直升机燃油箱重力加油口易碎连接件的适坠性仿真分析

张丽娜

（中国直升机设计研究所，江西 景德镇333001）

由于飞机燃油系统、液压系统等管系受损引起飞机操作和机械故障，从而导致飞机失事大致占到飞机失事原因的30%以上。飞机燃油系统受损导致飞机失事事故屡见不鲜[1-2]。针对某型飞机表明自1964年06月到1990年12月共发生空中停车120余起[3-4]，初步分析该型飞机所用的发动机空中停车的主要原因是：①发动机空中停车多数发生在高空（H＞18 000 m）低速飞行时。在这种飞行条件下，雷诺数很小压气机特性图的喘振边界线向右下方移动，使压气机喘振裕度减小压气机抗畸变能力下降，这种情况下进人发动机的空气量和燃油流量都大大减小；②发动机和进气道匹配工作不完善；③发射武器时大量废气进人发动机，使发动机富油而熄火；④飞行员动作过猛，进气道流场畸变增大，导致压气机喘振而停车；⑤维护不当等其他原因。根据美国空军各业务公司的统计数据，飞机元件故障总数中属于机体（机身、机翼、尾翼、舱盖）方面的占15%；属于燃油、气压和液压方面的占50%～60%；属于无线电和电气设备方面的占25%～35%.由以上事实可以看出：飞机燃油系统一旦发生问题，就会造成不可估量的损失[5]。

军用直升机燃油系统适坠性要求直升机结构在坠毁过程中燃油系统的泄露量要尽可能的少[6-7]。为避免燃油箱在直升机坠毁过程中产生大量泄露，燃油箱与机体结构之间的所有连接点处可采用易碎连接件进行连接。易碎连接件脱离支撑结构所需的载荷，应介于连接系统最薄弱元件最小破坏载荷的25%～50%之间。（连接件的破坏载荷可用分析或试验的方法，根据在坠撞中最可能产生的破坏形式来确定）。

文件 AC29-2C（E）中 29.952（c）中要求：“不论液体导管的尺寸大小，不应采用小于300磅的分离载荷。为了防止地面维修破坏，最小300磅的分离载荷是必需的。”

某直升机燃油箱重力加油口为满足燃油系统适坠性要求，采用了易碎连接方式。在油箱坠毁时，重力加油口处的易碎连接件会产生塑性变形，且与结构蒙皮分离，以此来防止油箱被结构蒙皮拉破而导致燃油泄漏。本文用ANSYS软件对易碎连接件的塑性变形进行了分析，以此验证在重力加油口安装易碎连接件在燃油箱坠毁时可以保护油箱不被拉破，避免产生大量泄露，验证了其设计满足燃油系统适坠性要求，更好地理解燃油系统适坠性设计的原理。

1 重力加油口管路分析

根据有关的实验结果和数据得到，重力加油管路最小极限载荷为5 000 N/5 cm.重力加油口管路上最薄弱的环节在Y型连接处。重力加油口最薄弱处最小极限载荷为5 000×26.4÷5=26 400 N.

2 重力加油口易碎连接件工作原理

易碎连接件安装在重力加油口入口与结构蒙皮处。在直升机燃油箱发生坠撞时，易碎连接件在一定载荷下会产生变形，与结构蒙皮分离，从而防止油箱被结构蒙皮拉破，从而达到保护油箱，避免油箱泄露的作用。

3 易碎连接件变形分析

3.1 易碎连接件有限元模型

本文应用有限元分析软件ANSYS对易碎连接件进行了弹塑性变形分析，单元属性选择壳单元，划分的有限元网格模型如图1所示。

图1 易碎连接件有限元网格

根据燃油箱坠毁时易碎连接件的实际受力情况，将连接件和蒙皮连接处的螺纹孔处进行固定，并在易碎连接件与结构蒙皮贴合区域处施加随时间变化的面载荷，最大面载荷值为5 MPa，如图2所示。

图2 易碎连接件边界条件

3.2 易碎连接件有限元模型塑性变形分析结果

由于Stainless steel 316的延伸率为0.55，所以当易碎连接件变形达到0.55时，可与结构蒙皮分离。根据分析结果得出，在分析载荷步T=2.018时，易碎连接件变形达到0.573 878时，此时对应的面载荷值为2.018 MPa.T=2.018时的应变云图如图3所示。

图3 易碎连接件弹塑性分析应变云图

综合上述实验结果和数据，可以得出当燃油箱坠毁时重力加油口易碎连接件与结构蒙皮断裂的强度拉力最小值为2.018×3 550＝7 164 N.

6 600 N（26 400×25%）＜7 164 N ＜13 200 N.（26 400×25%），同时 7 164 N≮1 334 N（300磅），因此，该易碎连接件满足油箱抗坠毁时保护油箱的要求。

4 结束语

通过对燃油箱重力加油口易碎连接件的塑性变形分析，得出了当油箱坠毁时重力加油口易碎连接件与结构蒙皮断裂的最小强度拉力为7 164 N时，满足在重力加油口管路最薄弱处最小极限破坏载荷的25%～50%之间，同时满足不小于1 334 N.从而验证了此重力加油口易碎连接件的设计能保护油箱在坠毁时不被拉破，同时也为其他燃油系统部件的抗坠毁设计提供了依据。