葛銳　朱德軒　卞剛

【摘 要】本文介紹了民用飛機管路系統(tǒng)適墜性研究的重要意義，并利用ABAQUS有限元分析軟件中顯式非線性動態(tài)分析（ABAQUS / Explicit），對管路系統(tǒng)適墜性要求進行了模擬仿真分析研究。識別了管路特征、沖擊錘特征、沖擊高度、充壓情況、卡箍個數(shù)及卡箍間距、導管長度、卡箍等因素對燃油管路系統(tǒng)沖擊試驗中導管破壞的影響?？蔀楹罄m(xù)模擬件和裝機試驗件的試驗研究提供參考，為國內(nèi)民用飛機燃油系統(tǒng)適墜性研究提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】民用飛機；管路系統(tǒng)；適墜性；仿真分析

0 引言

隨著航空技術(shù)的日益發(fā)展，民用飛機安全性也不斷提高。2015年，國際航空運輸協(xié)會（IATA）分析報告顯示，近年來民航客機發(fā)生事故造成乘客死亡的概率大約穩(wěn)定在五百萬分之一[1]。即使如此，當發(fā)生航空事故時，仍然會造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。而在民用航空事故中，沖擊和火災是造成死亡的兩大因素。且有研究表明，78.5%的火災是由于燃油箱或燃油管路泄漏導致的[2]。故從系統(tǒng)設(shè)計角度，提高燃油系統(tǒng)適墜性，避免/控制燃油泄漏是控制火災的第一道防線。相對于燃油箱，布置于機身內(nèi)的發(fā)動機和APU供油管路系統(tǒng)的適墜性要求更需引起重視[3]。

供油管路系統(tǒng)適墜性設(shè)計的主要目的是降低墜撞情況下機身燃油導管泄漏起火的可能性，進而保證緊急情況下乘客的安全，提高事故生還率。同時，機身燃油導管適墜性要求也作為適航要求列入民用飛機適航規(guī)章中（條款25.993f）[4-5]。

20世紀60年代以來，國際上對民機燃油系統(tǒng)的適墜性研究逐步重視起來，但是適航規(guī)章或國際上研究結(jié)果對管路系統(tǒng)適墜性沒有清晰的定量要求，尤其對于機身內(nèi)的雙層金屬供油導管[3-5]。目前各方仍在投入大量資源持續(xù)開展研究工作。在國內(nèi)，大型民用飛機燃油系統(tǒng)的適墜性研究更是處在探索階段。

本文介紹了利用ABAQUS有限元分析軟件中顯式非線性動態(tài)分析（ABAQUS / Explicit），對管路系統(tǒng)適墜性要求進行模擬仿真分析的研究結(jié)果。為后續(xù)模擬件和裝機試驗件的試驗研究提供參考，為國內(nèi)民用飛機燃油系統(tǒng)適墜性研究提供參考依據(jù)。

1 管路系統(tǒng)組成

管路系統(tǒng)一般由導管（單層或雙層）、軟管、連接件、支撐件、隔離器等組成。管路連接件有柔性接頭、無擴口接頭、過框接頭等；支撐件主要有P 型卡箍、鞍型卡箍、支架一體化卡箍等；為防止大電流進入燃油箱，有時管路中還需要增加隔離器。

2 仿真分析方法及思路

本文研究目標是對如圖1所示的雙層金屬燃油管路落錘沖擊過程進行數(shù)值模擬，研究管路材料、管路尺寸、沖擊錘質(zhì)量、沖擊錘切口尺寸、沖擊錘切口倒角、沖擊錘材料、沖擊高度、充壓情況、卡箍個數(shù)及卡箍間距、導管長度、卡箍強弱、卡箍管路接觸摩擦力、支架強弱、螺栓強弱、管路類型等因素對燃油管路系統(tǒng)沖擊試驗中導管破壞的影響。

本文采用ABAQUS有限元軟件中顯式非線性動態(tài)分析（ABAQUS/Explicit）進行模擬，該方法已被確認在顯式動態(tài)分析中有著可靠的計算結(jié)果，為廣泛應用的有限元顯式動態(tài)分析算法，適用于高速動力學事件（碰撞和爆炸等）、復雜的接觸問題、高度非線性的準靜態(tài)問題（如薄板成型等）、材料的退化和失效（如金屬延性失效）等問題。

本文基于上述算法，通過建立落錘沖擊燃油管路的有限元數(shù)值仿真模型，并不斷改變相關(guān)影響因素研究該因素對燃油導管沖擊試驗中導管破壞的影響趨勢。

3 有限元模型的建立

典型的數(shù)值模型如圖2所示，其中管路材料為不銹鋼321、沖擊錘重量為34.47kg、沖擊錘切口尺寸3.175mm且倒圓角0.5mm、沖擊錘材料為鋁合金7075、沖擊高度為11.2776m、內(nèi)管充壓60psi且外管不充壓、卡箍間距為0.6m、導管長度 1m、支架材料為Al2024，落錘切口部分材料為鋼材料（300M）或鋁合金材料，落錘上部采用密度較大的鎢鋼（14.7g/cm3）作為配重。

損傷破壞判斷：通過Mises應力與屈服強度的比較來判斷是否發(fā)生屈服損傷；通過最大主應力與抗拉強度的比較以及塑性應變的最大值與伸長率的比較來綜合判斷管道是否發(fā)生破壞，即只要兩個因素中有一個達到破壞即認為管道發(fā)生破壞。

單元類型：內(nèi)、外管采用殼單元S4R、其它各部件均采用實體單元C3D8R。

邊界條件及力加載：內(nèi)、外管兩端以及支架固支約束；內(nèi)管壓力施加均布壓強60psi；卡箍施加均布壓強2Mpa；落錘賦予重力屬性同時施加初始速度、橡膠與金屬表面的摩擦系數(shù)為0.8、其他部件之間接觸面的摩擦系數(shù)為0.3。

4 仿真分析結(jié)果

落錘沖擊時屈服破壞區(qū)域的云圖實例如圖3所示。根據(jù)各潛在影響因素對燃油導管沖擊試驗中導管破壞的仿真分析結(jié)果，并結(jié)合權(quán)重分析得到：試驗臺架因素（落錘高度、沖擊錘重量）和管路因素（管路長度）對試驗中導管破壞起主導作用；試驗臺架因素（沖擊錘切口尺寸）和管路因素（管路材料、管路尺寸）對試驗中導管破壞起次要作用；試驗臺架因素（沖擊錘切口倒角、沖擊錘材料）和管路因素（卡箍強弱、支架強弱、卡箍個數(shù)、卡箍間距等其他因素）僅起到很小作用。具體影響因素權(quán)重分析如圖4所示。

5 結(jié)論

本文利用ABAQUS有限元分析軟件中顯式非線性動態(tài)分析（ABAQUS/Explicit），對管路系統(tǒng)適墜性要求進行了模擬仿真分析研究，識別了管路材料、管路尺寸、沖擊錘質(zhì)量、沖擊錘切口尺寸、沖擊錘切口倒角、沖擊錘材料、沖擊高度、充壓情況、卡箍個數(shù)及卡箍間距、導管長度、卡箍強弱、卡箍管路接觸摩擦力、支架強弱、螺栓強弱、管路類型等因素對燃油管路系統(tǒng)沖擊試驗中導管破壞的影響權(quán)重?？蔀楹罄m(xù)模擬件和裝機試驗件的試驗研究提供參考，為國內(nèi)民用飛機燃油系統(tǒng)適墜性研究提供參考依據(jù)。

【參考文獻】

[1]Safety Report 2014 [R]. Montreal， Quebec，2015.

[2]Lucha， G.M.， M.A. Robertson， and F.A. Schooley. An Analysis of Aircraft Accidents Involving Fires [R].Moffett Field，California， Ames Research Center， May 1975.

[3]朱德軒，葛銳，等.民用飛機機身燃油管路適墜性適航要求和驗證方法研究[J].民用飛機設(shè)計與研究，2016.04.014.

[4]朱德軒，游勝龍，等.民用客機燃油系統(tǒng)適墜性問題研究[J].科技信息，2011.11.

[5]朱德軒，葛銳，等.民用客機燃油系統(tǒng)的適墜性試驗研究進展回顧[J].裝備制造技術(shù)，2015.7.

[責任編輯：朱麗娜]