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基于三維軟件輔助的輪胎爆破特定風(fēng)險評估方法研究

Research for Assessment Method of Wheel and Tyre Failure Particular Risk Based on the 3D Model Building Software

呂軍 / Lü Jun

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海200232)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 200232，China)

0引言

民用航空規(guī)章FAR/CCAR 25 .729(f)條和SAE ARP 4761 提出，民用飛機(jī)在設(shè)計時，需評估輪胎爆破特定風(fēng)險所產(chǎn)生的高壓/碎片對關(guān)鍵系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的安全性影響。目前，國內(nèi)針對輪胎爆破僅ARJ21-700飛機(jī)走完此符合性驗(yàn)證流程。2014年EASA發(fā)布了CS 25.734及其可接受符合性方法AMC25.734《Protection against wheel and tyre failures》，對輪胎爆破的模式進(jìn)行了完善，現(xiàn)已被中國民航CAAC認(rèn)可，并作為國產(chǎn)新研大型客機(jī)輪胎爆破的適航規(guī)章要求。

本文采用偏安全的假設(shè)、以三維建模軟件為分析工具和手段，對此條款的適航符合性支持方法進(jìn)行探討和研究。

1條款要求和背景說明

輪胎爆破是民用飛機(jī)在實(shí)際運(yùn)營中經(jīng)常發(fā)生的風(fēng)險，輪胎爆破產(chǎn)生的高壓氣流/碎片等可能打壞起落架、機(jī)翼、平尾等機(jī)身結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)，嚴(yán)重影響飛行和人員安全，甚至造成災(zāi)難性的后果[6]。針對這一危害，航空界在過去的幾十年中，采用了以下有效的措施來降低此風(fēng)險[7-8]：

(1)沖氮?dú)獾姆圯喬ィ?2)胎壓監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)；(3)改進(jìn)的機(jī)輪壓力釋放特性；(4)剎車溫度監(jiān)控系統(tǒng)(BTMS)；(5)發(fā)布FAA/JAA 規(guī)章或TGM[9]臨時指導(dǎo)材料；(6)改進(jìn)的翻修檢查設(shè)備和技術(shù)。

其中JAA(Joint Aviation Authorities)發(fā)布的臨時指導(dǎo)材料(TGM)提供給飛機(jī)制造商一個在研制階段定義飛機(jī)輪胎和機(jī)輪危險的可用方法，并且已被用來表明對Joint Aviation Requirements，JAR 25.729(f) 和 JAR 25.1309等條款的符合性。這一臨時指導(dǎo)材料給出了爆破輪胎、失效輪胎和輪緣脫落的風(fēng)險區(qū)域。但它對滿足最新要求的設(shè)備或不同結(jié)構(gòu)/技術(shù)類型的輪胎(斜交胎及子午胎)沒有提供參照，也沒有對TSO - C135[10](在TGM之后發(fā)布的)中所要求的整合釋壓裝置的機(jī)輪提供參考。

有鑒于此，歐洲航空安全委員會在大量的輪胎爆破事件數(shù)據(jù)搜集和研究的基礎(chǔ)上，于2013年底發(fā)布的CS-25 AMENDMENT 14[11]中，刪除了原有的CS.25.729(f)“Retracting mechanism”，新增加了CS.25.734“Protection against wheel and tyre failures”，并且發(fā)布了相應(yīng)的可接受的符合性方法AMC.25.734，此修正案在征詢各方反饋意見修改后于2014年正式發(fā)布。

根據(jù)AMC25.734的定義，輪胎爆破模式根據(jù)收放狀態(tài)和輪胎爆破或胎面脫落形式一般有以下幾種模式，如表1所示。

表1　民用飛機(jī)適用的輪胎爆破模式

2基于三維模型的輪胎爆破的評估

在開展輪胎爆破具體分析時，可基于機(jī)輪和輪胎的風(fēng)險模型來開展。一方面，通過早期對系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)數(shù)模的檢查來消除由于設(shè)計或布置原因所導(dǎo)致的災(zāi)難性/危險性失效。另一方面，通過這一過程來增強(qiáng)供應(yīng)商和系統(tǒng)設(shè)計團(tuán)隊(duì)針對機(jī)輪和輪胎失效場景的設(shè)計自主性。

設(shè)計人員通常基于三維建模軟件(如CATIA)，按照滿足適航要求的輪胎爆破失效模式，依據(jù)TRA(Tyre and Rim Associate Standard)[12]中飛機(jī)輪胎的物理尺寸參數(shù)，基于合理保守性假設(shè)建立起各個機(jī)輪和輪胎失效模式的仿真模型[13]。

2.1　滿足適航要求的機(jī)輪和輪胎失效模式

因篇幅有限，本文僅以輪胎碎片模式為例。根據(jù)AMC25.734，當(dāng)輪胎與地面接觸時發(fā)生的爆破會拋射出輪胎碎片，需要考慮兩種尺寸的輪胎碎片，這兩類輪胎碎片主要認(rèn)為來自于輪胎胎面，碎片的拋射區(qū)域如圖1所示。

(1)“大碎片”尺寸為WSG×WSG，厚度為完整胎面與最外面的簾線層厚度(例如，增強(qiáng)層或者保護(hù)層)。拋射范圍角度θ為15°。

(2)“小碎片”主要指其質(zhì)量為整個輪胎質(zhì)量1%的碎片，其沖擊載荷分布面積為胎面總面積的1.5%。拋射范圍角度θ為30°。

圖1　輪胎碎片模型

2.2　獲取飛機(jī)輪胎相關(guān)的物理參數(shù)

目前子午胎已在民用飛機(jī)上廣泛采用，其輪胎包線如圖2所示，假設(shè)新研飛機(jī)主起輪胎采用的子午胎型號為46×17.0R20，查找TRA中對應(yīng)的數(shù)據(jù)，可得到表2中用于建模的參數(shù)。

圖2　輪胎包線尺寸示意圖

參數(shù)DDGWSGWG主起輪胎508mm1207mm405.13mm449.58mmD=輪緣直徑,DG=輪胎直徑,WSG=最大膨脹輪胎胎肩斷面寬度,WG=最大膨脹輪胎斷面寬度

2.3　模型建立假設(shè)

在建立輪胎爆破仿真模式時，作如下合理和保守性假設(shè)：

(1)受輪胎爆破影響區(qū)域的設(shè)備，如其許用承力范圍小于爆破產(chǎn)生的作用力大小(輪胎爆破—起落架收上時受高壓氣流沖擊波作用，其它模式下為輪胎/輪緣碎片撞擊或胎帶抽打力作用)，則認(rèn)為被沖擊設(shè)備失效;反之，需提供分析材料來證明設(shè)備仍能正常工作；

(2)暴露在輪胎爆破影響下的液壓管路和電纜都失效，即便這些管路和電纜安裝在那些無防護(hù)特性并且不能承受輪胎爆破沖擊載荷影響的結(jié)構(gòu)部件之后；

(3)碎片不會從其原始軌跡偏離。

2.4　建立輪胎碎片模式的三維仿真模型

定義輪胎碎片向后拋射并與水平地面之間的夾角為α(0~135°，如圖1所示)，輪胎碎片與機(jī)輪平面之間的夾角為θ(大碎片為-15°~15°，小碎片為-30°~30°)，以飛機(jī)坐標(biāo)系為依據(jù)，在三維建模軟件中嚴(yán)格按照起落架和輪胎放下時的物理位置(需考慮最大起飛重量下起落架放下時的壓縮行程)，建立以輪胎碎片掃掠角θ和拋射角α為變量的運(yùn)動模型(如圖3所示)，相應(yīng)的模型組成如表3所示。

表3　輪胎碎片掃掠模型組成

圖3　輪胎碎片三維運(yùn)動仿真模型

2.5　基于輪胎碎片仿真模型開展評估

將需要檢查的系統(tǒng)/部件加載進(jìn)輪胎碎片掃掠模型，進(jìn)入DMU Kinematics Simulator模塊(數(shù)模運(yùn)動仿真模塊)，當(dāng)輪胎碎片掃掠模型在運(yùn)動過程中與待檢查的系統(tǒng)/部件發(fā)生碰撞，記錄下此時影響該設(shè)備的掃掠角θ和拋射角α的角度范圍(如圖4所示)，按照表4所示的結(jié)構(gòu)化分析方法，借助FMEA識別受影響系統(tǒng)設(shè)備的故障模式，并根據(jù)系統(tǒng)功能危險性分析SFHA、系統(tǒng)故障樹SFTA等確定各個設(shè)備相關(guān)的系統(tǒng)級功能失效狀態(tài)，并追溯到相關(guān)的飛機(jī)級功能和飛機(jī)級功能危險。同時，如有必要可以進(jìn)行定量計算，確定與此失效狀態(tài)相應(yīng)的風(fēng)險概率。

圖4　輪胎碎片掃掠模型的使用

2.6　對所發(fā)現(xiàn)風(fēng)險事件的處理

在進(jìn)行輪胎爆破風(fēng)險評估時，需重點(diǎn)關(guān)注會否發(fā)生以下風(fēng)險事件：

(1)輪胎爆破引起的輪胎失壓；

(2)由輪胎爆破導(dǎo)致飛機(jī)最大運(yùn)行海拔狀況下的快速失壓；

(3)由輪胎爆破導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)多條液壓源管道功能喪失；

表4　輪胎碎片撞擊影響表(示例)

(4)由于收起時輪胎爆破的影響，導(dǎo)致起落架不能收上或艙門關(guān)閉；

(5)由于輪胎爆破產(chǎn)生碎片的撞擊，導(dǎo)致潛在的燃油箱破裂；

(6)輪胎爆破時，對飛控系統(tǒng)、機(jī)翼后緣結(jié)構(gòu)等的影響；

(7)輪胎爆破碎片對發(fā)動機(jī)的影響(碎片是否會被吸入發(fā)動機(jī)中)。

針對使用模型時所發(fā)現(xiàn)的上述危險事件(如表4中縫翼非對稱運(yùn)動過限的I級失效狀態(tài))，對相關(guān)機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證、動強(qiáng)度和損傷容限分析后，明確判斷輪胎爆破會導(dǎo)致此I，II類失效狀態(tài)，則應(yīng)制定相應(yīng)的設(shè)計更改方案或防護(hù)措施，并提供相關(guān)設(shè)計更改方案或防護(hù)措施有效性的證據(jù)，從而將此I，II類功能危險事件予以消除或減緩到可接受的安全性水平。

3結(jié)論

本文提出了基于三維仿真軟件輔助的輪胎爆破安全性評估方法，給出了建立仿真模型的方法和風(fēng)險評估步驟。按照此方法在新型飛機(jī)的研制周期里盡早開展輪胎爆破的評估工作，并隨研制進(jìn)度不斷迭代，可以有效地支持民用飛機(jī)輪胎爆破的適航取證工作。

參考文獻(xiàn)：

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[10]TSO - C135. Transport Airplane Wheels and Wheel and Brake Assemblies[S].2002.5.

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[12]Tire and Rim Association(TRA) aircraft yearbook[S]. 2009.

[13]曾令慧，陳麗華.CATIA應(yīng)用基礎(chǔ)[M]．杭州：浙江大學(xué)出版社，2013：165-182.

摘要：

采用偏安全的假設(shè)，建立了符合CS25.734[1]及AMC25.734[2]的輪胎爆破三維仿真模型，對中國民用航空規(guī)章FAR/CCAR25. 729(f)[3-4]及SAE ARP 4761[5]中提出的輪胎爆破風(fēng)險給出了安全性評估的方法。用分析的方法支持此適航規(guī)章條款的符合性驗(yàn)證工作。

關(guān)鍵詞：輪胎爆破；特定風(fēng)險；安全性評估

[Abstract]By means of technical hypothesis, creating the wheel and tyre failure 3D models in accordance with the regulation of CS25.734[1]and AMC25.734[2]，and giving the safety assessment method for the wheel and tyre failure risk which brought forward by FAR/CCAR25. 729(f)[3-4]and SAE ARP 4761[5].The analytical methods support the compliance work of the airworthiness regulation items.

[Key words]wheel and tyre failure；particular risk；safety assessment

中圖分類號：V226+.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A