民用飛機管路系統(tǒng)適墜性仿真分析研究

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。可為后續(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)。

【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(zāi)是造成死亡的兩大因素。且有研究表明，78.5%的火災(zāi)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(zāi)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力與抗拉強度的比較以及塑性應(yīng)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]