孔令勇，陸佳南，吳志斌

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

雖然航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和APU 制造商努力降低轉(zhuǎn)子非包容性損壞的概率，但服役經(jīng)驗(yàn)表明非包容性壓氣機(jī)和渦輪轉(zhuǎn)子的破壞仍然存在[1-2]。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)故障導(dǎo)致高速運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子碎片穿透附近的結(jié)構(gòu)、油箱口蓋、機(jī)翼下壁板、機(jī)身、系統(tǒng)設(shè)備、管路、EWIS線(xiàn)纜和其他安裝在飛機(jī)上的動(dòng)力裝置[3-9]。關(guān)于A(yíng)PU，盡管到目前發(fā)生的轉(zhuǎn)子非包容性故障僅對(duì)飛機(jī)造成輕微的影響，但轉(zhuǎn)子破壞所產(chǎn)生的碎片仍需引起關(guān)注[10]。既然轉(zhuǎn)子的非包容性失效不可能完全消除，CCAR25 部要求對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)必須采取預(yù)防措施，最大程度降低此類(lèi)事件帶來(lái)的傷害[1]。因此，民用飛機(jī)油箱口蓋設(shè)計(jì)必須考慮低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊影響。

CCAR25.963-e-1 條款要求，運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)油箱口蓋必須能承受住低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片、輪胎碎片或其他可能的碎片的沖擊以防止燃油的流失量達(dá)到危險(xiǎn)程度。適航規(guī)章對(duì)油箱口蓋抗外來(lái)物碎片沖擊僅規(guī)定了一個(gè)原則性的要求，即沖擊后防止燃油的流失量達(dá)到的危險(xiǎn)程度，而對(duì)碎片的形狀尺寸、質(zhì)量、撞擊速度和撞擊角度均沒(méi)有說(shuō)明。這是影響民用飛機(jī)抗碎片沖擊適航取證的一個(gè)技術(shù)難題，亟需解決。

本文對(duì)油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片進(jìn)行了研究，而輪胎碎片及其他可能的碎片的沖擊另單獨(dú)研究。首先研究了碎片沖擊的規(guī)章、咨詢(xún)通告、相似飛機(jī)設(shè)計(jì)資料、論文以及國(guó)內(nèi)外技術(shù)專(zhuān)家交流報(bào)告，制定了碎片符合性驗(yàn)證思路、碎片模型及碎片影響范圍；隨后開(kāi)展了碎片沖擊仿真初步分析和試驗(yàn)對(duì)比研究，提出了油箱口蓋雙層防護(hù)的抗碎片沖擊設(shè)計(jì)思想，以及各層的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，供相似飛機(jī)設(shè)計(jì)參考使用。

1 條款研究

本文對(duì)CCAR25、FAR25、CS25 及相關(guān)的咨詢(xún)通告[11-15]進(jìn)行了研究，找到相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，給出了差異對(duì)比分析，同時(shí)給出了油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊的適航符合性驗(yàn)證思路。

1.1 CCAR25 部

CCAR25 部對(duì)油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊的要求條款為25.963-e-1，涉及的相關(guān)內(nèi)容摘取如下：“油箱口蓋必須滿(mǎn)足下述準(zhǔn)則，以防止燃油的流失量達(dá)到危險(xiǎn)程度”，“位于經(jīng)驗(yàn)或分析表明很可能遭受撞擊的區(qū)域內(nèi)的所有口蓋，必須通過(guò)分析或試驗(yàn)表明，其遭受輪胎碎片、低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片或其它可能的碎片打穿或造成變形的程度已降至最低”。

該條款對(duì)油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊僅給出了一個(gè)原則性要求，即油箱口蓋遭受低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊后需防止燃油的流失量達(dá)到危險(xiǎn)程度。關(guān)于低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片的質(zhì)量、速度、幾何形狀、材料、沖擊角度、沖擊姿態(tài)、影響口蓋范圍及結(jié)構(gòu)合格判據(jù)的量化指標(biāo)均沒(méi)有給出，這給具體型號(hào)飛機(jī)的適航取證工作帶來(lái)困難。

1.2 FAR25 部

FAR25 對(duì)油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊的要求與CCAR25 部?jī)?nèi)容是一致的，但是它以咨詢(xún)通告AC25.963-1、AC20-128A 對(duì)條款內(nèi)容進(jìn)行了解釋[11-12]。咨詢(xún)通告中規(guī)定了低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片的影響范圍：口蓋位于發(fā)動(dòng)機(jī)或風(fēng)扇前15°范圍內(nèi)，從旋轉(zhuǎn)中心測(cè)量。測(cè)量旋轉(zhuǎn)中心時(shí)，從最后面渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的15°范圍內(nèi)，如圖1 所示。

圖1 FAR 相關(guān)文件規(guī)定碎片拋射范圍Fig.1 Debris spreading area stipulated by FAR files

1.3 CS25 部

CS25-AMC25.963 中規(guī)定了碎片沖擊的影響范圍，如圖2 所示。碎片的類(lèi)型、尺寸、速度、撞擊角度等。同時(shí)給出了油箱口蓋量化的合格判據(jù)：燃油不允許連續(xù)流出（running leak）或滴漏（dripping leak）；允許滲漏，但15 min 內(nèi)滲漏打濕壁板外表面的尺度小于15.2 cm。

圖2 CS 相關(guān)文件規(guī)定碎片拋射范圍Fig.2 Debris spreading area stipulated by CS files

1.4 規(guī)章對(duì)比分析

CCAR25、FAR25 和CS25 部及對(duì)應(yīng)的咨詢(xún)通告對(duì)碎片沖擊的對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 CCAR25, FAR25 和CS25 條款對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of CCAR25, FAR25 and CS25

2 適航符合性驗(yàn)證流程

油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊適航符合性驗(yàn)證工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及沖擊動(dòng)力學(xué)專(zhuān)業(yè)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)、總體布置專(zhuān)業(yè)、四性專(zhuān)業(yè)和動(dòng)力裝置等多個(gè)專(zhuān)業(yè)，各專(zhuān)業(yè)之間相互影響，因此制定合適的適航驗(yàn)證思路是完成該項(xiàng)內(nèi)容的關(guān)鍵[16-18]。參考CCAR25、FAR25、CS25 及咨詢(xún)通告，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各級(jí)轉(zhuǎn)子特性和機(jī)翼油箱口蓋布置情況[19-20]，制定如下適航驗(yàn)證思路（流程見(jiàn)圖3）。

1）首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各級(jí)轉(zhuǎn)子布置情況，建立低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沿發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的站位模型；

2）根據(jù)低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片站位模型建立碎片±15°影響范圍的錐體模型；

3）將低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片±15°影響范圍錐體模型與機(jī)翼油箱口蓋結(jié)構(gòu)數(shù)模耦合，確定影響口蓋數(shù)量，此時(shí)碎片撞擊角度為90°；

4）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)碎片站位模型建立碎片-15°至-45°影響范圍的錐體模型；

5）將低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片-15°至-45°影響范圍錐體模型與機(jī)翼油箱口蓋模型耦合，確定影響口蓋數(shù)量，此時(shí)碎片撞擊角度為碎片初始位置與油箱口蓋的真實(shí)夾角；

6）參考CS25-AMC25.963 建立碎片等效模型，制定碎片沖擊邊界條件和油箱口蓋適航符合性合格判據(jù)；

7）針對(duì)不同范圍內(nèi)（±15°、-15°至-45°）的油箱口蓋開(kāi)展不同角度的碎片沖擊動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算；

8）根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果制定適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)矩陣，開(kāi)展適航驗(yàn)證試驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證沖擊動(dòng)力學(xué)分析方法；

圖3 碎片沖擊適航驗(yàn)證流程Fig.3 Airworthiness certification flow of debris impact

9）油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊適航符合性結(jié)論。

3 碎片沖擊分析與試驗(yàn)

3.1 碎片模型

參考文件 CS25-AMC25.963[15]和發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商提供的碎片資料，本文低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片模型采用邊長(zhǎng)為9.5 mm 的立方體模擬，材料選用高強(qiáng)度鋼。有限元建模時(shí)，相對(duì)于機(jī)體薄壁采用shell 單元模型，碎片模型需采用solid 單元模擬，如圖4 所示。

圖4 低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片有限元模型Fig.4 Finite element model for engine debris

3.2 口蓋有限元模型及計(jì)算分析

油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊仿真分析采用大型商用動(dòng)力學(xué)分析軟件PAM-CRASH 進(jìn)行。油箱口蓋通常為薄壁結(jié)構(gòu)，有限元建模時(shí)通常采用shell單元模擬，單元特征尺寸2～3 mm（單元尺寸一般需要試驗(yàn)驗(yàn)證），模型如圖5 所示。

油箱口蓋抗碎片沖擊仿真計(jì)算工況需考慮撞擊角度，各種典型位置，同一位置還需要考慮碎片的各種撞擊姿態(tài)（邊、面和角）。圖6 是一種邊撞擊的典型計(jì)算結(jié)果，油箱口蓋發(fā)生破損。

圖5 油箱口蓋有限元模型Fig.5 FE model for fuel tank cover

圖6 油箱口蓋碎片沖擊有限元計(jì)算結(jié)果Fig.6 FEM calculation result of fuel tank cover withstanding debris

3.3 油箱口蓋碎片沖擊試驗(yàn)

油箱口蓋抗發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊試驗(yàn)原理如圖7 所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由發(fā)生系統(tǒng)、激光測(cè)速系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、信號(hào)采集處理系統(tǒng)組成。碎片速度由氣罐壓力大小來(lái)控制，試驗(yàn)前需將碎片目標(biāo)速度與壓力大小進(jìn)行標(biāo)定。

圖7 碎片沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.7 Sketch of debris impact test system

油箱口蓋碎片沖擊試驗(yàn)矩陣規(guī)劃需要考慮油箱口蓋典型位置、碎片沖擊姿態(tài)（邊、面和角，見(jiàn)圖8）以及重復(fù)性（一般取3 次）三方面因素。圖9 為開(kāi)展的油箱口蓋的碎片沖擊試驗(yàn)7 個(gè)撞擊點(diǎn)說(shuō)明，圖10 為7 次試驗(yàn)的結(jié)果，表2 為7 次試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)情況。

圖8 碎片沖擊姿態(tài)示意Fig.8 Debris impact attitude: a) attitude surface;b) attitude side; c) attitude angle

圖9 低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊位置說(shuō)明Fig.9 Impact location for engine debris

圖10 低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片沖擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Engine debris impact test result

7 次試驗(yàn)中，IC1、IC5、IC6 和IC7 均為邊撞擊，結(jié)構(gòu)損傷相似，破損大小稍有差異，試驗(yàn)分散性相對(duì)較小。IC2、IC3 和IC4 均為角撞擊，結(jié)構(gòu)損傷有較大差異，IC2 損傷為明顯的孔洞破損，而IC3 和IC4 損傷為輕微的裂痕，試驗(yàn)分散性相對(duì)稍大。同時(shí)將不同的撞擊姿態(tài)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，邊撞擊比角撞擊略微嚴(yán)酷。

表2 油箱口蓋碎片沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Debris impact test result for fuel tank cover

3.4 仿真計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比

3.2 小節(jié)的仿真計(jì)算工況與3.3 小節(jié)的典型試驗(yàn)工況IC1、IC5、IC6 和IC7 是一致的，仿真和試驗(yàn)均表明口蓋外表面會(huì)產(chǎn)生破損，不能滿(mǎn)足25.963-e-1 的要求，仿真分析基本能預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，能夠指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。需要說(shuō)明的是仿真結(jié)果具有唯一性，試驗(yàn)結(jié)果具有分散性，仿真結(jié)果無(wú)法體現(xiàn)IC1、IC5、IC6 和IC7試驗(yàn)結(jié)果中結(jié)構(gòu)損傷的細(xì)微差別。仿真分析對(duì)適航符合性驗(yàn)證僅能提供支持，無(wú)法充分驗(yàn)證。充分的驗(yàn)證需通過(guò)重復(fù)性試驗(yàn)獲取。

3.5 設(shè)計(jì)更改及仿真計(jì)算

根據(jù)3.2 小節(jié)中的仿真結(jié)果和3.3 小節(jié)中的試驗(yàn)結(jié)果可知，該油箱口蓋遭受碎片沖擊時(shí)破損，不滿(mǎn)足CCAR25.963-e-1 規(guī)定的防止燃油流失量達(dá)到危險(xiǎn)程度的要求，需進(jìn)行更改完善。通過(guò)研究計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)口蓋表面產(chǎn)生不同程度的破損，而條款對(duì)口蓋提出了密封性要求，單純?cè)黾涌谏w厚度會(huì)帶來(lái)較大的質(zhì)量代價(jià)，因此想到了雙層設(shè)計(jì)的更改思路，即在原有口蓋的內(nèi)側(cè)增加一層鋁板。應(yīng)用第3.4 小節(jié)中與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比過(guò)的分析模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)更改仿真評(píng)估，計(jì)算結(jié)果如圖11 所示。由圖11 可知，口蓋外表面發(fā)生破損，內(nèi)側(cè)鋁板發(fā)生塑性變形，沒(méi)有單元?jiǎng)h除，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖11 油箱口蓋更改后碎片沖擊有限元計(jì)算結(jié)果Fig.11 FEM calculation result of fuel tank cover withstanding debris impact after redesign

4 結(jié)論

1）該仿真分析方法基本能預(yù)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，可指導(dǎo)油箱口蓋抗沖擊設(shè)計(jì)。

2）油箱口蓋通常為薄壁結(jié)構(gòu)，單層結(jié)構(gòu)通常很難滿(mǎn)足抗低能量碎片沖擊防燃油泄漏要求（如果滿(mǎn)足需要較高的質(zhì)量代價(jià)），建議采用雙層的設(shè)計(jì)思想。外層采用抗沖擊為主設(shè)計(jì)，內(nèi)層采用防燃油泄漏為主設(shè)計(jì)。

3）碎片沖擊試驗(yàn)結(jié)構(gòu)損傷具有一定的分散性，而仿真分析具有唯一性，仿真不能充分驗(yàn)證結(jié)構(gòu)適航符合性，建議采用試驗(yàn)為主、仿真分析支持的驗(yàn)證方法。

本文對(duì)油箱口蓋抗低能量發(fā)動(dòng)機(jī)碎片進(jìn)行了初步研究，后續(xù)可開(kāi)展以下研究：

1）由于碎片模型為立方體，其在飛行過(guò)程中由于無(wú)翼型且非回轉(zhuǎn)體，穩(wěn)定性較差，沖擊瞬間姿態(tài)（邊、面、角）不易控制，建議開(kāi)展姿態(tài)穩(wěn)定性研究；

2）油箱口蓋只是油箱的一小部分，從飛機(jī)整體安全性考慮，還需開(kāi)展油箱壁板的符合性驗(yàn)證工作。