn)情況和倒行剎車等載荷情況）

FBO 載荷是指動力裝置風(fēng)扇葉片因鳥撞、冰雹或者是疲勞等原因發(fā)生斷裂而脫落所引起的載荷。該載荷一般由動力裝置公司通過動響應(yīng)分析得到，計算所用的有限元模型由動力裝置公司、短艙公司和飛機制造商聯(lián)合建立。適航當(dāng)局一般會通過專用條件的方式對該載荷的計算提出要求，具體載荷計算也可參考AC 25.362-1X ENGINE FAILURE LOADS。

2 結(jié)構(gòu)載荷系數(shù)

應(yīng)急斷離載荷系數(shù)的定義如下：在吊掛設(shè)計的極限載荷基礎(chǔ)上，考慮保險銷熱處理、制造和裝配誤差。因此，保險銷的設(shè)計值為吊掛設(shè)計載荷的（1+β）倍。保險銷承載能力的波動范圍約為發(fā)生破壞的載荷范圍α。

其中β為溫度引起的考慮保守性，溫度、載荷、材料性能、分析精度的安全系數(shù)。α是保險銷熱處理、機加、尺寸精度等誤差引起的保險銷剪切強度波動范圍。

為保護機翼油箱相關(guān)結(jié)構(gòu)，確保在所有載荷情況下，機翼油箱相關(guān)結(jié)構(gòu)的安全。機翼結(jié)構(gòu)（含機翼接頭及所有外翼）需在保險銷斷離上限值的基礎(chǔ)上考慮一定的安全系數(shù)，一般為α。

在應(yīng)急斷離設(shè)計中，其著陸情況決定了載荷主要方向為向上或向后[2]。為了確保保險銷結(jié)構(gòu)能夠早于機翼結(jié)構(gòu)和吊掛盒段結(jié)構(gòu)首先發(fā)生破壞，一般會把保險銷安裝在載荷明確的單傳力通路上，以免其余結(jié)構(gòu)載荷的斷離影響保險銷的破壞。此外，保險銷的設(shè)計理念決定，其設(shè)計為尺寸設(shè)計，而非強度設(shè)計，既要求在要求的載荷保險下，不發(fā)生破壞，又要求在特定的載荷情況下，必須發(fā)生明確的破壞，且破壞模型確切。

對于吊掛盒段結(jié)構(gòu)而言，其傳力形式均為多傳力通路結(jié)構(gòu)，在某處結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時，剩余載荷能夠通過其他傳力路徑傳遞出去。此外，吊掛結(jié)構(gòu)考慮額外的溫度場、管道爆裂等局部載荷情況，具有較高的安全裕度。因此，對吊掛盒段的應(yīng)急斷離設(shè)計，需要考慮有可能發(fā)生局部破壞后，剩余結(jié)構(gòu)是否能夠確保結(jié)構(gòu)安全，來證明吊掛盒段結(jié)構(gòu)的完整性。

3 有限元分析

建立機身、機翼、發(fā)動機的有限元動態(tài)撞擊分析模型。關(guān)于撞擊速度，考慮接地時的水平及下沉速度，而忽略高度及風(fēng)速的影響。最大水平速度為70m/s，最大下沉速度為10.7m/s。

機翼簡化為一個彈性結(jié)構(gòu)；動力裝置簡化為一個剛體；忽略動力裝置整流罩的影響，將動力裝置簡化為前風(fēng)扇機匣、后核心機匣兩部分；地面尺寸遠大于動力裝置尺寸。

對模型進行連接處理，將同一構(gòu)件之間無法進行節(jié)點融合的部分，運用彈簧元進行連接。其次進行接觸處理，對不同構(gòu)件之間采用Contacts 處理，包括剪切銷處、動力裝置與地面處等部位運用34 號non-symetric node-to-segment with edge treatment 接觸進行處理。

對有限元模型中各個部件賦予相應(yīng)的材料屬性，對于剪切銷的材料為15-5ph。但由于在高應(yīng)變率狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)材料所表現(xiàn)的動態(tài)力學(xué)特性與準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)特性不同。其原因為：首先，靜力學(xué)忽略介質(zhì)微元體的慣性作用，而沖擊載荷以載荷作用的短歷時為其特征，介質(zhì)的各個微元體處于隨時間變化的動態(tài)過程中，必須計及介質(zhì)微元的慣性。第二，從材料變形機理來說，除了彈性變形以材料中的波速傳播外，非彈性變形運動和斷裂都是以有限速度發(fā)展（如錯位的運動過程、應(yīng)力引起的擴散過程、裂紋擴展和傳播過程等）。因此需要得到?jīng)_擊響應(yīng)下的材料參數(shù)。進行動態(tài)沖擊試驗，利用分離式Hopkinson 桿試驗可以獲得材料在不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，以得到該種材料的Johnson-Cook（JC）本構(gòu)模型。Johnson-Cook 本構(gòu)模型的表達式如下：A、B、C、 和m 為待定參數(shù)，需要根據(jù)不同應(yīng)變率和不同溫度條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系實驗曲線擬合得到。

假設(shè)在飛機應(yīng)急著陸的過程中動力裝置對飛機不再產(chǎn)生動力，飛機以勻速碰撞地面，在試算的過程中忽略重力對整個模型的影響。在Loads 下的Initial Velocity 中賦予飛機機翼、吊掛和動力裝置整體相對于地面一個應(yīng)急著陸初始速度，初步賦予機翼、吊掛和動力裝置整體相對地面水平速度為50m/s，垂直速度為5m/s，三者整體與地面的撞擊角設(shè)置為0°。在賦予速度的過程中，對于銷釘、動力裝置和機翼選擇全部實體單元作為對象，而對于剛體結(jié)構(gòu)的吊掛則選擇其各個部件的質(zhì)心。對于終止時間的設(shè)定，以滿足吊掛可以正常分離即可。通過計算可以發(fā)現(xiàn)，吊掛正常分離所需的時間小于0.1s，故選擇仿真計算的時間為0.1s。計算結(jié)果如圖3所示。

4 結(jié)論

本文詳細論述了翼吊民用飛機吊掛應(yīng)急斷離設(shè)計中的所有內(nèi)容，包含適航條款要求、載荷考慮、結(jié)構(gòu)載荷系數(shù)、斷離界面的選擇、斷離順序和拋離軌跡的分析、保險的設(shè)計方法和分析方法、保險銷熱處理工藝的路徑和方法，并給出了結(jié)論。同時，還論述了動力裝置應(yīng)急斷離設(shè)計的驗證試驗及驗證方。比較全面的給出了動力裝置應(yīng)急斷離設(shè)計的全貌。

【參考文獻】

[1]牛春勻.使用飛機結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及尺寸[M].航空工業(yè)出版社，2009.

[2]中國民用航空總局. CCAR-25 運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)[S].

[責(zé)任編輯：曹明明]