直升機燃油箱抗墜毀易斷螺栓設(shè)計與分析

張馳

摘 要：介紹了直升機燃油箱抗墜毀易斷螺栓的工作條件，利用有限元分析軟件對易斷螺栓進行了仿真分析，驗證了易斷螺栓在直升機在正常使用時，不會產(chǎn)生永久變形或破壞;在直升機發(fā)生墜毀時，易斷螺栓發(fā)生斷裂，不會撕裂燃油箱，并通過試驗驗證了仿真結(jié)果，易斷螺栓的設(shè)計滿足抗墜毀要求。

關(guān)鍵詞：直升機;燃油系統(tǒng);抗墜毀;易斷螺栓

中圖分類號：TB ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.23.101

1 引言

直升機抗墜毀能力是指在發(fā)生意外墜毀事故時，機體及其內(nèi)部系統(tǒng)防止空勤人員受到傷害的能力。燃油系統(tǒng)中因存儲大量航空煤油，存在泄漏引起火災(zāi)甚至爆炸的風險。因此，提高燃油系統(tǒng)的抗墜毀能力，是提升直升機抗墜毀生存率的重要保證。其中，用于貯存燃油的燃油箱，需具備相應(yīng)的抗墜毀能力，需對燃油箱的固定進行適墜性設(shè)計。

2 易斷螺栓結(jié)構(gòu)及工作條件

根據(jù)CCAR-29-R1運輸類旋翼航空器適航規(guī)定要求，將直升機的燃油箱安裝在燃油箱艙內(nèi)，裝入80%容量的水，從15.2m高度自由下落并以水平位置±10°碰撞在不變形的地面后，應(yīng)無燃油泄漏。為滿足以上條件，需采用抗墜毀燃油箱，并對燃油箱的固定及其成附件的安裝進行適墜性設(shè)計。

其中，為防止燃油箱在墜毀觸地的過程中，強度較高的油箱艙平臺結(jié)構(gòu)撕裂橡膠燃油箱，可采用易斷螺栓進行連接。易斷螺栓的安裝如圖1所示。易斷螺栓的設(shè)計一方面要保證在正常使用的載荷下易斷螺栓不被破壞，提供燃油箱和結(jié)構(gòu)的固定安裝的功能;另一方面在發(fā)生墜撞的情況下易斷螺栓出現(xiàn)預(yù)期的斷開，確保被連接燃油箱不被撕裂或破壞。因此，需要在易斷螺上設(shè)置薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 易斷螺栓的仿真分析

根據(jù)CCAR-29-R1要求，易碎的或易變形的連接件的極限強度必須滿足下列要求：

（1）將易碎連接件從其支撐結(jié)構(gòu)上分開或使局部易變形連接件相對于其支撐結(jié)構(gòu)變形所需要的載荷，必須為被連接系統(tǒng)中最弱的部件的最小極限載荷（強度）的25%-50%之間，任何情況下該載荷不得小于136kg（1334N）。

（2）易碎的或局部易變形的連接件必須在最可能發(fā)生的方式下施加極限載荷時分開或局部變形。

（3）在最可能發(fā)生的方式下施加極限載荷時，易碎的或局部易變形的連接件必須能夠分開或局部變形。

（4）所有易碎的或局部易變形的連接件必須符合疲勞評定的要求。

根據(jù)以上要求，對易斷螺栓進行設(shè)計，并進行有限元仿真。

3.1 易斷螺栓的有限元模型

對易斷螺栓三維數(shù)模（見圖3）進行適當簡化，建立有限元網(wǎng)格模型。對易斷螺栓的網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格劃分，薄弱區(qū)域作為失效可能性大的部位采用較高的網(wǎng)格密度，共生成15428個單元。易斷螺栓材料選用304L不銹鋼，材料模型選用LS-DYNA中的MAT_MODIFIED_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY。304L不銹鋼的材料屬性見表1。

3.2 LS-DYNA仿真結(jié)果

模擬易斷螺栓的實際工作情況，將螺栓的頂部固定，在底部沿Z軸對易斷螺栓施加最大值為10mm的線性位移， 如圖4所示。由仿真結(jié)果可知，易斷螺栓失效斷開的拉力為5911N，屈服極限值為3000N，仿真結(jié)果見圖5。

3.3 仿真結(jié)果分析

直升機在飛行時對易斷螺栓施加的載荷為38N，硬著陸時為48N，都小于易斷螺栓的屈服極限3000N，表明直升機在正常使用時，不會產(chǎn)生永久變形或破壞。

橡膠油箱壁的連接部位的長度為65.8cm，如圖1中虛線位置所示。該部位油箱壁的撕裂強度為8100N/5cm，因此引起該部位油箱發(fā)生泄漏的撕裂拉力F=65.8×8100/5=106596N。根據(jù)CCAR-29-R1要求，由可生存撞擊引起的載荷不得大于極限載荷的25%～50%，該部位采用2個易斷螺栓進行連接，所以單個易斷螺栓的斷開載荷FU不得大于25%×106596÷2～25%×106596÷2之間，即FU ≤13324.5N～26649N。仿真分析結(jié)果表明易斷螺栓的拉斷載荷為5911N，滿足要求。在直升機發(fā)生墜毀時，易斷螺栓會發(fā)生斷裂，不會撕裂燃油箱，詳見表2。

4 易斷螺栓拉脫試驗

在實驗室中將易斷螺栓安裝在專用夾具上，一端與夾具內(nèi)螺紋連接，另一段與拉伸機連接，以100mm/min速度勻速加載，直至試驗件破壞，其中一件易斷螺栓試驗載荷位移見圖6。

5 結(jié)論

通過對易斷螺栓的仿真分析，得出了易斷螺栓斷開的拉力為5911N，符合使用及抗墜毀要求，實驗室試驗驗證了易斷螺栓的設(shè)計及仿真分析結(jié)果。為燃油系統(tǒng)抗墜毀零部件的設(shè)計提供了參考。

參考文獻

[1]楊嘉陵，吳衛(wèi)華.武裝直升機抗墜毀設(shè)計研究[J].航空發(fā)動機，2001，（37）：5.

[2]中國民用航空總局.CCAR-29-R1.運輸類旋翼航空器適航規(guī)定 [S].2002.