高可靠单向爆破的民机防爆结构设计

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28297

Abstract

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

CLC Number:

V223

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.

Figures/Tables 28

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Table 1

Fig.5

Table 2

Table 3

Table 4

TNT explosive parameters［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

Table 4

Table 5

Fig.6

Fig.7

Fig.8

Table 6

Fig.9

Table 7

Table 8

Fig.10

Fig.11

Table 9

Table 10

Table 11

Fig.12

Table 12

Table 13

Table 14

Table 15

Output results of K-S test for variables

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

Table 15

Table 16

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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%

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

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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