直升機燃油箱抗墜毀易斷螺栓設計與分析

張馳

摘 要：介紹了直升機燃油箱抗墜毀易斷螺栓的工作條件，利用有限元分析軟件對易斷螺栓進行了仿真分析，驗證了易斷螺栓在直升機在正常使用時，不會產生永久變形或破壞;在直升機發生墜毀時，易斷螺栓發生斷裂，不會撕裂燃油箱，并通過試驗驗證了仿真結果，易斷螺栓的設計滿足抗墜毀要求。

關鍵詞：直升機;燃油系統;抗墜毀;易斷螺栓

中圖分類號：TB ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.23.101

1 引言

直升機抗墜毀能力是指在發生意外墜毀事故時，機體及其內部系統防止空勤人員受到傷害的能力。燃油系統中因存儲大量航空煤油，存在泄漏引起火災甚至爆炸的風險。因此，提高燃油系統的抗墜毀能力，是提升直升機抗墜毀生存率的重要保證。其中，用于貯存燃油的燃油箱，需具備相應的抗墜毀能力，需對燃油箱的固定進行適墜性設計。

2 易斷螺栓結構及工作條件

根據CCAR-29-R1運輸類旋翼航空器適航規定要求，將直升機的燃油箱安裝在燃油箱艙內，裝入80%容量的水，從15.2m高度自由下落并以水平位置±10°碰撞在不變形的地面后，應無燃油泄漏。為滿足以上條件，需采用抗墜毀燃油箱，并對燃油箱的固定及其成附件的安裝進行適墜性設計。

其中，為防止燃油箱在墜毀觸地的過程中，強度較高的油箱艙平臺結構撕裂橡膠燃油箱，可采用易斷螺栓進行連接。易斷螺栓的安裝如圖1所示。易斷螺栓的設計一方面要保證在正常使用的載荷下易斷螺栓不被破壞，提供燃油箱和結構的固定安裝的功能;另一方面在發生墜撞的情況下易斷螺栓出現預期的斷開，確保被連接燃油箱不被撕裂或破壞。因此，需要在易斷螺上設置薄弱環節，結構如圖2所示。

3 易斷螺栓的仿真分析

根據CCAR-29-R1要求，易碎的或易變形的連接件的極限強度必須滿足下列要求：

（1）將易碎連接件從其支撐結構上分開或使局部易變形連接件相對于其支撐結構變形所需要的載荷，必須為被連接系統中最弱的部件的最小極限載荷（強度）的25%-50%之間，任何情況下該載荷不得小于136kg（1334N）。

（2）易碎的或局部易變形的連接件必須在最可能發生的方式下施加極限載荷時分開或局部變形。

（3）在最可能發生的方式下施加極限載荷時，易碎的或局部易變形的連接件必須能夠分開或局部變形。

（4）所有易碎的或局部易變形的連接件必須符合疲勞評定的要求。

根據以上要求，對易斷螺栓進行設計，并進行有限元仿真。

3.1 易斷螺栓的有限元模型

對易斷螺栓三維數模（見圖3）進行適當簡化，建立有限元網格模型。對易斷螺栓的網格劃分采用四面體網格劃分，薄弱區域作為失效可能性大的部位采用較高的網格密度，共生成15428個單元。易斷螺栓材料選用304L不銹鋼，材料模型選用LS-DYNA中的MAT_MODIFIED_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY。304L不銹鋼的材料屬性見表1。

3.2 LS-DYNA仿真結果

模擬易斷螺栓的實際工作情況，將螺栓的頂部固定，在底部沿Z軸對易斷螺栓施加最大值為10mm的線性位移， 如圖4所示。由仿真結果可知，易斷螺栓失效斷開的拉力為5911N，屈服極限值為3000N，仿真結果見圖5。

3.3 仿真結果分析

直升機在飛行時對易斷螺栓施加的載荷為38N，硬著陸時為48N，都小于易斷螺栓的屈服極限3000N，表明直升機在正常使用時，不會產生永久變形或破壞。

橡膠油箱壁的連接部位的長度為65.8cm，如圖1中虛線位置所示。該部位油箱壁的撕裂強度為8100N/5cm，因此引起該部位油箱發生泄漏的撕裂拉力F=65.8×8100/5=106596N。根據CCAR-29-R1要求，由可生存撞擊引起的載荷不得大于極限載荷的25%～50%，該部位采用2個易斷螺栓進行連接，所以單個易斷螺栓的斷開載荷FU不得大于25%×106596÷2～25%×106596÷2之間，即FU ≤13324.5N～26649N。仿真分析結果表明易斷螺栓的拉斷載荷為5911N，滿足要求。在直升機發生墜毀時，易斷螺栓會發生斷裂，不會撕裂燃油箱，詳見表2。

4 易斷螺栓拉脫試驗

在實驗室中將易斷螺栓安裝在專用夾具上，一端與夾具內螺紋連接，另一段與拉伸機連接，以100mm/min速度勻速加載，直至試驗件破壞，其中一件易斷螺栓試驗載荷位移見圖6。

5 結論

通過對易斷螺栓的仿真分析，得出了易斷螺栓斷開的拉力為5911N，符合使用及抗墜毀要求，實驗室試驗驗證了易斷螺栓的設計及仿真分析結果。為燃油系統抗墜毀零部件的設計提供了參考。

參考文獻

[1]楊嘉陵，吳衛華.武裝直升機抗墜毀設計研究[J].航空發動機，2001，（37）：5.

[2]中國民用航空總局.CCAR-29-R1.運輸類旋翼航空器適航規定 [S].2002.