飛機輪胎爆破噴流模式下管路的強度計算方法

陳凱帆 馬 建

(上海飛機設計研究院，上海 201210)

0 引言

作為飛機唯一的支撐結構，飛機起落架是飛機不可或缺的部件，而輪胎作為飛機起落架的重要部件[1]，在飛機起飛、降落到滑跑過程中承受著巨大的沖擊力和摩擦力，從而可能發生輪胎爆破的事故。根據中國民用航空規章第25部[2]相關條款的定義，位于輪艙內且對于飛機安全運行必不可少的設備必須在輪胎爆破下不受到損傷或者加以保護而不受到損傷。

本文以某民機起落架子午線輪胎為例，針對輪胎爆破幾種破壞模式中噴流模式下的液壓管路，提出一種液壓管路的強度計算方法，該方法可以較為保守的預測在噴流模式下，受影響的液壓管路的安全性，從而判斷在輪胎爆破噴流模式下受影響管路是否會引起相關液壓系統或液壓設備的失效進而導致飛機的飛行安全受到影響。對于其他類型的輪胎，該管路強度分析方法可類推使用。

1 輪胎爆破失效模式

輪胎爆破時一般有四種失效模式[3]。這四種模型涵蓋了起落架放下、收起中以及收上位置的危險情況。需要被考慮的危險情況包括：輪胎碎片模式、甩胎模式、輪胎爆破空氣噴流壓力效應模式以及輪緣碎片模式。當起落架處于放下位置時，主要適用于輪胎碎片模式、甩胎模式和輪緣碎片模式；當起落架處于收起中或收上位置時，主要適用于甩胎模式和輪胎爆破空氣噴流壓力效應模式。本文主要針對輪胎爆破空氣噴流壓力效應(簡稱噴流模式)這一失效模式進行研究。

2 噴流模式簡介

在飛行中，起落架收起后出現的爆胎是由于先前的輪胎損傷而產生的，在輪胎的外露表面上任何一個地方都有可能出現。根據現有的一些事故調查[4]，這種爆胎情況只適用于安裝有剎車裝置的輪胎，即主輪胎。發生此種爆胎事故的原因主要是飛機在滑跑過程中的意外剎車而磨損掉局部胎面，輪胎在地面沒有爆破，當起落架收起進入空中巡航后，由于溫度及外界大氣壓力的變化導致輪胎內外壓差變大而發生空氣噴流式爆胎。因此，對于此模式的適航驗證工作僅考慮主輪胎。一般認為，該模式下輪胎不射出碎片，其損傷僅由空氣噴流的氣流載荷造成。子午胎與斜交胎的噴流影響存在不同。其中子午線輪胎的噴流影響成楔型，如圖1所示。噴流效應可能會導致其影響范圍內的液壓管路破壞，液壓管路的破壞將會導致飛機液壓能源系統和與之相關聯的液壓設備非正常工作，將會進一步威脅飛機的飛行安全。所以需要進行該工況下的強度計算。

(a)噴流模型整體示意圖

3 液壓管路載荷計算

以某民機(子午胎)液壓管路為例，液壓管路載荷包括內載荷和外載荷[5]，內載荷由管路內油液引起，其值為3 000 PSI，外載荷由輪胎爆破噴流引起，其值隨管路離爆破輪胎胎面的距離而變動，離爆破輪胎胎面越近，載荷越大，具體的載荷由擬合公式給出。

為了模擬真實的輪胎爆破噴流載荷，首先開展輪胎爆破危害程度測試試驗，在試驗中布置傳感器來測量噴流壓力，試驗布置如圖2所示。

圖2 輪胎爆破噴流壓力測試布置示意圖

試驗共完成8條輪胎爆破測試，每次測試都記錄下各壓力傳感器[7]的動態壓力數據。將8次測試的壓力數據進行平均，擬合得到不同距離處峰值壓力隨距離變化公式，擬合公式如公式(1)所示。

Pmax=1 558.1×e-x/166+325.6

(1)

式中，Pmax為峰值壓力，KPa；x為目標位置離胎面距離，mm。

實際加載至管路表面的載荷將取動態壓力載荷的積分平均值，如公式(2)所示。

(2)

式中，Pave為積分平均壓力，MPa；P為實測壓力，MPa；△t為積分時間，ms。

其中，積分時間為從傳感器響應起始時刻到壓力衰減至平穩狀態的整個過程，針對所測壓力值最大的傳感器，取8次試驗中測試數據較好的5次作積分平均[6]，結果如圖3所示。

圖3 噴流實測動態壓力及積分平均壓力

各實測動態壓力積分平均之后的結果如表1所示。

表1 爆破噴流實測動態壓力積分平均結果

由于實際管路遠離爆破輪胎，假設管路所在位置處的噴流壓力變化趨勢與傳感器所測得的壓力變化趨勢一致，因此，施加到管路上的噴流載荷將是目標管路段處的峰值載荷乘以比例系數，此系數值取表1中各試驗“平均壓力/峰值壓力”的平均值。管路在爆破噴流作用下，最大應力為集中在端部(卡箍約束位置)的彎曲應力，其值取決于管路在端部的累積彎矩，在保證彎矩不變的情況下，可將噴流在管路表面的壓力轉換為節點力。因此，在有限元模型(在第四章中詳細說明)中采用FORCE卡片定義載荷，假設各管路段總載荷由節點平均承擔，總載荷為管路段處壓力乘以迎風面積，迎風面積保守地取為管路段表面積的一半，忽略管路之間的遮擋。

節點力計算如公式(3)所示，具體的加載方式見第四章。針對復雜的管路，則應該根據離胎面距離的不同將該管路分成幾段分管路段，根據公式(1)計算出不同的Pmax(距離越小，載荷越大，故保守估算取每段管路的最小距離來計算)，然后再根據公式(3)計算出每個分管路段的載荷。

(3)

式中，F為節點力，N；Pmax為管路段處峰值壓力，MPa；S為迎風面積，mm2;N為節點數。

4 有限元建模計算

4.1 有限元模型

在得到有效的輪胎爆破噴流模式下的載荷模擬方法后，即可開展液壓管路的強度計算，這里采用有限元算法來進行強度計算。首先針對在噴流影響范圍內的管路段進行有限元建模，采用HyperMesh12.0[8]建模軟件進行幾何清理和網格劃分，管路全部采用4節點一階殼單元模擬，網格單元大小根據真實管路的尺寸來確定，約束卡箍及管路之間接頭采用多點約束RBE2單元模擬，以某民機某段液壓管路為例，其建立的有限元模型如圖4所示。

圖4 管路的有限元模型

4.2 載荷和約束

將第三章所得載荷加載到模型中(對于復雜管路，則將節點力分不同管路段以場的形式輸入)，節點力方向為噴流錐軸線所指方向。以管路的任一截面為例，載荷的施加形式如圖5所示，其中Poil為油液壓力，F為由爆破噴流載荷分配所得的管路節點力，載荷大小見公式(3)，方向為噴流錐軸線所指的方向。模型約束施加在模擬卡箍的多點約束RBE2單元的主節點處，并約束單元的所有六個自由度。

圖5 管路載荷有限元加載

4.3 有限元計算

最后將有限元模型附上材料屬性，管路殼單元附上真實液壓管路的厚度，然后將有限元模型導入NASTRAN[9]進行靜力計算，即可完成輪胎爆破噴流模式下管路的強度計算。以某民機某段液壓管路為例，最后的計算結果如圖6。由于輪胎噴流載荷量級很大，當線性計算時結果不滿足強度要求，則需考慮非線性分析計算[10]，即輸入液壓管路材料的非線性階段材料屬性，并選用NASTRAN中的非線性求解器進行求解。最后可以根據計算結果驗證出管路的強度是否滿足要求。

圖6 管路的強度計算結果

5 結論

當作為飛機重要部件的起落架輪胎發生輪胎爆破事故時，輪艙內對于飛機安全運行必不可少的設備會受到損傷導致設備失效，從而使飛機的飛行安全受到威脅。本文針對飛機輪胎爆破噴流模式下管路的強度驗證，主要描述了幾個方面的內容，為噴流模式下管路的強度分析提供了工程實用的方法：

1)介紹了飛機輪胎爆破的幾種模式，并詳細說明了其中的噴流模式；

2)提供了輪胎爆破噴流模式下管路所受載荷的模擬方法；

3) 舉例說明了某民機起落架子午線輪胎爆破噴流模式下管路的有限元分析流程，最后得到管路的強度計算結果。

由于輪胎爆破噴流模式的載荷量級非常大，離輪胎胎面距離很近的管路往往承受不住這種量值的載荷，即有限元的結果表明管路的安全裕度是負的。在這種情況下，往往需要安全性專業的人員來分析在該管路不能正常工作的前提下，對與其相關聯的液壓設備是否有影響，乃至對整個飛機的安全飛行是否有影響。