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直升机燃油箱抗坠毁易断螺栓设计与分析

范文

张驰

摘要：介绍了直升机燃油箱抗坠毁易断螺栓的工作条件，利用有限元分析软件对易断螺栓进行了仿真分析，验证了易断螺栓在直升机在正常使用时，不会产生永久变形或破坏;在直升机发生坠毁时，易断螺栓发生断裂，不会撕裂燃油箱，并通过试验验证了仿真结果，易断螺栓的设计满足抗坠毁要求。

关键词：直升机;燃油系统;抗坠毁;易断螺栓

中图分类号：TB ? ? 文献标识码：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.23.101

1 引言

直升机抗坠毁能力是指在发生意外坠毁事故时，机体及其内部系统防止空勤人员受到伤害的能力。燃油系统中因存储大量航空煤油，存在泄漏引起火灾甚至爆炸的风险。因此，提高燃油系统的抗坠毁能力，是提升直升机抗坠毁生存率的重要保证。其中，用于贮存燃油的燃油箱，需具备相应的抗坠毁能力，需对燃油箱的固定进行适坠性设计。

2 易断螺栓结构及工作條件

根据CCAR-29-R1运输类旋翼航空器适航规定要求，将直升机的燃油箱安装在燃油箱舱内，装入80%容量的水，从15.2m高度自由下落并以水平位置±10°碰撞在不变形的地面后，应无燃油泄漏。为满足以上条件，需采用抗坠毁燃油箱，并对燃油箱的固定及其成附件的安装进行适坠性设计。

其中，为防止燃油箱在坠毁触地的过程中，强度较高的油箱舱平台结构撕裂橡胶燃油箱，可采用易断螺栓进行连接。易断螺栓的安装如图1所示。易断螺栓的设计一方面要保证在正常使用的载荷下易断螺栓不被破坏，提供燃油箱和结构的固定安装的功能;另一方面在发生坠撞的情况下易断螺栓出现预期的断开，确保被连接燃油箱不被撕裂或破坏。因此，需要在易断螺上设置薄弱环节，结构如图2所示。

3 易断螺栓的仿真分析

根据CCAR-29-R1要求，易碎的或易变形的连接件的极限强度必须满足下列要求：

（1）将易碎连接件从其支撑结构上分开或使局部易变形连接件相对于其支撑结构变形所需要的载荷，必须为被连接系统中最弱的部件的最小极限载荷（强度）的25%-50%之间，任何情况下该载荷不得小于136kg（1334N）。

（2）易碎的或局部易变形的连接件必须在最可能发生的方式下施加极限载荷时分开或局部变形。

（3）在最可能发生的方式下施加极限载荷时，易碎的或局部易变形的连接件必须能够分开或局部变形。

（4）所有易碎的或局部易变形的连接件必须符合疲劳评定的要求。

根据以上要求，对易断螺栓进行设计，并进行有限元仿真。

3.1 易断螺栓的有限元模型

对易断螺栓三维数模（见图3）进行适当简化，建立有限元网格模型。对易断螺栓的网格划分采用四面体网格划分，薄弱区域作为失效可能性大的部位采用较高的网格密度，共生成15428个单元。易断螺栓材料选用304L不锈钢，材料模型选用LS-DYNA中的MAT_MODIFIED_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY。304L不锈钢的材料属性见表1。

3.2 LS-DYNA仿真结果

模拟易断螺栓的实际工作情况，将螺栓的顶部固定，在底部沿Z轴对易断螺栓施加最大值为10mm的线性位移，如图4所示。由仿真结果可知，易断螺栓失效断开的拉力为5911N，屈服极限值为3000N，仿真结果见图5。

3.3 仿真结果分析

直升机在飞行时对易断螺栓施加的载荷为38N，硬着陆时为48N，都小于易断螺栓的屈服极限3000N，表明直升机在正常使用时，不会产生永久变形或破坏。

橡胶油箱壁的连接部位的长度为65.8cm，如图1中虚线位置所示。该部位油箱壁的撕裂强度为8100N/5cm，因此引起该部位油箱发生泄漏的撕裂拉力F=65.8×8100/5=106596N。根据CCAR-29-R1要求，由可生存撞击引起的载荷不得大于极限载荷的25%～50%，该部位采用2个易断螺栓进行连接，所以单个易断螺栓的断开载荷FU不得大于25%×106596÷2～25%×106596÷2之间，即FU ≤13324.5N～26649N。仿真分析结果表明易断螺栓的拉断载荷为5911N，满足要求。在直升机发生坠毁时，易断螺栓会发生断裂，不会撕裂燃油箱，详见表2。

4 易断螺栓拉脱试验

在实验室中将易断螺栓安装在专用夹具上，一端与夹具内螺纹连接，另一段与拉伸机连接，以100mm/min速度匀速加载，直至试验件破坏，其中一件易断螺栓试验载荷位移见图6。

5 结论

通过对易断螺栓的仿真分析，得出了易断螺栓断开的拉力为5911N，符合使用及抗坠毁要求，实验室试验验证了易断螺栓的设计及仿真分析结果。为燃油系统抗坠毁零部件的设计提供了参考。

参考文献

[1]杨嘉陵，吴卫华.武装直升机抗坠毁设计研究[J].航空发动机，2001，（37）：5.

[2]中国民用航空总局.CCAR-29-R1.运输类旋翼航空器适航规定 [S].2002.

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