應急斷離剪切銷的雙剪切破壞過程仿真研究

談志晶 林 森

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

吊掛結構是民機的主要承力部件，整個飛行過程中傳遞來自發動機產生的推力，而在緊急情況下需要在吊掛與發動機的連接接口或者吊掛與機翼的連接接口斷離，切斷推力繼續傳遞至機翼，保證飛機的安全著陸，因此研究如何保證吊掛應急斷離剪切銷在應急情況下的有效斷離相當重要。本文選用不銹鋼作為應急斷離剪切銷的材料并論述應急斷離剪切銷的結構設計要求。目前，國外應急斷離的相關研究相對于國內起步較早，因此國內的理論研究相對薄弱[1-2]。美國學者較早的研究分析了飛機失事的影響因素，并提出針對飛機抗墜性的若干優化意見[3]，之后又根據民用飛機適航條款的相關要求，設計了一種能夠在緊急情況下自動斷開的保護裝置，該保護裝置會在飛行載荷達到一定閥值后自動斷開[4]。國內學者范耀宇等[5]通過分析歷史上民用飛機應急著陸時發生的空難，并結合空客、波音等飛機設計公司在吊掛應急斷離方向的設計理念，對中國民機吊掛的緊急情況下的斷離設計提出了一些建設性意見，并進一步結合PAM-CRASH仿真軟件模擬分析了民用飛機吊掛應急斷離的方案[6]。2015年，我國張鵬飛學者[7]發表論文敘述了民用飛機緊急狀況下的應急斷離設計，論述了發動機或吊掛的應急斷離設計的試驗驗證以及模擬仿真的方法。2015年我國朱成鋼[8]研究并總結中國國內已有的應急斷離剪切銷的強度設計方法，并在總結的基礎上提出了應急斷離剪切銷新的強度設計思路，即通過塑性修正方法得到應急斷離剪切銷斷離橫截面上的極限許用力矩，只需保證經過塑性修正后得到的彎曲強度達標即可。2017年金子博等人[9]以某大型民用飛機吊掛應急斷離剪切銷的設計為背景，研究了超靜定結構雙剪切應急斷離剪切銷橫向抗沖擊性能對應急斷離剪切銷強度設計的影響程度。首先其通過ABAQUS有限元仿真軟件建立了一套熱耦合力學模型，通過相關邊界條件的設定，模擬真實的飛機緊急迫降工況，并使用多組不同尺寸應急斷離保險銷，在不同著陸角度以及著陸速度下，模擬分析了應急斷離剪切銷的剪斷載荷和能量吸收效率，并最終得出不同內外徑尺寸以及徑厚比對應急斷離剪切銷剪斷特性的影響。

民用飛機應急斷離剪切銷的設計，通常情況下使用不銹鋼作為制造應急斷離剪切銷的材料，而不銹鋼的力學性能直接影響應急斷離剪切銷的使用壽命。含銅相析出作為不銹鋼加強的一種手段之一[10-11]，通過析出粒子錯位發生積塞增加材料強度。另外，采用熱處理手段來提高不銹鋼的抗磨損性能[12-13]。計算機領域的迅猛發展，帶動了相關仿真軟件的飛速進步，眾多有限元仿真軟件已經具有強大的仿真分析能力，包括材料的力學性能分析、失效準則的建立以及模型網格的劃分。2013年宗俊達等人[14]使用MSC Nastran軟件對應急斷離剪切銷的試驗夾具進行了強度以及剛度的模擬計算，給出了試驗夾具的校核設計方法，為試驗夾具提供了設計思路。張孟玫學者[15]提出了一種應急斷離剪切銷抗剪強度計算的理論方法，其采用三維模型和有限元分析方法動態模擬了應急斷離剪切銷的斷離全過程。2015年，王寶賓等人[16]，采用ABAQUS仿真軟件，模擬了應急斷離剪切銷在不同直徑尺寸下的斷離應力，并通過試驗進行了驗證，成功地將應急斷離技術應用于航空業以外的領域，解決了汽車制造業中變速器臺架應急斷離問題，從而以較低的研發成本保護了昂貴的試驗設備的安全。本文以應急斷離剪切銷為研究對象，開展力學性能測試和斷裂過程仿真分析，研究不同徑厚比對應急斷離剪切銷破壞過程的影響，為后續應急斷離剪切銷試驗件的設計與制造提供理論支持。

1 試驗

1.1 試驗方法

圓柱體單向拉伸實驗是材料力學性能測試中常見的試驗方法，方便為材料的有限元模擬提供精確有效的理論數據。依照ASTM EB/E8M金屬材料試驗方法，開展某種不銹鋼制作的啞鈴型試棒單軸拉伸試驗，為減少試驗裝夾等帶來的影響，開展3組單軸拉伸試驗，試樣尺寸如圖1所示。試驗裝置采用萬能試驗機。

圖1 試樣尺寸

1.2 試驗結果

基于單軸拉伸試驗數據，進行本構模型和有限元模型的建立。由位移載荷曲線轉換得到真實應力-應變曲線，如圖2所示。

圖2 應變-應力曲線

2 有限元模型的建立

分析不銹鋼應急斷離剪切銷真實應力應變曲線，可看出主要包括彈性形變和塑性形變。建立剪切銷的仿真模型，選用彈-塑性本構模型，本構模型如式(1)所示[17]。式中，E為彈性模型，屈服強度通過彈性變形階段獲得，分析塑性變形階段，計算獲得應變硬化系數B和應變硬化指數n。進而獲得本構模型的具體參數，如表1所示。

表1 彈塑性本構模型參數

(1)

式中：σ—應力，MPa；

E—彈性模量，MPa；

ε—應變；

σv—屈服強度，MPa；

B—應變硬化系數，MPa；

n—應變硬化指數。

依據彈-塑性本構模型，建立了有限元模型，使用C3D8R單元進行網格劃分，夾具上部通過參考點RP-1進行綁定，在參考點施加4E+6載荷，限制夾具底部Z方向的自由度，釋放應急斷離剪切銷試件的全局自由度，完成設置后，應急斷離剪切銷雙剪有限元模型如圖3所示。開展不同徑厚比下雙剪仿真分析，方案如表2所示。

圖3 雙剪有限元模型

表2 雙剪分析不同徑厚比方案

3 結果分析

試件1-1、1-2隨時間變化所承受的剪應力S23云圖如圖4所示。

(a)試件1-1、試件1-2斷裂前S23云圖

圖4(a)可以看出，在不斷施加載荷的過程中，兩側的剪切應力也隨之增加，隨著時間推移直至斷裂前，試件1-1所承受的最大剪力范圍為486.1 MPa～583.2 MPa，平均剪切強度值534.65 MPa；試件1-2所承受的最大剪力范圍為483.8 MPa～580.7 MPa，平均剪切強度值532.25 MPa。施加的載荷不斷增加，應急斷離剪切銷剪切處開始出現裂紋并慢慢擴展，如圖4(b)所示，相同外徑32 mm下，試件1-1斷裂瞬間平均剪應力508.85 MPa小于試件2-2斷裂瞬間平均剪應力534.95 MPa，裂紋出現在不同位置，完全斷裂后，斷離銷斷口均出現不規則形狀，得出的結論為：相同外徑下，應急斷離剪切銷內徑越大，其破壞瞬間的剪切強度則越大。

圖5和圖6分別展示出了雙剪工況下，試件1-1與試件1-2破壞過程中應力云圖和位移變化云圖。可以看出，在不同時刻下，試件1-1的平均MISES應力比試件1-2大，即應急斷離剪切銷內徑越小，平均MISES應力越大。從圖6可看出，不同時刻，應急斷離剪切銷內徑越大，破壞位移越大。

圖5 試件1-1、1-2斷裂瞬間應力云圖

(a)試件1-1、1-2斷裂瞬間位移云圖

4 結論

民用飛機吊掛應急斷離剪切銷在緊急情況下的成功斷離對保障飛機安全著陸至關重要。本文以不銹鋼材質應急斷離剪切銷為研究對象，開展了材料的力學性能測試，建立了應急斷離剪切銷的彈-塑性本構模型；基于力學性能測試結果，建立了應急斷離剪切銷的雙剪有限元模型，開展了不同徑厚比下的應急斷離剪切銷仿真分析并為應急斷離剪切銷試驗件設計提供數字化參考。主要結論如下：

(1)雙剪工況下，相同外徑下，內徑越大，其破壞瞬間的剪切強度越大；

(2)雙剪工況下，相同外徑下，內徑越大，其破壞位移越大。