郭 山，謝 莉，劉傳欣，侯 亮，柴象海，張樹彥

(中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241)

飛機(jī)在起、降過程中，很有可能遭遇鳥類撞擊，據(jù)聯(lián)邦航空局統(tǒng)計，在1990年至2015年間，共有16636起鳥類撞擊飛機(jī)引擎的報告，其中27%的事件中發(fā)動機(jī)受到了實際損傷。為了降低鳥撞帶來的風(fēng)險，應(yīng)提高發(fā)動機(jī)整機(jī)及部件的抗鳥撞能力。

安裝于發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道近風(fēng)扇機(jī)匣前安裝邊處的T12傳感器用于實時測量風(fēng)扇進(jìn)口特定截面的總溫，該傳感器將測得的溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號后輸出給電子控制器(EEC)，經(jīng)過一系列邏輯處理后參與發(fā)動機(jī)控制。根據(jù)《航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)定》(CCAR-33R2)中第33.76條“吸鳥”相關(guān)規(guī)定，識別出該傳感器屬于發(fā)動機(jī)前部部件，暴露在進(jìn)氣道內(nèi)，有可能遭遇鳥撞[1-2]。

在適航符合性驗證中，需要通過分析和試驗證明發(fā)動機(jī)前部部件(包括T12傳感器)受到單只大鳥撞擊后不會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停機(jī)等其他CCAR-33R2中第33.76條(b)(3)、(c)(4)、(d)(6)要求的任何情況發(fā)生[1]。為了達(dá)到符合性驗證相關(guān)要求，T12傳感器應(yīng)至少避免鳥撞后發(fā)生斷裂或脫落對其他部件造成危害。

1 范圍

在CCAR-33R2中第33.76條規(guī)定的條件下，利用HyperMesh軟件建立T12傳感器初期設(shè)計模型單只大鳥鳥撞有限元模型，并利用LS-DYNA顯式有限元分析軟件進(jìn)行計算分析，通過對初期模型仿真計算結(jié)果的觀察，進(jìn)行有針對性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并再次對優(yōu)化方案進(jìn)行仿真驗證，完成本輪設(shè)計優(yōu)化[3]。

2 優(yōu)化總體思路

考慮到明膠鳥彈[4-5]自身的尺寸大小和傳感器的幾何尺寸，明膠鳥彈按一定速度和方向沖擊傳感器時，將在傳感探針部位形成剪切力作用，造成傳感器損傷。在傳感器初期模型材料選定的情況下，從優(yōu)化理論上看，本次優(yōu)化主要涉及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化等[6]。

尺寸優(yōu)化上考慮縮短傳感器的探針長度減少受力面積，從而降低撞擊破壞程度；形狀優(yōu)化上考慮增加壁厚提升傳感器自身強(qiáng)度。

3 初期模型的仿真及結(jié)果分析

3.1 仿真計算輸入

3.1.1 幾何模型

T12傳感器通常主要由插座、蓋、安裝座、外殼組合、感溫元件組合、減振墊片等零部件組成，T12傳感器通過支座采用螺栓安裝在風(fēng)扇葉片前方的進(jìn)氣道內(nèi)壁板處，受感部伸入進(jìn)氣道中。內(nèi)壁板結(jié)構(gòu)包括上面板、蜂窩芯及下面板，T12傳感器安裝環(huán)境示意圖如圖1所示。研究的傳感器初期模型暴露于內(nèi)壁板的探針長度為70.47 mm，如圖2所示。

圖1 T12傳感器安裝環(huán)境示意圖

圖2 T12傳感器暴露于內(nèi)壁板外尺寸

3.1.2 材料參數(shù)

本次仿真分析使用傳感器實際材料，其材料性能參數(shù)采用手冊材料參數(shù)[7]。軟件設(shè)置關(guān)鍵點包括：① 傳感器外殼和內(nèi)芯采用塑性材料模型，并設(shè)置材料塑性應(yīng)變失效值。② 進(jìn)氣道內(nèi)壁板上下面板為復(fù)合材料，在仿真時假設(shè)為彈性材料。③ 安裝座、螺栓、墊片等在仿真時采用彈性材料模型[8-10]。

3.1.3 鳥撞參數(shù)

根據(jù)CCAR-33R2中第33.76條適航條款要求，單只大鳥質(zhì)量6 lb(1 lb=453.45 g)，鳥速200 kn(1 kn=1.85 km/h)[1]。根據(jù)適航文件相關(guān)要求，可使用規(guī)定規(guī)格明膠鳥彈代替真實飛鳥，明膠鳥彈參數(shù)如表1所示。

表1 明膠鳥彈參數(shù)

明膠鳥彈的直徑超過傳感器暴露在進(jìn)氣道中的長度。

仿真分析中，鳥撞方向垂直于傳感器暴露部分；傳感器受鳥撞的部位長度為60 mm，為傳感器暴露部分長度的85%；明膠鳥彈瞄準(zhǔn)位置為傳感器中面。傳感器單只大鳥鳥撞示意圖如圖3所示。

圖3 傳感器單只大鳥鳥撞示意圖

3.2 仿真計算

3.2.1 有限元網(wǎng)格

T12傳感器鳥撞有限元模型如圖4所示，包含T12傳感器、安裝座、螺栓、進(jìn)氣道內(nèi)壁板。由于仿真分析主要考察T12傳感器暴露在進(jìn)氣道部分鳥撞后的狀態(tài)，T12傳感器插座、蓋等結(jié)構(gòu)對暴露部分鳥撞影響較小，故考慮不單獨建模。

圖4 T12傳感器鳥撞有限元模型

為減小模型，進(jìn)氣道內(nèi)壁板截取了約1/8結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，模型采用六面體網(wǎng)格劃分。

3.2.2 邊界條件

螺栓與螺帽、上下面板與蜂窩芯、安裝座與可剝墊片、安裝座與減震墊片、可剝墊片與上面板等部位采用固聯(lián)接觸。

螺栓與安裝座、螺帽與傳感器外殼、傳感器外殼與內(nèi)芯、傳感器外殼與內(nèi)壁板等部位采用面-面接觸。明膠鳥彈與傳感器等部件采用點-面接觸。設(shè)置螺栓預(yù)緊力為200 MPa。進(jìn)氣道內(nèi)壁板周向兩個截面部位，約束節(jié)點所有自由度。

3.3 仿真計算與結(jié)果分析

3.3.1 傳感器仿真結(jié)果

T12傳感器整體模型仿真結(jié)果如圖5所示，鳥撞首先造成傳感器外殼前緣變形，隨后前緣單元失效；在0.2 ms左右，傳感器外殼在前緣鏤空位置開始單元失效，直至斷裂。

圖5 T12傳感器整體模型不同時刻等效應(yīng)力云圖

3.3.2 傳感器外殼

T12傳感器外殼時間-應(yīng)力曲線、不同時刻等效應(yīng)力云圖如圖6和圖7所示；時間-應(yīng)變曲線、不同時刻塑性應(yīng)變云圖如圖8和圖9所示。傳感器外殼最大等效應(yīng)力為588 MPa，超出材料極限強(qiáng)度；傳感器外殼塑性應(yīng)變在0.2 ms左右達(dá)到失效值0.3，單元開始逐漸失效，直至傳感器斷裂。

圖6 T12傳感器外殼時間-應(yīng)力曲線

圖7 T12傳感器外殼不同時刻等效應(yīng)力云圖

圖8 T12傳感器外殼時間-應(yīng)變曲線

圖9 T12傳感器外殼不同時刻塑性應(yīng)變云圖

3.3.3 傳感器內(nèi)芯

T12傳感器內(nèi)芯時間-應(yīng)力曲線、內(nèi)芯不同時刻等效應(yīng)力云圖如圖10和圖11所示；內(nèi)芯時間-應(yīng)變曲線、內(nèi)芯不同時刻塑性應(yīng)變云圖如圖12和圖13所示。傳感器內(nèi)芯最大等效應(yīng)力為630 MPa，超出材料極限強(qiáng)度，內(nèi)芯在單只大鳥鳥撞工況下強(qiáng)度不足。

圖10 T12傳感器內(nèi)芯時間-應(yīng)力曲線

圖11 T12傳感器內(nèi)芯不同時刻等效應(yīng)力云圖

圖12 T12傳感器內(nèi)芯時間-應(yīng)變曲線

圖13 T12傳感器內(nèi)芯不同時刻塑性應(yīng)變云圖

4 初期模型的優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合上節(jié)仿真結(jié)果，通過對T12傳感器鳥撞關(guān)鍵點分析，考慮到傳感器裸露部分與大鳥撞擊受力過大、傳感器外殼壁厚不足、楔形結(jié)構(gòu)角度等3方面因素，進(jìn)行傳感器長度縮短到一定程度、傳感器外殼壁厚相應(yīng)增厚和楔形結(jié)構(gòu)角度優(yōu)化3方面的整體優(yōu)化。

4.1 傳感器長度優(yōu)化

根據(jù)內(nèi)壁板厚度板測量，T12傳感器伸出進(jìn)氣道內(nèi)壁板部分的長度不能小于48.5 mm，太短會進(jìn)入附面層，此區(qū)域氣流溫度并非傳感器需要的測量對象。

傳感器原始設(shè)計伸出進(jìn)氣道內(nèi)壁板部分的長度為70.47 mm，減短14 mm后傳感器伸出進(jìn)氣道內(nèi)壁板部分的長度為56.47 mm，如圖14所示。

圖14 傳感器伸出進(jìn)氣道內(nèi)壁板部分長度縮短14 mm

傳感器長度優(yōu)化縮短后鳥撞仿真結(jié)果如圖15所示。與原設(shè)計長度相比，傳感器長度縮短后，傳感器外殼下半部分區(qū)域存在撕裂現(xiàn)象，前緣三角結(jié)構(gòu)單元失效，有掉塊風(fēng)險。

圖15 傳感器長度優(yōu)化縮短后鳥撞仿真結(jié)果

傳感器長度優(yōu)化縮短后，T12傳感器外殼時間-應(yīng)力曲線、外殼最大應(yīng)力云圖如圖16和圖17所示。T12傳感器長度優(yōu)化后內(nèi)芯時間-應(yīng)力曲線、內(nèi)芯最大應(yīng)力云圖如圖18和圖19所示。傳感器探針長度優(yōu)化前、后仿真數(shù)據(jù)結(jié)果對比如表2所示。

圖16 T12傳感器長度優(yōu)化后外殼時間-應(yīng)力曲線

圖17 T12傳感器長度優(yōu)化后外殼最大應(yīng)力云圖

圖18 T12傳感器長度優(yōu)化后內(nèi)芯時間-應(yīng)力曲線

圖19 T12傳感器長度優(yōu)化后內(nèi)芯最大應(yīng)力云圖

表2 傳感器探針長度優(yōu)化前、后仿真數(shù)據(jù)結(jié)果對比

傳感器長度縮短14 mm，與當(dāng)前設(shè)計相比，鳥撞后傳感器外殼下半部分區(qū)域存在撕裂現(xiàn)象，但沒有完全斷裂，前緣三角結(jié)構(gòu)單元失效，有掉塊風(fēng)險；傳感器外殼、內(nèi)芯、進(jìn)氣道內(nèi)壁板最大等效應(yīng)力減小，安裝座、螺栓最大等效應(yīng)力相當(dāng)，明膠鳥彈與傳感器接觸力增大。此優(yōu)化在一定程度上減弱了鳥撞的破壞性，但仍然存在脫落的可能性。

4.2 傳感器外殼厚度優(yōu)化

傳感器外殼壁厚增厚1 mm，增厚前后情況如圖20所示，其他設(shè)計不變。傳感器外殼增厚鳥撞仿真結(jié)果如圖21所示，與原設(shè)計相比，鳥撞后傳感器外殼無撕裂，前緣三角結(jié)構(gòu)位置單元失效，存在單元掉塊現(xiàn)象。

圖20 傳感器外殼伸出進(jìn)氣道內(nèi)壁板部分厚度增厚前后對比圖

圖21 傳感器外殼優(yōu)化增厚后鳥撞仿真結(jié)果

傳感器外殼壁厚優(yōu)化后，T12傳感器外殼時間-應(yīng)力曲線、外殼最大應(yīng)力云圖如圖22和圖23所示；T12傳感器內(nèi)芯時間-應(yīng)力曲線、最大應(yīng)力云圖如圖24和圖25所示。傳感器探針外殼厚度優(yōu)化前、后仿真數(shù)據(jù)結(jié)果對比如表3所示。

表3 傳感器探針外殼厚度優(yōu)化前、后仿真數(shù)據(jù)結(jié)果對比

圖22 T12傳感器壁厚優(yōu)化后外殼時間-應(yīng)力曲線

圖23 T12傳感器壁厚優(yōu)化后外殼最大應(yīng)力云圖

圖24 T12傳感器壁厚優(yōu)化后內(nèi)芯時間-應(yīng)力曲線

圖25 T12傳感器壁厚優(yōu)化后最大應(yīng)力云圖

傳感器外殼增厚1 mm，與之前設(shè)計相比，傳感器外殼、內(nèi)芯最大等效應(yīng)力減小，進(jìn)氣道內(nèi)壁板最大等效應(yīng)力增大，安裝座、螺栓最大等效應(yīng)力相當(dāng)，明膠鳥彈與傳感器接觸力增大?？紤]到適航相關(guān)要求，脫落件有可能損傷其他部件，并且傳感器迎風(fēng)面的楔形結(jié)構(gòu)起到防冰作用，楔形結(jié)構(gòu)鳥撞后亦不能有脫落現(xiàn)象發(fā)生，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

4.3 傳感器楔形結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳感器楔形結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法為將傳感器楔形結(jié)構(gòu)夾角改為42°，如圖26所示。優(yōu)化設(shè)計與原設(shè)計相比，傳感器外殼受鳥撞沖擊后，僅有單元失效現(xiàn)象，無掉塊現(xiàn)象。優(yōu)化后鳥撞仿真結(jié)果如圖27所示。

圖26 傳感器楔形結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

圖27 傳感器楔形結(jié)構(gòu)優(yōu)化鳥撞仿真結(jié)果

傳感器楔形結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，T12傳感器外殼時間-應(yīng)力曲線、外殼最大應(yīng)力云圖如圖28和圖29所示；T12傳感器內(nèi)芯時間-應(yīng)力曲線、內(nèi)芯最大應(yīng)力云圖如圖30和圖31所示。從仿真結(jié)果可以看出，傳感器楔形結(jié)構(gòu)優(yōu)化前-后仿真數(shù)據(jù)結(jié)果對比如表4所示。

表4 傳感器楔形結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后仿真數(shù)據(jù)結(jié)果對比

圖28 T12傳感器楔形結(jié)構(gòu)優(yōu)化后外殼時間-應(yīng)力曲線

圖29 T12傳感器形結(jié)構(gòu)優(yōu)化后外殼最大應(yīng)力云圖

圖30 T12傳感器形結(jié)構(gòu)優(yōu)化后內(nèi)芯時間-應(yīng)力曲線

圖31 T12傳感器形結(jié)構(gòu)優(yōu)化后內(nèi)芯最大應(yīng)力云圖

在傳感器壁厚增加1 mm的基礎(chǔ)上，傳感器前緣三角結(jié)構(gòu)角度減小為42°，受鳥撞沖擊后，傳感器外殼僅有單元失效現(xiàn)象，無掉塊現(xiàn)象；與之前設(shè)計相比，傳感器外殼、內(nèi)芯最大等效應(yīng)力減小，進(jìn)氣道內(nèi)壁板最大等效應(yīng)力增大，安裝座、螺栓最大等效應(yīng)力相當(dāng)，明膠鳥彈與傳感器接觸力增大。

5 結(jié)束語

通過對T12傳感器長度、傳感器外殼壁厚及楔形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，傳感器仿真結(jié)果表明傳感器未發(fā)生單只大鳥鳥撞后斷裂或脫落的情況，基本符合預(yù)定要求。同時在此基礎(chǔ)上應(yīng)考慮以下幾個方面，以進(jìn)一步完善設(shè)計優(yōu)化[11]。

① 對T12傳感器來講，適當(dāng)縮短傳感器探針長度，可適當(dāng)減小對傳感器的撞擊破壞。但進(jìn)氣道存在氣流附面層，過多地縮短T12傳感器的長度，將導(dǎo)致其測量區(qū)域處于附面層，測得的數(shù)據(jù)為非目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)，故在傳感器的長度設(shè)計上需要結(jié)合進(jìn)氣道附面層范圍綜合考慮。本文優(yōu)化縮短的長度即為最短長度，位于附面層以外。

② T12傳感器的探針壁厚增加將會顯著提高抗鳥撞能力，然而探針壁厚過厚將減小內(nèi)腔空間，不利于總溫時間常數(shù)性能的提高，會對測量精度造成影響；同時也將增加傳感器質(zhì)量，不利于整個發(fā)動機(jī)減重。本文優(yōu)化后的傳感器質(zhì)量符合質(zhì)量要求。

③ 該初期模型前端的楔形結(jié)構(gòu)設(shè)計出于對防冰要求和鳥撞要求的雙重考慮[1]，本次優(yōu)化有利于提高抗鳥撞能力，后續(xù)可通過評估防冰效果進(jìn)一步完善設(shè)計優(yōu)化。