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APU轉(zhuǎn)子爆破對防火墻影響的研究

0引言

輔助動力裝置 (Auxiliary Power Unit，以下簡稱APU)是安裝在飛機(jī)上的機(jī)載輔助發(fā)動機(jī)，用于產(chǎn)生并提供一種單一類型的動力或輔助電源、氣源或其他動力的組合。

在民用飛機(jī)設(shè)計中，APU及相關(guān)結(jié)構(gòu)需滿足CCAR 25[1]及AC20-128A[2]中的設(shè)計要求。盡管目前民用飛機(jī)的APU是按照TSO C77b[3]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計，滿足“轉(zhuǎn)子包容性”的要求。但是對于滿足“轉(zhuǎn)子包容性”要求的APU而言，仍會有一些小碎片在APU非包容性轉(zhuǎn)子爆破發(fā)生時飛出APU機(jī)匣，并對飛機(jī)安全造成影響。由于非包容性轉(zhuǎn)子損壞起因的多樣性，難以預(yù)料所有可能的失效原因并為影響區(qū)域提供保護(hù)。

1APU轉(zhuǎn)子小碎片拋射模型

在民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，APU通常布置于飛機(jī)后機(jī)身的非氣密艙，后機(jī)身的非氣密艙內(nèi)大部分為非重要的結(jié)構(gòu)件和系統(tǒng)件，所以僅需考慮轉(zhuǎn)子爆破時小碎片對重要的結(jié)構(gòu)件或系統(tǒng)件的影響。某型飛機(jī)的APU及APU防火墻構(gòu)型如圖1所示，APU防火墻將APU覆蓋住使之與飛機(jī)的其它部分隔離，達(dá)到防火、隔熱的效果。圖2為APU的剖面示意圖，沿著軸線分別為負(fù)載壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、動力段壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、一級渦輪轉(zhuǎn)子及二級渦輪轉(zhuǎn)子四個部分。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]、[5]中提供的小碎片飛散角，通過CATIA軟件，分別以負(fù)載壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、動力段壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、一級渦輪轉(zhuǎn)子及二級渦輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動中心為起點，以各自轉(zhuǎn)動平面為基準(zhǔn)，分別向前后±15°展開，形成四個扇形面。將扇形面沿APU轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)360°，形成的一個兩端封閉，徑向不封閉的模型，稱之為APU轉(zhuǎn)子小碎片拋射模型，如圖3所示。

圖1　APU及防火墻

圖2　APU剖面示意圖

圖3　APU轉(zhuǎn)子小碎片拋射模型

將APU轉(zhuǎn)子小碎片拋射模型與飛機(jī)尾段數(shù)模相結(jié)合，檢查飛機(jī)數(shù)模中哪些重要的結(jié)構(gòu)件或系統(tǒng)件處于小碎片拋射模型的范圍內(nèi)。如圖4所示，周向防火墻上方的液壓1號和液壓2號管路處于APU轉(zhuǎn)子小碎片拋射模型的范圍內(nèi)。并不是所有小碎片都會擊中液壓管路，而是與液壓管路相交范圍內(nèi)的小碎片才可能擊中液壓管路，根據(jù)APU轉(zhuǎn)子小碎片拋射模型與液壓管路的相交確立周向防火墻上碰撞區(qū)，當(dāng)APU轉(zhuǎn)子發(fā)生時，小碎片可能擊穿圖5中的周向防火墻碰撞區(qū)，然后擊中液壓管路，影響飛機(jī)安全。下節(jié)將通過數(shù)值計算APU轉(zhuǎn)子小碎片是否會擊穿周向防火墻碰撞區(qū)。

圖4　小碎片拋射模型與液壓管路相交

圖5　周向防火墻碰撞區(qū)

2小碎片對周向防火墻的沖擊

本文通過有限元前處理軟件HyperMesh進(jìn)行建模，通過LS-DYNA軟件進(jìn)行求解，模擬小碎片對周向防火墻的沖擊，從而分析小碎片是否會擊中液壓管路。周向防火墻的初始厚度為1.016mm；轉(zhuǎn)子小碎片的尺寸及速度由APU供應(yīng)商提供，具體數(shù)據(jù)如下：

長=1.7in=1.7×25.4mm=43.18mm

寬=1.0in=1.0×25.4mm=25.4mm

高=0.06in=0.06×25.4mm=1.524mm

速度=1 100fps=1 100×0.304 8m/s=335.28m/s

在有限元建模中，防火墻、小碎片全部采用殼單元，有限元網(wǎng)格模型如圖6所示。

為了提高求解效率，前、后防火墻采用粗網(wǎng)格，周向防火墻只針對碰撞區(qū)進(jìn)行局部加密；對前防火墻、后防火墻以及周向防火墻的底部進(jìn)行固支；小碎片與周向防火墻之間接觸類型為Nodes-to-Surface；防火墻、APU轉(zhuǎn)子小碎片的材料均為Ti-6Al-4V鈦合金板。表1為該材料的具體參數(shù)。

表1　材料性能參數(shù)

圖6　有限元網(wǎng)格劃分

通過LS-DYNA軟件計算得到的結(jié)果可以看出，小碎片以速度335.28m/s與周向防火墻相撞后，周向防火墻被擊穿，圖7為防火墻碰撞區(qū)被小碎片擊穿時的應(yīng)力云圖。圖8為總能量變化曲線，通過曲線可知當(dāng)小碎片擊中周向防火墻后，小碎片的動能逐漸轉(zhuǎn)化為周向防火墻及小碎片的內(nèi)能。圖9為小碎片的速度歷程曲線，當(dāng)小碎片擊中周向防火墻后速度迅速降低，直至周向防火墻被擊穿，小碎片仍然保持一定的速度繼續(xù)前進(jìn)。

綜上所述，小碎片擊穿周向防火墻后，仍然保持一定的速度前進(jìn)，并且可能擊中液壓管路，對飛機(jī)安全產(chǎn)生影響，這是不符合AC20-128A中的安全要求的。

圖7　周向防火墻被擊穿時的應(yīng)力云圖

圖8　能量曲線

圖9　小碎片速度曲線

3小碎片對加強(qiáng)板的沖擊

通過LS-DYNA的數(shù)值計算結(jié)果已經(jīng)表明，1.016mm的周向防火墻碰撞區(qū)被小碎片擊穿。為了保護(hù)液壓管路不被小碎片擊中，必須保證周向防火墻碰撞區(qū)不被小碎片擊穿，因此需對周向防火墻進(jìn)行加強(qiáng)。考慮到重量是民機(jī)極為重要的一個參數(shù)，所以必須設(shè)計合適的加強(qiáng)板，使得周向防火墻既不被擊穿，而增加的重量又最小。

分別設(shè)計0.813mm、1.016mm、1.6mm三種不同厚度的加強(qiáng)板對周向防火墻進(jìn)行加強(qiáng)，加強(qiáng)板的大小與周向防火墻碰撞區(qū)的大小相同，加強(qiáng)板安裝在周向防火墻碰撞區(qū)內(nèi)側(cè)，加強(qiáng)板的材料同樣為Ti-6Al-4V，材料性能如表1所示。加強(qiáng)板與壁板的接觸類型為Surface-to-Surface類型，小碎片與加強(qiáng)板的接觸類型為Nodes-to-Surface類型。

通過LS-DYNA的數(shù)值計算結(jié)果顯示，當(dāng)加強(qiáng)板厚度為0.813mm時，周向防火墻碰撞區(qū)被擊穿；當(dāng)防護(hù)板的厚度為1.016mm和1.2mm時，周向防火墻碰撞區(qū)沒有被擊穿，三種加強(qiáng)板的計算結(jié)果見表2。

表2　加強(qiáng)板計算結(jié)果

當(dāng)加強(qiáng)板厚度為1.016mm時，小碎片與周向防火墻碰撞區(qū)發(fā)生碰撞后的最大應(yīng)力云圖如圖10所示，此時周向防火墻碰撞區(qū)的最大應(yīng)力為698MPa，沒有超過鈦合金的最大破壞應(yīng)力，所以周向防火墻碰撞區(qū)沒有被小碎片擊穿。

小碎片的速度曲線如圖

11所示，小碎片擊中加強(qiáng)板后速度逐漸降低，速度降為零之后變?yōu)樨?fù)值，說明小碎片被加強(qiáng)板反彈回去。

圖10　加強(qiáng)板1.016mm時的應(yīng)力云圖

圖11　小碎片速度曲線

表2中三種厚度加強(qiáng)板的數(shù)值計算結(jié)果顯示，當(dāng)加強(qiáng)板厚度為1.016mm和1.2mm時，小碎片不能擊穿周向防火墻碰撞區(qū)，保證了飛機(jī)的安全；從民用飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性方面考慮，1.016mm的加強(qiáng)板重量比1.2mm的加強(qiáng)板重量輕，所以1.016mm的加強(qiáng)板方案即安全又經(jīng)濟(jì)。

4結(jié)論

(1)在民用飛機(jī)設(shè)計時，必須考慮APU轉(zhuǎn)子爆破的影響，應(yīng)盡量避免將重要結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)備布置在APU轉(zhuǎn)子爆破的影響范圍內(nèi)。

(2)當(dāng)無法避開APU轉(zhuǎn)子爆破的影響范圍時，可選擇合適的加強(qiáng)板方案，并通過數(shù)值計算模擬小碎片對防火墻的沖擊，校核防火墻的最大應(yīng)力是否小于材料的破壞應(yīng)力。最終使得APU防火墻滿足CCAR 25中25.903及AC20-128A中轉(zhuǎn)子爆破的相關(guān)要求。

參考文獻(xiàn)：

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Study on the Effect of APU Rotor Bursting on the Firewall

何周理何林鋒李萍 /

He ZhouliHe LinfengLi Ping

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

摘要：

APU是安裝在民用飛機(jī)上的輔助動力裝置，是飛機(jī)上重要的部件，因此必須考慮APU轉(zhuǎn)子爆破時小碎片對飛機(jī)安全的影響。通過有限元軟件LS-DYNA，分別模擬了APU轉(zhuǎn)子爆破時小碎片對APU防火墻以及3種不同厚度加強(qiáng)板的沖擊計算。根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，選擇合適的加強(qiáng)板方案，既能防止防火墻碰撞區(qū)被小碎片擊穿，同時付出的重量代價又較小。通過對APU防火墻增加加強(qiáng)板，確保APU轉(zhuǎn)子爆破時飛機(jī)的安全性，滿足AC20-128A的設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：APU;轉(zhuǎn)子爆破;小碎片;防火墻;沖擊

[Abstract]Auxiliary power unit is an important part which is installed on the civil aircraft. It is necessary to consider the security of aircraft while APU rotor bursts. This paper simulates the impact of small fragment onto the APU-firewall, and calculates three different thickness of reinforce-plate with finite element software. According to the result of numerical calculation, an appropriate reinforce-plate thickness was chosen, which can prevent the small fragment, while the aircraft weight need increase small. By reinforcing the impact zone of APU-firewall，the security of the aircraft is ensured while APU rotor bursts, and the design requirements for AC20-128A is met.

[Key words]APU; rotor burst; small fragments; firewall; impact

中圖分類號：V228.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A