關(guān)于沖壓空氣渦輪轉(zhuǎn)子爆破的研究

張成宇

摘 要：RAT（Ram Air Turbine沖壓空氣渦輪發(fā)電機(jī)）轉(zhuǎn)子爆破屬于民航適航局方要求的離散元損傷之一，為滿足適航要求，需要對(duì)RAT進(jìn)行轉(zhuǎn)子爆破分析。本文通過(guò)CATIA對(duì)RAT爆破轉(zhuǎn)子的運(yùn)行軌跡進(jìn)行建模仿真，提出了針對(duì)RAT轉(zhuǎn)子爆破結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)動(dòng)態(tài)學(xué)FEM（有限元）LS-Dyna數(shù)字化模擬方法驗(yàn)證結(jié)構(gòu)能滿足設(shè)計(jì)需求。

關(guān)鍵詞：RAT；轉(zhuǎn)子爆破；CATIA建模仿真；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；FEM；LS-Dyna模擬

0 引言

沖壓空氣渦輪是在發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，失去動(dòng)力或動(dòng)力嚴(yán)重不足的情況下工作的，以產(chǎn)生緊急備用動(dòng)力。聯(lián)邦航空管理局（FAA）曾發(fā)布咨詢通告AC20-128A，為實(shí)現(xiàn)把飛機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)子爆破的危害降至最小的目標(biāo)提供了指南。但對(duì)于如何確定轉(zhuǎn)子爆破對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)的危害，卻沒(méi)有給出相關(guān)的指導(dǎo)性意見(jiàn)，在國(guó)際航空業(yè)界也沒(méi)有形成定論。本文提出了一套行之有效的應(yīng)對(duì)RAT轉(zhuǎn)子爆破的方法。

1 RAT轉(zhuǎn)子爆破分析

當(dāng)飛機(jī)選用RAT型號(hào)確定后，其相應(yīng)參數(shù)也就隨之確定，比如：RAT最大轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子尺寸等。RAT碎片飛散區(qū)、飛散角等，在咨詢通告AC20-128A中都有規(guī)定。

我們可以通過(guò)創(chuàng)建RAT的CATIA模型，并模擬RAT實(shí)際工作情況。通過(guò)分析RAT旋轉(zhuǎn)葉片的飛散角來(lái)展示RAT轉(zhuǎn)子爆破的運(yùn)行軌跡。通過(guò)分析這些軌跡，找到對(duì)周邊結(jié)構(gòu)影響最大的區(qū)域和部件，并定義為潛在的RAT轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。分析所有飛散葉片的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以得出RAT轉(zhuǎn)子爆破對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)的影響區(qū)間，即RAT轉(zhuǎn)子和機(jī)身結(jié)構(gòu)的撞擊隱患區(qū)，因此需要在這個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)保護(hù)板，以保護(hù)內(nèi)部系統(tǒng)和防止穿透機(jī)身增壓區(qū)風(fēng)險(xiǎn)。

在仿真數(shù)模中，可以求得撞擊隱患最小區(qū)域尺寸。在RAT轉(zhuǎn)子爆破飛散軌跡和機(jī)身結(jié)構(gòu)的重疊部分，建立彈道防護(hù)板，可以選擇結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋藏式以不影響飛機(jī)空氣動(dòng)力，或選擇外置彈道防護(hù)板。

2 防護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算

通過(guò)RAT轉(zhuǎn)子如材料、重心、最大轉(zhuǎn)速和質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)求出彈道防護(hù)板的最小厚度。

應(yīng)用公式，以計(jì)算阻擋碎片的彈道板的需求厚度

t = 目標(biāo)厚度

EA = 碎片動(dòng)能

L = 碎片目標(biāo)長(zhǎng)度

T = 動(dòng)態(tài)學(xué)剪切模量

θ = 傾斜度

通過(guò)以上公式，我們可以計(jì)算出最小需求彈道防護(hù)板板厚尺寸。

3 數(shù)字化模擬驗(yàn)證

3.1 結(jié)構(gòu)離散化建模

通過(guò)動(dòng)態(tài)學(xué)FEM（有限元）LS-Dyna來(lái)對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)保護(hù)板進(jìn)行分析。建立RAT周邊結(jié)構(gòu)的離散化模型后，定義目標(biāo)網(wǎng)格大小。應(yīng)用LS-Dyna對(duì)RAT轉(zhuǎn)子葉片建模，針對(duì)單元素穿透一定厚度結(jié)構(gòu)的彎曲問(wèn)題進(jìn)行數(shù)字化模擬分析。對(duì)建立的LS-Dyna模型進(jìn)行評(píng)估，比如翹曲、弦向偏差等方面，對(duì)建立的模型質(zhì)量進(jìn)行足夠的分析。

3.2 建立邊界條件和模擬分析

建立邊界條件，比如對(duì)連接點(diǎn)建立垂直約束、對(duì)被刪減的框建立對(duì)稱界面條件、對(duì)相應(yīng)邊界建立垂直和橫向支持等邊界條件。

3.3 動(dòng)態(tài)學(xué)有限元結(jié)果

選定整片RAT葉片模型作為威脅條件，對(duì)所有飛散角進(jìn)行分析，研究防護(hù)板應(yīng)對(duì)威脅的情況。

通過(guò)分析，選取最嚴(yán)重的損傷對(duì)應(yīng)的飛散角。在這種情況下，葉片的動(dòng)態(tài)學(xué)分析見(jiàn)圖1。由于葉片高速旋轉(zhuǎn)，葉片擊中保護(hù)板后會(huì)產(chǎn)生回彈。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)RAT轉(zhuǎn)子爆破的研究，提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)策略。并通過(guò)結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算和數(shù)字化模擬分析加以驗(yàn)證，最終證明該設(shè)計(jì)理念在可靠性和安全性上是有效的。對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)，我們不僅要考慮全面的細(xì)節(jié)問(wèn)題，還要關(guān)注利益攸關(guān)者需要。并根據(jù)這些情況進(jìn)行具體的分析比較及強(qiáng)度計(jì)算以確定方案。只有這樣才能實(shí)現(xiàn)可靠設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)：第10分冊(cè) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.

[2]牛春勻.實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1983.

[3]陶梅貞.現(xiàn)代飛機(jī)綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003.

（作者單位：中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司）