航空輪胎爆破氣流場(chǎng)測(cè)試方法

張建敏， 岳珠峰， 耿小亮， 王佩艷， 姚世樂， 馬小慶

(1. 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院， 上海 200235； 2. 西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院， 西安 710129)

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航空輪胎爆破氣流場(chǎng)測(cè)試方法

張建敏1， 岳珠峰2， 耿小亮2， 王佩艷2， 姚世樂2， 馬小慶1

(1. 上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院， 上海 200235； 2. 西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院， 西安 710129)

摘要：航空輪胎對(duì)于飛機(jī)安全性有著重要的意義，若發(fā)生輪胎爆破，起落架艙內(nèi)的設(shè)備及管路系統(tǒng)會(huì)發(fā)生破壞從而引發(fā)重大航空事故，因此在設(shè)計(jì)階段需要對(duì)起落架艙內(nèi)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而飛機(jī)輪胎爆破過程中氣流場(chǎng)分布規(guī)律顯得至關(guān)重要?；趪a(chǎn)某定型客機(jī)進(jìn)行輪胎爆破空氣噴流模式壓力場(chǎng)測(cè)試，采用翼型支架對(duì)氣壓傳感器進(jìn)行支撐。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用翼型截面支架安裝高頻動(dòng)壓傳感器可得到有效的氣流場(chǎng)壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了中國民用航空局適航審查認(rèn)證。輪胎爆破是瞬時(shí)釋放巨大能量的過程，對(duì)周圍結(jié)構(gòu)的破壞是災(zāi)難性的，因此在設(shè)計(jì)中必須考慮輪胎爆破的影響。

關(guān)鍵詞：輪胎爆破； 氣流場(chǎng)； 翼型支架

1引言

航空輪胎起著支撐飛機(jī)重量和起飛著陸滑跑的作用，是飛機(jī)的重要部件。飛機(jī)輪胎是否安全可靠，對(duì)于飛機(jī)的可靠性和機(jī)上人員生命財(cái)產(chǎn)的安全有著重要的意義。航空輪胎的性能不斷提高，基本上可以適應(yīng)航空工業(yè)發(fā)展的需要〔1-10〕，但是仍然會(huì)發(fā)生飛機(jī)輪胎失效。在飛機(jī)起飛和著陸過程中，航空輪胎最容易爆破失效，輪胎爆破產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流、碎片等可能打壞機(jī)翼、平尾、起落架等部件，造成重大安全隱患〔11-15〕。近年來，國內(nèi)外都曾多次發(fā)生航空輪胎爆破事故，B737和圖-154等飛機(jī)都曾出現(xiàn)過因輪胎爆破引發(fā)嚴(yán)重事故的案例。

因此，很有必要在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段考慮輪胎爆破產(chǎn)生的原因及影響，使得由于輪胎爆破造成的損失減小到最小。輪胎爆破模式主要有輪胎碎片危害模式、空氣噴流壓力效應(yīng)模式、甩胎模式、輪緣碎片模式〔2-3〕等，其中空氣噴流壓力模式是最常見也是危害性最大的。在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段考慮空氣噴流壓力模式對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的影響，必須首先了解飛機(jī)輪胎爆破過程中爆破壓力場(chǎng)的分布規(guī)律。由于航空輪胎爆破危險(xiǎn)性大，而且價(jià)格昂貴，因此對(duì)輪胎爆破壓力場(chǎng)的研究很少。王耀華等〔16〕自制機(jī)械壓力傳感器測(cè)量輪胎近爆區(qū)壓力，LAYMK[17〕等研究了B52和F-16機(jī)型的輪胎爆破行為，但是僅布置了幾個(gè)傳感器，無法測(cè)試爆破壓力場(chǎng)。爆破在輪胎爆破流場(chǎng)氣壓測(cè)試系統(tǒng)中，氣壓傳感器及其支持夾具會(huì)對(duì)氣壓場(chǎng)的分布造成較大影響，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與實(shí)際有誤差，因此需要一種對(duì)氣壓場(chǎng)干擾最小的壓力傳感器支架。本文基于國產(chǎn)某定型客機(jī)輪胎進(jìn)行輪胎爆破空氣噴流壓力場(chǎng)測(cè)試，采用翼型支架對(duì)傳感器進(jìn)行支撐。

2子午胎爆胎噴流壓力效應(yīng)模式

按照NPA2013-02和已知事故的調(diào)查顯示,爆胎情況僅發(fā)生在帶有剎車的主起落架收起過程中,發(fā)生爆胎時(shí)的輪胎壓力一般為輪胎無負(fù)荷最大額定壓力的125%。對(duì)于子午線輪胎,爆胎空氣噴流壓力效應(yīng)模式成楔形,子午胎空氣噴流壓力與到輪胎距離成指數(shù)衰減關(guān)系,函數(shù)關(guān)系見式(1)～(3)。

e-ψ·x]+po

(1)

(2)

(3)

式中:C1為12.478；C2為1.222；C3為0.024；WG是指定最大胎間寬度；Pt為總壓力或爆胎壓力,psi或bar；P0為外界壓力,psi或bar；x為物體與輪胎胎面的距離，in.或mm；ψ為一個(gè)系數(shù)表達(dá)。

3輪胎爆破空氣噴流場(chǎng)測(cè)試方案

圖1為國產(chǎn)某型客機(jī)輪胎爆破空氣噴流場(chǎng)的測(cè)試方案。

圖1　輪胎爆破壓力場(chǎng)測(cè)試方案Fig.1　Tire burst pressure field test

實(shí)驗(yàn)用飛機(jī)主起落架輪胎(46×17.0R20Michelin)通過輪軸固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上，實(shí)驗(yàn)臺(tái)架平行于水平面，用于安裝輪胎試件和傳感器支架底座。過輪胎爆破點(diǎn)作平行于臺(tái)架平面的一個(gè)平面，稱為基準(zhǔn)平面，如圖1中虛線所示。壓力傳感器固定在翼型支架上端，翼型支架通過螺栓固定在臺(tái)架平面上，調(diào)整壓力傳感器的位置，使所有壓力傳感器的中心軸線均位于基準(zhǔn)平面內(nèi)，由此保證傳感器測(cè)量得到的壓力即為輪胎爆破形成壓力場(chǎng)的基本平面內(nèi)的壓力。安裝時(shí)，所有傳感器正對(duì)著輪胎中心，保證測(cè)量得到爆破氣流場(chǎng)的最大動(dòng)壓力。壓力傳感器采用Endevco的高頻動(dòng)壓傳感器，量程為200 ～500psi，共振頻率為750 ～1 000kHz。

圖2為翼型支架組件的安裝情況。

圖2　翼型支架組件安裝示意圖Fig.2　Schematic diagram of airfoil section frame installation

壓力傳感器105通過翼型支架組件固定在流場(chǎng)中，翼型支架組件由翼型桿104-1和支架104-2組成，翼型桿104-1橫截面采用翼型截面，充分減小對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)。壓力傳感器探頭安裝在翼型桿104-1上端，通過M5螺紋連接。采用支架內(nèi)部空腔傳遞導(dǎo)線的方式將傳感器的引線延伸到氣流場(chǎng)外，以減少導(dǎo)線對(duì)流場(chǎng)的影響。在安裝時(shí)，使得翼型截面軸線與流場(chǎng)流線相平行，盡可能減小支架對(duì)流場(chǎng)的影響。為減少支架之間的相互干擾，采用交錯(cuò)的方法進(jìn)行排布。測(cè)量點(diǎn)為14個(gè)。排布方法：將測(cè)量半平面每15°化分為一個(gè)區(qū)域，共分成10個(gè)區(qū)域。徑向方向，第一排測(cè)點(diǎn)距離輪胎外表面10cm，后面的測(cè)點(diǎn)每排均為間隔10cm。排布點(diǎn)如圖3所示，保證在每個(gè)設(shè)定的距離上和每個(gè)設(shè)定的方向上都有若干測(cè)點(diǎn)分布，各測(cè)點(diǎn)穿插分布，避免了傳感器之間的互相干擾，而且能給定不同角度和距離的壓力值。

圖3　傳感器布置圖Fig.3　Pressure sensor layout

4支架選型與驗(yàn)證

氣壓傳感器必須通過支架放置在爆破氣流場(chǎng)中，在氣流場(chǎng)中布置傳感器相當(dāng)于在氣流場(chǎng)中設(shè)置障礙，必然會(huì)對(duì)爆破氣流場(chǎng)造成一定的影響，因此支架的截面形狀對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很大，優(yōu)選支架截面是測(cè)試系統(tǒng)確定的關(guān)鍵。參考飛機(jī)機(jī)翼的性能及形狀，創(chuàng)新性地采用對(duì)稱翼型截面進(jìn)行支架設(shè)計(jì)。

流體力學(xué)分析軟件Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國的市場(chǎng)占有率為60%，凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣和渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。

用Fluent軟件對(duì)輪胎的爆破氣流場(chǎng)進(jìn)行分析，模型選用RNGK-epsilon，速度和壓力耦合方式選為SIMPLE，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理，迭代次數(shù)為300次。

在模型建立過程中，整個(gè)計(jì)算域的尺寸是2m×3m, 邊界條件的設(shè)置為: 以出射口為氣壓入口，出射口氣壓設(shè)置為15個(gè)大氣壓(1.5MPa)，右端為氣壓出口，其余面設(shè)置為固定壁面，出射口的寬度為1.8×10-3m，流體計(jì)算模型如圖4所示。

圖4　輪胎爆破氣流場(chǎng)分析模型Fig.4　Analysis model of tire burst pressure

為說明翼型支架的合理性，將翼型支架和圓形支架分別放置在爆破氣流場(chǎng)中，計(jì)算了兩種支架形狀對(duì)爆破氣流場(chǎng)的影響。總壓等值線圖和流場(chǎng)速度矢量圖如圖5所示。可以看出，總壓分布呈現(xiàn)遞減的規(guī)律，出氣口壓力最大，距離出氣口距離越遠(yuǎn)，壓力越小，而且壓力的分布上下基本對(duì)稱。動(dòng)壓的分布規(guī)律與總壓基本一致。

圖5　翼型支架對(duì)流場(chǎng)影響對(duì)比Fig.5　Comparison of flow field on different cross section frames

從速度矢量圖上可以看出，當(dāng)氣壓為1.5MPa時(shí)，氣流在出口處速度達(dá)到最大值2.2km/s，距離出壓口越遠(yuǎn)，氣流速度越小，氣流流動(dòng)方向基本沿x軸的正方向。

從圖5中可以看出，在放置了翼型傳感器氣流場(chǎng)支架之后，流場(chǎng)的總壓和速度矢量與之前未放傳感器的情況相比，局部區(qū)域的氣壓數(shù)值發(fā)生了變化，在翼面周圍氣流場(chǎng)的流動(dòng)方向和速度大小發(fā)生了一些改變，但氣流的總體趨勢(shì)并未受較大影響。圖6給出了在氣流場(chǎng)中放置了翼型支架后氣流的速度流線圖，可以看出，翼型支架對(duì)氣流局部有一定的影響，但是未改進(jìn)氣流整體流動(dòng)。

圖6　含翼型支架流場(chǎng)速度矢量圖(局部)Fig.6　Flow velocity vector chart of adding the airfoil section frame

在放置了圓截面?zhèn)鞲衅髦Ъ苤?，氣流?chǎng)的壓力及速度矢量與之前相比，局部位置尤其是在圓截面的后方，氣壓數(shù)值發(fā)生了較為明顯的減小，甚至形成了負(fù)壓區(qū)，對(duì)氣流的總體趨勢(shì)影響較大，說明了選擇翼型支架的合理性。

為驗(yàn)證翼型支架的優(yōu)點(diǎn)，將無傳感器布置、圓形支架以及翼型支架布置下，14個(gè)測(cè)點(diǎn)處的當(dāng)?shù)貧鈮褐颠M(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示。

通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，翼型傳感器支架對(duì)流場(chǎng)的整體影響較小，大部分測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)與未放傳感器的流場(chǎng)數(shù)據(jù)基本吻合，呈現(xiàn)出較好的一致性，因此在實(shí)驗(yàn)過程中選用翼型截面的傳感器支架是合理的。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

航空輪胎爆破過程中輪胎內(nèi)部壓力、爆破口大小、爆破位置等存在很大的不確定性，因此輪胎爆破形成的爆破氣流場(chǎng)具有很大的分散性。本次航空輪胎爆破實(shí)驗(yàn)共計(jì)爆破了8條輪胎。輪胎爆破斷口截面如圖8所示。

圖8　輪胎爆破斷口Fig.8　Fracture picture of tire blast

在流場(chǎng)中安置14個(gè)傳感器，記錄14個(gè)測(cè)點(diǎn)所在位置的爆破氣壓值，根據(jù)氣壓數(shù)據(jù)繪制氣壓值隨時(shí)間的變化曲線。圖9給出了第2條輪胎和第4條輪胎的氣壓值隨時(shí)間變化的曲線。

從氣壓曲線圖可以看出，在每一次爆破過程中，氣壓分布規(guī)律比較明顯，呈現(xiàn)很好的同步性，氣壓值的大小與距離存在一定的關(guān)系。全部實(shí)驗(yàn)過程中，最大氣壓值始終出現(xiàn)在距離爆破中心最近的點(diǎn)(<100mm)，最大氣壓值為10個(gè)大氣壓。輪胎爆破是個(gè)瞬時(shí)釋放巨大能量的過程，各測(cè)點(diǎn)壓力從初始達(dá)到最大僅需10ms，之后壓力值迅速降低，直到恢復(fù)零值?？梢娸喬ケ茖?duì)附近結(jié)構(gòu)的破壞是災(zāi)難性的，在起落架艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮輪胎爆破影響。

為了考核8次實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的一致性，現(xiàn)將每次實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的最大壓力值進(jìn)行對(duì)比分析，圖10給出了8次實(shí)驗(yàn)過程中各測(cè)點(diǎn)的最大值曲線圖。

從圖10可以看出，各測(cè)點(diǎn)在8次實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的最大壓力值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，說明實(shí)驗(yàn)狀態(tài)較為穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性較好，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可信。圖11給出了翼型支架的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)最大值的對(duì)比分析。可以看出，采用翼型支架進(jìn)行壓力傳感器支撐進(jìn)行輪胎爆破實(shí)驗(yàn)是切實(shí)可行的。

圖9　輪胎爆破過程中各測(cè)點(diǎn)氣壓值隨時(shí)間的變化曲線Fig.9　The changing curve of pressure versus blasting time for each measuring point

圖10　實(shí)驗(yàn)過程中各測(cè)點(diǎn)最大值匯總Fig.10　Maximum value of each measuring point in test

圖11　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.11　Comparison of experimental results and simulation results

輪胎爆破壓力場(chǎng)分布模型擬采用指數(shù)函數(shù)P(r)表示，如公式4所示。其中A、B、C為擬合系數(shù)，r為變量，表示各點(diǎn)與中心點(diǎn)的距離，P0為初始胎壓，當(dāng)r=0時(shí)，表示該點(diǎn)為爆破中心點(diǎn)。

(4)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到不同測(cè)點(diǎn)的氣壓值和距離，并結(jié)合每一次爆破時(shí)的初始胎壓，利用最小二乘法修正系數(shù)，直到計(jì)算值和測(cè)量值相吻合，由此可確定最終爆破壓力場(chǎng)分布模型。

(5)

式中：P(x)是氣流場(chǎng)中基準(zhǔn)平面內(nèi)距離爆破中心點(diǎn)距離為x處的壓強(qiáng)值；P0為輪胎初始胎壓，單位為kPa;x單位為mm。

6結(jié)論與展望

(1)輪胎爆破是個(gè)瞬間釋放能量的過程，局部壓力達(dá)到10個(gè)大氣壓，對(duì)周圍結(jié)構(gòu)的破壞是災(zāi)難性的，因此在設(shè)計(jì)中必須考慮輪胎爆破的影響。

(2)根據(jù)輪胎爆破壓力場(chǎng)的分布規(guī)律建立該航空輪胎爆破壓力場(chǎng)分布模型，壓力場(chǎng)分布模型對(duì)起落架艙內(nèi)結(jié)構(gòu)提供必要的設(shè)計(jì)依據(jù)。

(3)在航空輪胎爆破過程中，采用翼型截面支架布置傳感器可得到有效的氣流場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到了中國民用航空局審查人員的認(rèn)可。隨著國內(nèi)外有關(guān)輪胎爆破研究工作的不斷深入，翼型支架將會(huì)在氣流場(chǎng)測(cè)試中廣泛應(yīng)用。

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文章編號(hào)：1006-7051(2016)03-0021-06

收稿日期：2016-02-02

基金項(xiàng)目：高等教育博士點(diǎn)基金(2013610212031)

作者簡(jiǎn)介：張建敏(1966-)，男，高級(jí)工程師，研究方向是輪胎爆破。E-mail: zhangjianmin@comac.cc

中圖分類號(hào)：TB33

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.03.004

Blastingairflowofaircrafttiretest

ZHANGJian-min1，YUEZhu-feng2，GENGXiao-liang2，WANGPei-yan2，YAOShi-le2，MAXiao-qing1

(1.ShanghaiAircraftDesignandResearchInstitute,Shanghai200235,China;2.SchoolofMechanics,CivilEngineeringandArchitecture,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710129,China)

ABSTRACT：Aircraft tire had great significance for airplane safety. Once aircraft tires blasted, primary structures nearby the tire might be damaged, and enormous aircraft accident would occur. So the distribution rule of air flow field in the process of aircraft tire blast seemed particularly important. Based on the tire of a designing passenger aircraft, aircraft tire blowout experiments were carried out to test air jet pressure field. The frames with aerofoil cross section were adopted to support the pressure sensor. Through the experiment，air flow pressure could be effectively obtained using the frame with airfoil cross section. The results got the identification of China civil aviation administration. During the blast procedure, it instantly released enormous energy, and might cause damage catastrophically to the surrounding structures, so the influence of the tire blast must be considered in the aircraft design.

KEY WORDS:Tire blast； Air flow； Airfoil cross section frame