基于三維軟件輔助的輪胎爆破特定風險評估方法研究

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基于三維軟件輔助的輪胎爆破特定風險評估方法研究

Research for Assessment Method of Wheel and Tyre Failure Particular Risk Based on the 3D Model Building Software

呂軍 / Lü Jun

(上海飛機設計研究院，上海200232)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 200232，China)

0引言

民用航空規章FAR/CCAR 25 .729(f)條和SAE ARP 4761 提出，民用飛機在設計時，需評估輪胎爆破特定風險所產生的高壓/碎片對關鍵系統及結構的安全性影響。目前，國內針對輪胎爆破僅ARJ21-700飛機走完此符合性驗證流程。2014年EASA發布了CS 25.734及其可接受符合性方法AMC25.734《Protection against wheel and tyre failures》，對輪胎爆破的模式進行了完善，現已被中國民航CAAC認可，并作為國產新研大型客機輪胎爆破的適航規章要求。

本文采用偏安全的假設、以三維建模軟件為分析工具和手段，對此條款的適航符合性支持方法進行探討和研究。

1條款要求和背景說明

輪胎爆破是民用飛機在實際運營中經常發生的風險，輪胎爆破產生的高壓氣流/碎片等可能打壞起落架、機翼、平尾等機身結構或系統，嚴重影響飛行和人員安全，甚至造成災難性的后果[6]。針對這一危害，航空界在過去的幾十年中，采用了以下有效的措施來降低此風險[7-8]：

(1)沖氮氣的服役輪胎；(2)胎壓監控系統(TPMS)；(3)改進的機輪壓力釋放特性；(4)剎車溫度監控系統(BTMS)；(5)發布FAA/JAA 規章或TGM[9]臨時指導材料；(6)改進的翻修檢查設備和技術。

其中JAA(Joint Aviation Authorities)發布的臨時指導材料(TGM)提供給飛機制造商一個在研制階段定義飛機輪胎和機輪危險的可用方法，并且已被用來表明對Joint Aviation Requirements，JAR 25.729(f) 和 JAR 25.1309等條款的符合性。這一臨時指導材料給出了爆破輪胎、失效輪胎和輪緣脫落的風險區域。但它對滿足最新要求的設備或不同結構/技術類型的輪胎(斜交胎及子午胎)沒有提供參照，也沒有對TSO - C135[10](在TGM之后發布的)中所要求的整合釋壓裝置的機輪提供參考。

有鑒于此，歐洲航空安全委員會在大量的輪胎爆破事件數據搜集和研究的基礎上，于2013年底發布的CS-25 AMENDMENT 14[11]中，刪除了原有的CS.25.729(f)“Retracting mechanism”，新增加了CS.25.734“Protection against wheel and tyre failures”，并且發布了相應的可接受的符合性方法AMC.25.734，此修正案在征詢各方反饋意見修改后于2014年正式發布。

根據AMC25.734的定義，輪胎爆破模式根據收放狀態和輪胎爆破或胎面脫落形式一般有以下幾種模式，如表1所示。

表1　民用飛機適用的輪胎爆破模式

2基于三維模型的輪胎爆破的評估

在開展輪胎爆破具體分析時，可基于機輪和輪胎的風險模型來開展。一方面，通過早期對系統和結構數模的檢查來消除由于設計或布置原因所導致的災難性/危險性失效。另一方面，通過這一過程來增強供應商和系統設計團隊針對機輪和輪胎失效場景的設計自主性。

設計人員通常基于三維建模軟件(如CATIA)，按照滿足適航要求的輪胎爆破失效模式，依據TRA(Tyre and Rim Associate Standard)[12]中飛機輪胎的物理尺寸參數，基于合理保守性假設建立起各個機輪和輪胎失效模式的仿真模型[13]。

2.1　滿足適航要求的機輪和輪胎失效模式

因篇幅有限，本文僅以輪胎碎片模式為例。根據AMC25.734，當輪胎與地面接觸時發生的爆破會拋射出輪胎碎片，需要考慮兩種尺寸的輪胎碎片，這兩類輪胎碎片主要認為來自于輪胎胎面，碎片的拋射區域如圖1所示。

(1)“大碎片”尺寸為WSG×WSG，厚度為完整胎面與最外面的簾線層厚度(例如，增強層或者保護層)。拋射范圍角度θ為15°。

(2)“小碎片”主要指其質量為整個輪胎質量1%的碎片，其沖擊載荷分布面積為胎面總面積的1.5%。拋射范圍角度θ為30°。

圖1　輪胎碎片模型

2.2　獲取飛機輪胎相關的物理參數

目前子午胎已在民用飛機上廣泛采用，其輪胎包線如圖2所示，假設新研飛機主起輪胎采用的子午胎型號為46×17.0R20，查找TRA中對應的數據，可得到表2中用于建模的參數。

圖2　輪胎包線尺寸示意圖

參數DDGWSGWG主起輪胎508mm1207mm405.13mm449.58mmD=輪緣直徑,DG=輪胎直徑,WSG=最大膨脹輪胎胎肩斷面寬度,WG=最大膨脹輪胎斷面寬度

2.3　模型建立假設

在建立輪胎爆破仿真模式時，作如下合理和保守性假設：

(1)受輪胎爆破影響區域的設備，如其許用承力范圍小于爆破產生的作用力大小(輪胎爆破—起落架收上時受高壓氣流沖擊波作用，其它模式下為輪胎/輪緣碎片撞擊或胎帶抽打力作用)，則認為被沖擊設備失效;反之，需提供分析材料來證明設備仍能正常工作；

(2)暴露在輪胎爆破影響下的液壓管路和電纜都失效，即便這些管路和電纜安裝在那些無防護特性并且不能承受輪胎爆破沖擊載荷影響的結構部件之后；

(3)碎片不會從其原始軌跡偏離。

2.4　建立輪胎碎片模式的三維仿真模型

定義輪胎碎片向后拋射并與水平地面之間的夾角為α(0~135°，如圖1所示)，輪胎碎片與機輪平面之間的夾角為θ(大碎片為-15°~15°，小碎片為-30°~30°)，以飛機坐標系為依據，在三維建模軟件中嚴格按照起落架和輪胎放下時的物理位置(需考慮最大起飛重量下起落架放下時的壓縮行程)，建立以輪胎碎片掃掠角θ和拋射角α為變量的運動模型(如圖3所示)，相應的模型組成如表3所示。

表3　輪胎碎片掃掠模型組成

圖3　輪胎碎片三維運動仿真模型

2.5　基于輪胎碎片仿真模型開展評估

將需要檢查的系統/部件加載進輪胎碎片掃掠模型，進入DMU Kinematics Simulator模塊(數模運動仿真模塊)，當輪胎碎片掃掠模型在運動過程中與待檢查的系統/部件發生碰撞，記錄下此時影響該設備的掃掠角θ和拋射角α的角度范圍(如圖4所示)，按照表4所示的結構化分析方法，借助FMEA識別受影響系統設備的故障模式，并根據系統功能危險性分析SFHA、系統故障樹SFTA等確定各個設備相關的系統級功能失效狀態，并追溯到相關的飛機級功能和飛機級功能危險。同時，如有必要可以進行定量計算，確定與此失效狀態相應的風險概率。

圖4　輪胎碎片掃掠模型的使用

2.6　對所發現風險事件的處理

在進行輪胎爆破風險評估時，需重點關注會否發生以下風險事件：

(1)輪胎爆破引起的輪胎失壓；

(2)由輪胎爆破導致飛機最大運行海拔狀況下的快速失壓；

(3)由輪胎爆破導致區域內多條液壓源管道功能喪失；

表4　輪胎碎片撞擊影響表(示例)

(4)由于收起時輪胎爆破的影響，導致起落架不能收上或艙門關閉；

(5)由于輪胎爆破產生碎片的撞擊，導致潛在的燃油箱破裂；

(6)輪胎爆破時，對飛控系統、機翼后緣結構等的影響；

(7)輪胎爆破碎片對發動機的影響(碎片是否會被吸入發動機中)。

針對使用模型時所發現的上述危險事件(如表4中縫翼非對稱運動過限的I級失效狀態)，對相關機體結構進行試驗驗證、動強度和損傷容限分析后，明確判斷輪胎爆破會導致此I，II類失效狀態，則應制定相應的設計更改方案或防護措施，并提供相關設計更改方案或防護措施有效性的證據，從而將此I，II類功能危險事件予以消除或減緩到可接受的安全性水平。

3結論

本文提出了基于三維仿真軟件輔助的輪胎爆破安全性評估方法，給出了建立仿真模型的方法和風險評估步驟。按照此方法在新型飛機的研制周期里盡早開展輪胎爆破的評估工作，并隨研制進度不斷迭代，可以有效地支持民用飛機輪胎爆破的適航取證工作。

參考文獻：

[1]European Aviation Safety Agency.CS-25 certification specifications for large aeroplanes[S]. 2008.

[2]European Aviation Safety Agency. AMC25.734 protection from debris impacts[S]. 2014.

[3]USA Federal Aviation Administration. 14 CFR, PART25, airworthiness standards: transport category airplanes[S]. 2007.

[4]中國民用航空局.CCAR25中國民用航空規章第25部：運輸類飛機適航標準[S]．北京：中國民用航空局，2011.

[5]SAE Standard ARP4761. Guidelines and Methods for Conducting the Safety Assessment Process on Civil Airborne Systems and Equipment[S]. 1996.10.

[6]王敏芹，郭博智.民用飛機事故/事故征候統計與分析手冊[M]．北京：航空工業出版社，2015：31-32.

[7]SAE AIR5699 A. Guide for the Damaging Effects of Tire and Wheel Failures[S]. 2007.4.

[8]USA Federal Aviation Administration. TSO-C62e aircraft tires[S]. 2006.

[9]Joint Aviation Authorities. JAA temporary guidance material, TGM/25/08(issue 2), wheel and tire failure model[S]. 2002.

[10]TSO - C135. Transport Airplane Wheels and Wheel and Brake Assemblies[S].2002.5.

[11]European Aviation Safety Agency. Notice of proposed amendment(NPA)2013-02, protection from debris impacts[S]. 2013.

[12]Tire and Rim Association(TRA) aircraft yearbook[S]. 2009.

[13]曾令慧，陳麗華.CATIA應用基礎[M]．杭州：浙江大學出版社，2013：165-182.

摘要：

采用偏安全的假設，建立了符合CS25.734[1]及AMC25.734[2]的輪胎爆破三維仿真模型，對中國民用航空規章FAR/CCAR25. 729(f)[3-4]及SAE ARP 4761[5]中提出的輪胎爆破風險給出了安全性評估的方法。用分析的方法支持此適航規章條款的符合性驗證工作。

關鍵詞：輪胎爆破；特定風險；安全性評估

[Abstract]By means of technical hypothesis, creating the wheel and tyre failure 3D models in accordance with the regulation of CS25.734[1]and AMC25.734[2]，and giving the safety assessment method for the wheel and tyre failure risk which brought forward by FAR/CCAR25. 729(f)[3-4]and SAE ARP 4761[5].The analytical methods support the compliance work of the airworthiness regulation items.

[Key words]wheel and tyre failure；particular risk；safety assessment

中圖分類號：V226+.8

文獻標識碼：A