民用飞机管路系统适坠性仿真分析研究

葛锐　朱德轩　卞刚

【摘 要】本文介绍了民用飞机管路系统适坠性研究的重要意义，并利用ABAQUS有限元分析软件中显式非线性动态分析（ABAQUS / Explicit），对管路系统适坠性要求进行了模拟仿真分析研究。识别了管路特征、冲击锤特征、冲击高度、充压情况、卡箍个数及卡箍间距、导管长度、卡箍等因素对燃油管路系统冲击试验中导管破坏的影响。可为后续模拟件和装机试验件的试验研究提供参考，为国内民用飞机燃油系统适坠性研究提供参考依据。

【关键词】民用飞机；管路系统；适坠性；仿真分析

0 引言

随着航空技术的日益发展，民用飞机安全性也不断提高。2015年，国际航空运输协会（IATA）分析报告显示，近年来民航客机发生事故造成乘客死亡的概率大约稳定在五百万分之一[1]。即使如此，当发生航空事故时，仍然会造成巨大的人员伤亡和财产损失。而在民用航空事故中，冲击和火灾是造成死亡的两大因素。且有研究表明，78.5%的火灾是由于燃油箱或燃油管路泄漏导致的[2]。故从系统设计角度，提高燃油系统适坠性，避免/控制燃油泄漏是控制火災的第一道防线。相对于燃油箱，布置于机身内的发动机和APU供油管路系统的适坠性要求更需引起重视[3]。

供油管路系统适坠性设计的主要目的是降低坠撞情况下机身燃油导管泄漏起火的可能性，进而保证紧急情况下乘客的安全，提高事故生还率。同时，机身燃油导管适坠性要求也作为适航要求列入民用飞机适航规章中（条款25.993f）[4-5]。

20世纪60年代以来，国际上对民机燃油系统的适坠性研究逐步重视起来，但是适航规章或国际上研究结果对管路系统适坠性没有清晰的定量要求，尤其对于机身内的双层金属供油导管[3-5]。目前各方仍在投入大量资源持续开展研究工作。在国内，大型民用飞机燃油系统的适坠性研究更是处在探索阶段。

本文介绍了利用ABAQUS有限元分析软件中显式非线性动态分析（ABAQUS / Explicit），对管路系统适坠性要求进行模拟仿真分析的研究结果。为后续模拟件和装机试验件的试验研究提供参考，为国内民用飞机燃油系统适坠性研究提供参考依据。

1 管路系统组成

管路系统一般由导管（单层或双层）、软管、连接件、支撑件、隔离器等组成。管路连接件有柔性接头、无扩口接头、过框接头等；支撑件主要有P 型卡箍、鞍型卡箍、支架一体化卡箍等；为防止大电流进入燃油箱，有时管路中还需要增加隔离器。

2 仿真分析方法及思路

本文研究目标是对如图1所示的双层金属燃油管路落锤冲击过程进行数值模拟，研究管路材料、管路尺寸、冲击锤质量、冲击锤切口尺寸、冲击锤切口倒角、冲击锤材料、冲击高度、充压情况、卡箍个数及卡箍间距、导管长度、卡箍强弱、卡箍管路接触摩擦力、支架强弱、螺栓强弱、管路类型等因素对燃油管路系统冲击试验中导管破坏的影响。

本文采用ABAQUS有限元软件中显式非线性动态分析（ABAQUS/Explicit）进行模拟，该方法已被确认在显式动态分析中有着可靠的计算结果，为广泛应用的有限元显式动态分析算法，适用于高速动力学事件（碰撞和爆炸等）、复杂的接触问题、高度非线性的准静态问题（如薄板成型等）、材料的退化和失效（如金属延性失效）等问题。

本文基于上述算法，通过建立落锤冲击燃油管路的有限元数值仿真模型，并不断改变相关影响因素研究该因素对燃油导管冲击试验中导管破坏的影响趋势。

3 有限元模型的建立

典型的数值模型如图2所示，其中管路材料为不锈钢321、冲击锤重量为34.47kg、冲击锤切口尺寸3.175mm且倒圆角0.5mm、冲击锤材料为铝合金7075、冲击高度为11.2776m、内管充压60psi且外管不充压、卡箍间距为0.6m、导管长度 1m、支架材料为Al2024，落锤切口部分材料为钢材料（300M）或铝合金材料，落锤上部采用密度较大的钨钢（14.7g/cm3）作为配重。

损伤破坏判断：通过Mises应力与屈服强度的比较来判断是否发生屈服损伤；通过最大主应力与抗拉强度的比较以及塑性应变的最大值与伸长率的比较来综合判断管道是否发生破坏，即只要两个因素中有一个达到破坏即认为管道发生破坏。

单元类型：内、外管采用壳单元S4R、其它各部件均采用实体单元C3D8R。

边界条件及力加载：内、外管两端以及支架固支约束；内管压力施加均布压强60psi；卡箍施加均布压强2Mpa；落锤赋予重力属性同时施加初始速度、橡胶与金属表面的摩擦系数为0.8、其他部件之间接触面的摩擦系数为0.3。

4 仿真分析结果

落锤冲击时屈服破坏区域的云图实例如图3所示。根据各潜在影响因素对燃油导管冲击试验中导管破坏的仿真分析结果，并结合权重分析得到：试验台架因素（落锤高度、冲击锤重量）和管路因素（管路长度）对试验中导管破坏起主导作用；试验台架因素（冲击锤切口尺寸）和管路因素（管路材料、管路尺寸）对试验中导管破坏起次要作用；试验台架因素（冲击锤切口倒角、冲击锤材料）和管路因素（卡箍强弱、支架强弱、卡箍个数、卡箍间距等其他因素）仅起到很小作用。具体影响因素权重分析如图4所示。

5 结论

本文利用ABAQUS有限元分析软件中显式非线性动态分析（ABAQUS/Explicit），对管路系统适坠性要求进行了模拟仿真分析研究，识别了管路材料、管路尺寸、冲击锤质量、冲击锤切口尺寸、冲击锤切口倒角、冲击锤材料、冲击高度、充压情况、卡箍个数及卡箍间距、导管长度、卡箍强弱、卡箍管路接触摩擦力、支架强弱、螺栓强弱、管路类型等因素对燃油管路系统冲击试验中导管破坏的影响权重。可为后续模拟件和装机试验件的试验研究提供参考，为国内民用飞机燃油系统适坠性研究提供参考依据。

【参考文献】

[1]Safety Report 2014 [R]. Montreal， Quebec，2015.

[2]Lucha， G.M.， M.A. Robertson， and F.A. Schooley. An Analysis of Aircraft Accidents Involving Fires [R].Moffett Field，California， Ames Research Center， May 1975.

[3]朱德轩，葛锐，等.民用飞机机身燃油管路适坠性适航要求和验证方法研究[J].民用飞机设计与研究，2016.04.014.

[4]朱德轩，游胜龙，等.民用客机燃油系统适坠性问题研究[J].科技信息，2011.11.

[5]朱德轩，葛锐，等.民用客机燃油系统的适坠性试验研究进展回顾[J].装备制造技术，2015.7.

[责任编辑：朱丽娜]