高可靠单向爆破的民机防爆结构设计

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28297

固体力学与飞行器总体设计

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高可靠单向爆破的民机防爆结构设计

冯蕴雯¹, 林心怡¹, 薛小锋¹(), 杨祥², 刘佳奇¹

^1.西北工业大学航空学院，西安　710072
^2.中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海　201210

收稿日期:2022-11-22 修回日期:2023-01-30 接受日期:2023-03-03 出版日期:2023-09-25 发布日期:2023-03-03
通讯作者: 薛小锋 E-mail:xuexiaofeng@nwpu.edu.cn

Design of civil aircraft explosion-proof structure for high reliable one-way blasting

Yunwen FENG¹, Xinyi LIN¹, Xiaofeng XUE¹(), Xiang YANG², Jiaqi LIU¹

^1.School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 　710072，China
^2.Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 　201210，China

Received:2022-11-22 Revised:2023-01-30 Accepted:2023-03-03 Online:2023-09-25 Published:2023-03-03
Contact: Xiaofeng XUE E-mail:xuexiaofeng@nwpu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

基于适航条款FAR25.795和咨询通告AC25.795-6，结合灾难性故障状态对飞机和乘客的影响程度，确定最小风险炸弹位置（LRBL）结构的设计要求是结构实现单向爆破功能的概率大于1-10^-9，提出了一种高可靠单向爆破的LRBL结构的设计技术。首先根据LRBL结构将爆炸产生的能量沿指定方向释放到客舱外部的防爆原理，设计LRBL结构方案是由端盖、罐体以及剪切销三部分组成的圆筒结构，然后利用LS-DYNA软件对内爆作用下LRBL结构的塑性应变进行研究，分别讨论了不同炸药位置和结构尺寸对LRBL结构各危险部位塑性应变的影响，最后开展了LRBL结构实现单方向爆破功能的可靠性分析，利用拉丁超立方抽样获取输入样本，通过爆炸仿真获得输出样本，采用K-S检验分析其概率分布特征，并基于故障树模型计算可靠度。结果表明：所提出的结构厚度为20 mm、剪切销直径为14 mm的LRBL结构设计方案，其实现单方向爆破功能的概率为1-4.07×10^-10，能够满足LRBL结构的设计要求，可为国产飞机LRBL结构的适航验证和适航审定提供技术支撑。

关键词: 最小风险炸弹位置, 结构设计, 可靠性分析, 内爆作用, 民机

Abstract:

Based on FAR25.795 and AC25.795-6， and considering the degree of influence of catastrophic failure states on aircraft and passengers， the design of the Least Risk Bomb Location （LRBL） structure requires that the probability of achieving a one-way blasting function for the structure is larger than 1-10^-9. A design technology of LRBL structure with high reliability unidirectional blasting is proposed. Firstly， according to the explosion-proof principle of the LRBL structure to release the energy generated by the explosion to the outside of the cabin in the specified direction， the preliminary design of the LRBL structure scheme is a cylinder structure composed of three parts： end cover， tank， and shear pin； secondly， LS-DYNA software is used to study the plastic strain of the LRBL structure under implosion， and the influence of different explosive positions and structural sizes on the plastic strain of each dangerous part of the LRBL structure is discussed. Finally， the reliability analysis of the one-way blasting function of the LRBL structure is carried out， the input sample and the output sample obtained by Latin hypercube sampling and explosion simulation， respectively， the probability distribution characteristics analyzed by the K-S test， and the reliability calculated based on the fault tree model. The results show that the proposed LRBL structure design scheme with a structural thickness of 20 mm and a shear pin diameter of 14 mm has a probability of 1-4.07×10^-10 in one direction， satisfying the design requirements of the LRBL structure and providing technical support for the airworthiness verification and airworthiness certification of domestic aircraft LRBL structures.

Key words: least risk bomb location (LRBL), structural design, reliability analysis, implosion effect, civil aircraft

中图分类号:

V223

冯蕴雯, 林心怡, 薛小锋, 杨祥, 刘佳奇. 高可靠单向爆破的民机防爆结构设计[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 228297-228297.

Yunwen FENG, Xinyi LIN, Xiaofeng XUE, Xiang YANG, Jiaqi LIU. Design of civil aircraft explosion-proof structure for high reliable one-way blasting[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(18): 228297-228297.

图/表 28

图 1

图 2

图 3

图 4

表 1

图 5

表 2

表 3

表 4

TNT炸药参数［34-35］

模拟参数	数值
密度/（kg·mm^-3）	1.63×10^-6
爆速/（mm·ms^-1）	6 930
爆压/GPa	21
A₂/GPa	374
B₂/GPa	3.74
R₁	4.15
R₂	0.90
$ω$	0.35
E₁	6.00
V₁	1

表 4

表 5

图 6

图 7

图 8

表 6

图 9

表 7

表 8

图 10

图 11

表 9

表 10

表 11

图 12

表 12

表 13

表 14

表 15

输出变量的K-S检验结果

序号	输出变量	$D n$	显著性水平	$D n, α$
1	罐体体壁塑性应变Y₁	0.157 4	0.05	0.241 7
2	罐体孔边塑性应变Y₂	0.124 2
3	罐体凸台塑性应变Y₃	0.115 4
4	装填端盖凸台塑性应变Y₄	0.076 9
5	装填端盖底部塑性应变Y₅	0.081 3
6	破坏端盖孔边塑性应变Y₆	0.114 8

表 15

表 16

参考文献 38

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

序号	危险部位	受载情况	失效模式
1	罐体体壁	均布内压力	拉压破坏
2	罐体孔边	挤压	挤压破坏
3	罐体凸台	挤压、剪切	挤压/剪切破坏
4	装填端端盖凸台	挤压、剪切	挤压/剪切破坏
5	装填端端盖底部	均布内压力	拉压破坏
6	破坏端端盖孔边	挤压	挤压破坏
7	剪切销	剪切	剪切破坏

参数	数值	参数	数值
密度/（kg·mm^-3）	4.43×10^-6	A/GPa	0.953
弹性模量/GPa	105.4	B/GPa	0.467
泊松比	0.342	n	0.614
失效塑性应变	0.25	C	0.017
参考应变率/s^-1	1×10^-3

模拟参数	数值
密度/（kg·mm^-3）	7.78×10^-6
弹性模量/GPa	196.507
泊松比	0.27
失效塑性应变	0.2
SIGY/GPa	1.077
ETAN/GPa	1.22
BETA	1

模拟参数	数值
初始密度/（kg·m^-3）	1.225
C₀、C₁、C₂、C₃、C₆	0
C₄	0.4
C₅	0.4
E₀	2.533×10^-4
V₂	1

炸药当量/g	传感器种类	试验数据/MPa	仿真数据/MPa	最大偏差
60	压电式传感器	1.4	1.27	-9.29%
60	压阻式传感器	1.2	1.27	5.83%

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危险部位	等效塑性应变
罐体体壁	0.024 6
罐体孔边	0.207 0
罐体凸台	0.056 6
装填端端盖底部	0.102 0
破坏端端盖孔边	0.036 7

方案编号	罐体体壁	相对变化	罐体孔边	相对变化	罐体凸台	相对变化	装填端盖凸台	相对变化	装填端盖底部	相对变化	破坏端盖孔边	相对变化	剪切销
1	0.152		0.242		0.241		0.235		0.167		0.033		0.2
2	0.052	-65.8%	0.116	-52.1%	0.218	-9.5%	0.097	-58.7%	0.093	-44.3%	0.118	257.6%	0.2
3	0.053	-65.1%	0.124	-48.8%	0.103	-57.3%	0.082	-65.1%	0.068	-59.3%	0.121	266.7%	0.2
4	0.056	-63.2%	0.052	-78.5%	0.080	-66.8%	0.080	-66.0%	0.062	-62.9%	0.113	242.4%	0.2
5	0.056	-63.2%	0.115	-52.5%	0.038	-84.2%	0.028	-88.1%	0.036	-78.4%	0.086	160.6%	0.2

输入变量	参数均值	标准差	分布形式
TNT当量/g	230	13.8	正态分布
Ti-6Al-4V弹性模量/GPa	102	5.1	正态分布
Ti-6Al-4V屈服强度/GPa	0.938	0.047	正态分布

序号	罐体			装填端端盖		破坏端盖孔边Y₆	剪切销Y₇
序号	体壁Y₁	孔边Y₂	凸台Y₃	凸台Y₄	底部Y₅	破坏端盖孔边Y₆	剪切销Y₇
1	0.061 0	0.052 5	0.075 7	0.080 0	0.061 8	0.125	0.2
2	0.030 9	0.060 1	0.099 2	0.082 5	0.067 5	0.122	0.2
3	0.034 6	0.053 3	0.060 4	0.063 5	0.047 4	0.146	0.2
4	0.048 9	0.040 4	0.073 6	0.076 5	0.056 4	0.106	0.2
5	0.057 8	0.062 9	0.074 3	0.073 3	0.057 5	0.125	0.2
6	0.035 4	0.049 3	0.064 9	0.069 4	0.049 7	0.12	0.2
7	0.047 4	0.057 9	0.071 0	0.072 7	0.054 7	0.124	0.2
8	0.055 1	0.053 8	0.080 7	0.078 1	0.062 2	0.131	0.2
9	0.040 6	0.050 8	0.101 0	0.087 2	0.071 7	0.126	0.2
10	0.036 0	0.051 9	0.094 0	0.085 8	0.070 6	0.131	0.2
11	0.059 7	0.051 3	0.079 2	0.077 0	0.061 0	0.122	0.2
12	0.030 8	0.049 1	0.087 3	0.084 5	0.067 6	0.126	0.2
13	0.029 4	0.051 7	0.058 7	0.062 6	0.046 9	0.137	0.2
14	0.043 0	0.050 5	0.079 1	0.076 3	0.060 2	0.115	0.2
15	0.061 0	0.058 1	0.079 1	0.075 0	0.059 4	0.135	0.2
16	0.036 4	0.070 3	0.068 7	0.068 3	0.053 0	0.127	0.2
17	0.033 5	0.057 3	0.072 4	0.070 9	0.055 7	0.139	0.2
18	0.054 9	0.054 4	0.070 6	0.072 7	0.055 5	0.117	0.2
19	0.029 3	0.045 0	0.093 9	0.087 6	0.070 2	0.119	0.2
20	0.031 5	0.043 8	0.084 7	0.084 9	0.065 4	0.113	0.2
21	0.033 3	0.055 0	0.065 5	0.065 2	0.050 1	0.142	0.2
22	0.039 3	0.049 2	0.094 8	0.088 6	0.071 7	0.123	0.2
23	0.064 2	0.064 3	0.088 1	0.083 8	0.068 1	0.143	0.2
24	0.053 8	0.061 6	0.079 8	0.075 8	0.060 7	0.148	0.2
25	0.059 4	0.053 9	0.077 4	0.080 9	0.062 7	0.126	0.2
26	0.041 7	0.055 1	0.064 2	0.066 0	0.048 8	0.107	0.2
27	0.050 8	0.067 0	0.076 0	0.073 7	0.058 8	0.135	0.2
28	0.028 2	0.045 9	0.081 8	0.081 2	0.063 0	0.118	0.2
29	0.054 4	0.051 1	0.081 4	0.078 8	0.062 7	0.129	0.2
30	0.025 8	0.047 6	0.077 6	0.082 1	0.062 4	0.116	0.2

序号	输出变量	均值	标准差	分布形式
1	罐体体壁塑性应变Y₁	0.043 6	0.012 1	正态分布
2	罐体孔边塑性应变Y₂	0.053 8	0.006 8
3	罐体凸台塑性应变Y₃	0.078 5	0.011 0
4	装填端端盖凸台塑性应变Y₄	0.076 8	0.007 4
5	装填端端盖底部塑性应变Y₅	0.060 1	0.007 3
6	破坏端端盖孔边塑性应变Y₆	0.126 4	0.017 8
7	剪切销塑性应变Y₇	0.2

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材料	失效等效塑性应变
Ti-6Al-4V	0.25
15-5PH不锈钢	0.20

方案编号	结构厚度/mm	销直径/mm	炸药位置
1	10	20	3
2	15	20	3
3	20	20	3
4	20	14	3
5	20	10	3

序号	载荷	材料性能（Ti-6Al-4V）
序号	TNT当量/g	弹性模量/GPa	屈服强度/GPa
1	231.734 1	93.611 2	0.943 9
2	239.308 0	110.388 8	0.860 7
3	207.301 0	102.640 9	0.956 1
4	235.317 4	100.034 9	1.015 3
5	224.682 6	101.359 1	0.932 1
6	215.697 2	96.714 2	0.986 7
7	220.692 0	98.560 1	0.969 7
8	228.265 9	107.285 8	0.906 3
9	252.699 0	103.965 1	0.919 9
10	244.302 8	105.439 9	0.889 3
11	229.134 6	103.625 1	0.929 1
12	242.897 3	96.133 2	0.909 9
13	202.952 5	104.314 2	0.959 3
14	234.397 2	111.995 8	0.953 0
15	225.602 8	102.964 5	0.883 9
16	214.125 2	106.766 4	0.935 1
17	217.102 7	105.048 6	0.923 0
18	227.390 2	101.035 5	0.973 5
19	257.047 5	101.680 2	0.981 9
20	245.874 8	99.685 8	0.992 1
21	210.134 5	105.852 6	0.894 1
22	249.865 5	97.233 6	0.946 9
23	232.609 8	98.147 4	0.845 9
24	223.738 1	98.951 4	0.870 3
25	230.865 4	92.004 2	0.940 9
26	219.575 3	109.341 6	1.030 1
27	221.750 9	102.319 8	0.902 5
28	240.424 7	100.374 9	0.966 1
29	236.261 9	107.866 8	0.916 7
30	238.249 1	94.658 4	1.005 7