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(xiǎn)情況下對機(jī)翼油箱及相關(guān)系統(tǒng)安全和客艙的保護(hù)成為民用飛機(jī)設(shè)計(jì)的主要關(guān)注和研究領(lǐng)域。同時(shí)，以波音公司和空客公司為主要大型商用飛機(jī)制造商競爭格局的形成，動(dòng)力裝置翼吊布局成為在役飛機(jī)最主要的動(dòng)力裝置布置形式，在這種條件下，應(yīng)急情況動(dòng)力裝置、吊掛、機(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)和客艙安全及飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性成為擺在每一個(gè)飛機(jī)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(dòng)機(jī)；短艙外部壓力；臨界載荷；發(fā)動(dòng)機(jī)推力

0 引言

波音和空客系列飛機(jī)自737型號以來，就形成了完整的動(dòng)力裝置吊掛應(yīng)急斷離設(shè)計(jì)體系和分析驗(yàn)證方法。經(jīng)歷波音系列747、757、777、787等型號的不斷驗(yàn)證和完善，波音公司完成了動(dòng)力裝置應(yīng)急斷離設(shè)計(jì)載荷設(shè)計(jì)和計(jì)算、保險(xiǎn)銷設(shè)計(jì)和分析、吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、保險(xiǎn)銷試驗(yàn)驗(yàn)證、動(dòng)力裝置吊掛拋離軌跡設(shè)計(jì)和分析等一系列關(guān)鍵技術(shù)的研究和方法驗(yàn)證。波音系列飛機(jī)的機(jī)翼結(jié)構(gòu)、動(dòng)力裝置吊掛應(yīng)急斷離設(shè)計(jì)和驗(yàn)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(jī)在歷史的多次空難中，動(dòng)力裝置吊掛應(yīng)急斷離設(shè)計(jì)成功的避免了油箱結(jié)構(gòu)的損壞和動(dòng)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(jī)在應(yīng)急著陸等危險(xiǎn)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(jī)載荷設(shè)計(jì)要求

本文對動(dòng)力裝置吊掛應(yīng)急斷離的設(shè)計(jì)的基本思路進(jìn)行了討論。基于上述設(shè)計(jì)思路，翼吊飛機(jī)動(dòng)力裝置吊掛應(yīng)急斷離設(shè)計(jì)按照如下載荷考慮是比較經(jīng)濟(jì)、可靠、安全的方式[1]：

機(jī)翼結(jié)構(gòu)（尤其是吊掛和機(jī)翼連接的臨近部位），包含機(jī)翼接頭、機(jī)翼接頭和壁板連接件、臨近動(dòng)力裝置站位的機(jī)翼盒段油箱結(jié)構(gòu)。除其需要考慮的飛行載荷、動(dòng)載荷、氣動(dòng)載荷等主要載荷外，還需要考慮動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)載荷、吊掛設(shè)計(jì)載荷、保險(xiǎn)銷設(shè)計(jì)載荷工況傳遞到機(jī)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(jī)翼油箱結(jié)構(gòu)的載荷；

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

飛機(jī)飛行載荷、動(dòng)載荷和地面載荷是指按照CCAR25 部計(jì)算的載荷，包括：動(dòng)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(dòng)態(tài)著陸載荷、動(dòng)態(tài)滑行載荷、飛行載荷（包括飛行機(jī)動(dòng)載荷和動(dòng)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(dòng)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(dòng)力裝置公司通過動(dòng)響應(yīng)分析得到，計(jì)算所用的有限元模型由動(dòng)力裝置公司、短艙公司和飛機(jī)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(jì)算提出要求，具體載荷計(jì)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(jì)的極限載荷基礎(chǔ)上，考慮保險(xiǎn)銷熱處理、制造和裝配誤差。因此，保險(xiǎn)銷的設(shè)計(jì)值為吊掛設(shè)計(jì)載荷的（1+β）倍。保險(xiǎn)銷承載能力的波動(dòng)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(xiǎn)銷熱處理、機(jī)加、尺寸精度等誤差引起的保險(xiǎn)銷剪切強(qiáng)度波動(dòng)范圍。

為保護(hù)機(jī)翼油箱相關(guān)結(jié)構(gòu)，確保在所有載荷情況下，機(jī)翼油箱相關(guān)結(jié)構(gòu)的安全。機(jī)翼結(jié)構(gòu)（含機(jī)翼接頭及所有外翼）需在保險(xiǎn)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(jì)中，其著陸情況決定了載荷主要方向?yàn)橄蛏匣蛳蚝骩2]。為了確保保險(xiǎn)銷結(jié)構(gòu)能夠早于機(jī)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(xiǎn)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(xiǎn)銷的破壞。此外，保險(xiǎn)銷的設(shè)計(jì)理念決定，其設(shè)計(jì)為尺寸設(shè)計(jì)，而非強(qiáng)度設(shè)計(jì)，既要求在要求的載荷保險(xiǎn)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(shí)，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(jì)，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(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)的有限元?jiǎng)討B(tài)撞擊分析模型。關(guān)于撞擊速度，考慮接地時(shí)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(jī)翼簡化為一個(gè)彈性結(jié)構(gòu)；動(dòng)力裝置簡化為一個(gè)剛體；忽略動(dòng)力裝置整流罩的影響，將動(dòng)力裝置簡化為前風(fēng)扇機(jī)匣、后核心機(jī)匣兩部分；地面尺寸遠(yuǎn)大于動(dòng)力裝置尺寸。

對模型進(jìn)行連接處理，將同一構(gòu)件之間無法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)融合的部分，運(yùn)用彈簧元進(jìn)行連接。其次進(jìn)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(dòng)力裝置與地面處等部位運(yùn)用34 號non-symetric node-to-segment with edge treatment 接觸進(jìn)行處理。

對有限元模型中各個(gè)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(dòng)態(tài)力學(xué)特性與準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)特性不同。其原因?yàn)椋菏紫?，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(shí)為其特征，介質(zhì)的各個(gè)微元體處于隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過程中，必須計(jì)及介質(zhì)微元的慣性。第二，從材料變形機(jī)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(yùn)動(dòng)和斷裂都是以有限速度發(fā)展（如錯(cuò)位的運(yùn)動(dòng)過程、應(yīng)力引起的擴(kuò)散過程、裂紋擴(kuò)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(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，利用分離式Hopkinson 桿試驗(yàn)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(dá)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(shí)驗(yàn)曲線擬合得到。

假設(shè)在飛機(jī)應(yīng)急著陸的過程中動(dòng)力裝置對飛機(jī)不再產(chǎn)生動(dòng)力，飛機(jī)以勻速碰撞地面，在試算的過程中忽略重力對整個(gè)模型的影響。在Loads 下的Initial Velocity 中賦予飛機(jī)機(jī)翼、吊掛和動(dòng)力裝置整體相對于地面一個(gè)應(yīng)急著陸初始速度，初步賦予機(jī)翼、吊掛和動(dòng)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(dòng)力裝置和機(jī)翼選擇全部實(shí)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(gè)部件的質(zhì)心。對于終止時(shí)間的設(shè)定，以滿足吊掛可以正常分離即可。通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，吊掛正常分離所需的時(shí)間小于0.1s，故選擇仿真計(jì)算的時(shí)間為0.1s。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)論述了翼吊民用飛機(jī)吊掛應(yīng)急斷離設(shè)計(jì)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(xiǎn)的設(shè)計(jì)方法和分析方法、保險(xiǎn)銷熱處理工藝的路徑和方法，并給出了結(jié)論。同時(shí)，還論述了動(dòng)力裝置應(yīng)急斷離設(shè)計(jì)的驗(yàn)證試驗(yàn)及驗(yàn)證方。比較全面的給出了動(dòng)力裝置應(yīng)急斷離設(shè)計(jì)的全貌。

【參考文獻(xiàn)】

[1]牛春勻.使用飛機(jī)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(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].

[責(zé)任編輯：曹明明]