关于冲压空气涡轮转子爆破的研究

张成宇

摘 要：RAT（Ram Air Turbine沖压空气涡轮发电机）转子爆破属于民航适航局方要求的离散元损伤之一，为满足适航要求，需要对RAT进行转子爆破分析。本文通过CATIA对RAT爆破转子的运行轨迹进行建模仿真，提出了针对RAT转子爆破结构设计方案，并通过动态学FEM（有限元）LS-Dyna数字化模拟方法验证结构能满足设计需求。

关键词：RAT；转子爆破；CATIA建模仿真；结构优化设计；FEM；LS-Dyna模拟

0 引言

冲压空气涡轮是在发动机出现故障，失去动力或动力严重不足的情况下工作的，以产生紧急备用动力。联邦航空管理局（FAA）曾发布咨询通告AC20-128A，为实现把飞机系统转子爆破的危害降至最小的目标提供了指南。但对于如何确定转子爆破对机体结构的危害，却没有给出相关的指导性意见，在国际航空业界也没有形成定论。本文提出了一套行之有效的应对RAT转子爆破的方法。

1 RAT转子爆破分析

当飞机选用RAT型号确定后，其相应参数也就随之确定，比如：RAT最大转速、转子尺寸等。RAT碎片飞散区、飞散角等，在咨询通告AC20-128A中都有规定。

我们可以通过创建RAT的CATIA模型，并模拟RAT实际工作情况。通过分析RAT旋转叶片的飞散角来展示RAT转子爆破的运行轨迹。通过分析这些轨迹，找到对周边结构影响最大的区域和部件，并定义为潜在的RAT转子爆破风险区。分析所有飞散叶片的运动轨迹，可以得出RAT转子爆破对机身结构的影响区间，即RAT转子和机身结构的撞击隐患区，因此需要在这个区域设计保护板，以保护内部系统和防止穿透机身增压区风险。

在仿真数模中，可以求得撞击隐患最小区域尺寸。在RAT转子爆破飞散轨迹和机身结构的重叠部分，建立弹道防护板，可以选择结构内部埋藏式以不影响飞机空气动力，或选择外置弹道防护板。

2 防护结构尺寸计算

通过RAT转子如材料、重心、最大转速和质量等关键参数求出弹道防护板的最小厚度。

应用公式，以计算阻挡碎片的弹道板的需求厚度

t = 目标厚度

EA = 碎片动能

L = 碎片目标长度

T = 动态学剪切模量

θ = 倾斜度

通过以上公式，我们可以计算出最小需求弹道防护板板厚尺寸。

3 数字化模拟验证

3.1 结构离散化建模

通过动态学FEM（有限元）LS-Dyna来对机身结构保护板进行分析。建立RAT周边结构的离散化模型后，定义目标网格大小。应用LS-Dyna对RAT转子叶片建模，针对单元素穿透一定厚度结构的弯曲问题进行数字化模拟分析。对建立的LS-Dyna模型进行评估，比如翘曲、弦向偏差等方面，对建立的模型质量进行足够的分析。

3.2 建立边界条件和模拟分析

建立边界条件，比如对连接点建立垂直约束、对被删减的框建立对称界面条件、对相应边界建立垂直和横向支持等边界条件。

3.3 动态学有限元结果

选定整片RAT叶片模型作为威胁条件，对所有飞散角进行分析，研究防护板应对威胁的情况。

通过分析，选取最严重的损伤对应的飞散角。在这种情况下，叶片的动态学分析见图1。由于叶片高速旋转，叶片击中保护板后会产生回弹。

4 结论

本文通过对RAT转子爆破的研究，提出了结构设计应对策略。并通过结构尺寸计算和数字化模拟分析加以验证，最终证明该设计理念在可靠性和安全性上是有效的。对于飞机设计，我们不仅要考虑全面的细节问题，还要关注利益攸关者需要。并根据这些情况进行具体的分析比较及强度计算以确定方案。只有这样才能实现可靠设计、优化设计和创新性设计。

参考文献

[1]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册：第10分册 结构设计[M].北京：航空工业出版社，2000.

[2]牛春匀.实用飞机结构设计[M].北京：国防工业出版社，1983.

[3]陶梅贞.现代飞机综合结构设计[M].西安：西北工业大学出版社，2003.

（作者单位：中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司）