直升機(jī)燃油箱重力加油口易碎連接件的適墜性仿真分析

張麗娜

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn)333001）

由于飛機(jī)燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等管系受損引起飛機(jī)操作和機(jī)械故障，從而導(dǎo)致飛機(jī)失事大致占到飛機(jī)失事原因的30%以上。飛機(jī)燃油系統(tǒng)受損導(dǎo)致飛機(jī)失事事故屢見(jiàn)不鮮[1-2]。針對(duì)某型飛機(jī)表明自1964年06月到1990年12月共發(fā)生空中停車120余起[3-4]，初步分析該型飛機(jī)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車的主要原因是：①發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車多數(shù)發(fā)生在高空（H＞18 000 m）低速飛行時(shí)。在這種飛行條件下，雷諾數(shù)很小壓氣機(jī)特性圖的喘振邊界線向右下方移動(dòng)，使壓氣機(jī)喘振裕度減小壓氣機(jī)抗畸變能力下降，這種情況下進(jìn)人發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣量和燃油流量都大大減小；②發(fā)動(dòng)機(jī)和進(jìn)氣道匹配工作不完善；③發(fā)射武器時(shí)大量廢氣進(jìn)人發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)富油而熄火；④飛行員動(dòng)作過(guò)猛，進(jìn)氣道流場(chǎng)畸變?cè)龃?，?dǎo)致壓氣機(jī)喘振而停車；⑤維護(hù)不當(dāng)?shù)绕渌?。根?jù)美國(guó)空軍各業(yè)務(wù)公司的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，飛機(jī)元件故障總數(shù)中屬于機(jī)體（機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、艙蓋）方面的占15%；屬于燃油、氣壓和液壓方面的占50%～60%；屬于無(wú)線電和電氣設(shè)備方面的占25%～35%.由以上事實(shí)可以看出：飛機(jī)燃油系統(tǒng)一旦發(fā)生問(wèn)題，就會(huì)造成不可估量的損失[5]。

軍用直升機(jī)燃油系統(tǒng)適墜性要求直升機(jī)結(jié)構(gòu)在墜毀過(guò)程中燃油系統(tǒng)的泄露量要盡可能的少[6-7]。為避免燃油箱在直升機(jī)墜毀過(guò)程中產(chǎn)生大量泄露，燃油箱與機(jī)體結(jié)構(gòu)之間的所有連接點(diǎn)處可采用易碎連接件進(jìn)行連接。易碎連接件脫離支撐結(jié)構(gòu)所需的載荷，應(yīng)介于連接系統(tǒng)最薄弱元件最小破壞載荷的25%～50%之間。（連接件的破壞載荷可用分析或試驗(yàn)的方法，根據(jù)在墜撞中最可能產(chǎn)生的破壞形式來(lái)確定）。

文件 AC29-2C（E）中 29.952（c）中要求：“不論液體導(dǎo)管的尺寸大小，不應(yīng)采用小于300磅的分離載荷。為了防止地面維修破壞，最小300磅的分離載荷是必需的。”

某直升機(jī)燃油箱重力加油口為滿足燃油系統(tǒng)適墜性要求，采用了易碎連接方式。在油箱墜毀時(shí)，重力加油口處的易碎連接件會(huì)產(chǎn)生塑性變形，且與結(jié)構(gòu)蒙皮分離，以此來(lái)防止油箱被結(jié)構(gòu)蒙皮拉破而導(dǎo)致燃油泄漏。本文用ANSYS軟件對(duì)易碎連接件的塑性變形進(jìn)行了分析，以此驗(yàn)證在重力加油口安裝易碎連接件在燃油箱墜毀時(shí)可以保護(hù)油箱不被拉破，避免產(chǎn)生大量泄露，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)滿足燃油系統(tǒng)適墜性要求，更好地理解燃油系統(tǒng)適墜性設(shè)計(jì)的原理。

1 重力加油口管路分析

根據(jù)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)得到，重力加油管路最小極限載荷為5 000 N/5 cm.重力加油口管路上最薄弱的環(huán)節(jié)在Y型連接處。重力加油口最薄弱處最小極限載荷為5 000×26.4÷5=26 400 N.

2 重力加油口易碎連接件工作原理

易碎連接件安裝在重力加油口入口與結(jié)構(gòu)蒙皮處。在直升機(jī)燃油箱發(fā)生墜撞時(shí)，易碎連接件在一定載荷下會(huì)產(chǎn)生變形，與結(jié)構(gòu)蒙皮分離，從而防止油箱被結(jié)構(gòu)蒙皮拉破，從而達(dá)到保護(hù)油箱，避免油箱泄露的作用。

3 易碎連接件變形分析

3.1 易碎連接件有限元模型

本文應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)易碎連接件進(jìn)行了彈塑性變形分析，單元屬性選擇殼單元，劃分的有限元網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 易碎連接件有限元網(wǎng)格

根據(jù)燃油箱墜毀時(shí)易碎連接件的實(shí)際受力情況，將連接件和蒙皮連接處的螺紋孔處進(jìn)行固定，并在易碎連接件與結(jié)構(gòu)蒙皮貼合區(qū)域處施加隨時(shí)間變化的面載荷，最大面載荷值為5 MPa，如圖2所示。

圖2 易碎連接件邊界條件

3.2 易碎連接件有限元模型塑性變形分析結(jié)果

由于Stainless steel 316的延伸率為0.55，所以當(dāng)易碎連接件變形達(dá)到0.55時(shí)，可與結(jié)構(gòu)蒙皮分離。根據(jù)分析結(jié)果得出，在分析載荷步T=2.018時(shí)，易碎連接件變形達(dá)到0.573 878時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的面載荷值為2.018 MPa.T=2.018時(shí)的應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。

圖3 易碎連接件彈塑性分析應(yīng)變?cè)茍D

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)，可以得出當(dāng)燃油箱墜毀時(shí)重力加油口易碎連接件與結(jié)構(gòu)蒙皮斷裂的強(qiáng)度拉力最小值為2.018×3 550＝7 164 N.

6 600 N（26 400×25%）＜7 164 N ＜13 200 N.（26 400×25%），同時(shí) 7 164 N≮1 334 N（300磅），因此，該易碎連接件滿足油箱抗墜毀時(shí)保護(hù)油箱的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)燃油箱重力加油口易碎連接件的塑性變形分析，得出了當(dāng)油箱墜毀時(shí)重力加油口易碎連接件與結(jié)構(gòu)蒙皮斷裂的最小強(qiáng)度拉力為7 164 N時(shí)，滿足在重力加油口管路最薄弱處最小極限破壞載荷的25%～50%之間，同時(shí)滿足不小于1 334 N.從而驗(yàn)證了此重力加油口易碎連接件的設(shè)計(jì)能保護(hù)油箱在墜毀時(shí)不被拉破，同時(shí)也為其他燃油系統(tǒng)部件的抗墜毀設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。