冷坤 王強(qiáng) 金中平 高艷蕾

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)，北京 100080；3.中國(guó)民用航空局，中國(guó)民用航空適航審定中心，北京 100020）

0.引言

安裝構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的適航要求源自美國(guó)民用航空委員會(huì)（Civil Aeronautics Board，CAB）發(fā)布的CAR（Civil Aeronautics Regulation，CAR），條款原文為，“發(fā)動(dòng)機(jī)安裝構(gòu)件和結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在飛機(jī)上時(shí)，可以承受在飛機(jī)適用的CAR適航規(guī)章中描述的負(fù)載情況下的載荷”。

1964年，F(xiàn)AA（Federal Aviation Administration）依據(jù)CAR重新編排制定FAR（Federal Aviation Regulation）。在FAR第3修正案中，考慮到原規(guī)章僅要求當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在飛機(jī)上時(shí)，其安裝構(gòu)件和結(jié)構(gòu)應(yīng)具有“足夠的”強(qiáng)度，以承受23部至29部中所規(guī)定的載荷。在發(fā)動(dòng)機(jī)適航取證過(guò)程中，很少由發(fā)動(dòng)機(jī)制造商確定在指定發(fā)動(dòng)機(jī)上施加的實(shí)際載荷，發(fā)動(dòng)機(jī)申請(qǐng)人必須根據(jù)飛機(jī)方提供的飛機(jī)性能數(shù)據(jù)和載荷要求，表明發(fā)動(dòng)機(jī)安裝構(gòu)件強(qiáng)度值，作為表明發(fā)動(dòng)機(jī)安裝設(shè)計(jì)滿(mǎn)足23部至29部飛機(jī)載荷要求的基礎(chǔ)。因此，規(guī)章更改為（a）申請(qǐng)人必須規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)安裝構(gòu)件和相關(guān)結(jié)構(gòu)的最大允許載荷；（b）發(fā)動(dòng)機(jī)安裝構(gòu)件和相關(guān)結(jié)構(gòu)必須可以承受規(guī)定的載荷且不發(fā)生破壞、故障、或永久變形。在第10修正案中，修訂了33.23，區(qū)分了限制載荷和極限載荷，即形成了當(dāng)前FAR 33.23條款內(nèi)容，我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)章CCAR-33.23條參照FAR第33.23條編制，后續(xù)未針對(duì)該條款進(jìn)行修訂[1]。

本文針對(duì)某型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩管組合（主安裝節(jié)），提出滿(mǎn)足適航要求的符合性驗(yàn)證方法，并通過(guò)分析、計(jì)算確定限制載荷和極限載荷，在對(duì)應(yīng)的載荷條件下開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.CCAR33.23條款技術(shù)要求

1.1 條款技術(shù)內(nèi)涵

根據(jù)《航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》（CCAR-33R2）第33.23條“發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝構(gòu)件和結(jié)構(gòu)”的要求[2]，所有發(fā)動(dòng)機(jī)安裝構(gòu)件和結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考慮多種載荷類(lèi)型（如靜載荷、運(yùn)行最大扭矩載荷、陀螺載荷等），以及發(fā)動(dòng)機(jī)失效情況（如風(fēng)扇或主要轉(zhuǎn)子支撐失效、卡滯、吸入單只大鳥(niǎo)、葉片脫落等），計(jì)算出最大允許的限制載荷和極限載荷，并通過(guò)試驗(yàn)、計(jì)算分析的方式，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)安裝構(gòu)件和相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)在預(yù)期的使用限制下具有滿(mǎn)足規(guī)定的載荷要求的承載能力，確定發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性。

1.2 符合性方法建議

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)安裝構(gòu)件和結(jié)構(gòu)，應(yīng)確定其最大允許的限制載荷和極限載荷，并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)證的分析或試驗(yàn)方法表明相關(guān)部件滿(mǎn)足適航條款中要求的強(qiáng)度水平，建議的符合性方法有：（1）試驗(yàn)驗(yàn)證。考慮發(fā)動(dòng)機(jī)在多種載荷條件下和失效情況下所允許承受的限制載荷和極限載荷，通過(guò)仿真分析的方法確定安裝構(gòu)件和結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，再通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證安裝構(gòu)件和結(jié)構(gòu)能夠承受對(duì)應(yīng)載荷條件。（2）分析方法。采用經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的計(jì)算模型或應(yīng)用于相似設(shè)計(jì)的試驗(yàn)，該計(jì)算模型或試驗(yàn)結(jié)果獲得適航當(dāng)局認(rèn)可，則可以用于驗(yàn)證安裝構(gòu)件和結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足CCAR33.23條款定義的強(qiáng)度要求。

2.符合性驗(yàn)證對(duì)象

某型民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩管組合（即主安裝節(jié)），為筒體式靜子承力構(gòu)件，由扭矩管、定位銷(xiāo)、帶鎖緊環(huán)的雙頭螺栓、定位環(huán)組成。定位銷(xiāo)通過(guò)過(guò)盈配合安裝在扭矩管上，并靠定位環(huán)實(shí)現(xiàn)軸向限位，定位銷(xiāo)穿過(guò)直升機(jī)傳力筒實(shí)現(xiàn)飛發(fā)連接定心；扭矩管上帶鎖緊環(huán)的雙頭螺栓一頭通過(guò)螺紋擰入扭矩管安裝邊，另一頭與直升機(jī)通過(guò)自鎖螺母連接緊固。扭矩管后法蘭與發(fā)動(dòng)機(jī)附件傳動(dòng)機(jī)匣通過(guò)螺栓連接緊固。

對(duì)于整機(jī)而言，扭矩管組合失效會(huì)導(dǎo)致危害性發(fā)動(dòng)機(jī)后果，為表明扭矩管組合對(duì)CCAR-33.23條款的符合性，需要通過(guò)載荷分析計(jì)算和靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)合的方式進(jìn)行驗(yàn)證，表明扭矩管組合的靜強(qiáng)度適航符合性。

3.確定載荷并驗(yàn)證

3.1 計(jì)算載荷

為便于計(jì)算扭矩管組合的載荷情況，以扭矩管前安裝面為計(jì)算坐標(biāo)系原點(diǎn)，X軸與燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)子組件的旋轉(zhuǎn)軸平行，Y軸垂直于發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)稱(chēng)平面，Z軸垂直于X軸，扭矩管前安裝面的載荷見(jiàn)表1，其中極限狀態(tài)載荷對(duì)應(yīng)動(dòng)力渦輪葉片脫落載荷，該載荷通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)得到，由于在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、陀螺力矩、瞬時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)、硬著陸以及部分極限載荷條件下承受的載荷較小，故未在表1中列出具體載荷情況。

表1 扭矩管前安裝面載荷

由于軸向載荷對(duì)扭矩管強(qiáng)度影響最大，限制載荷只進(jìn)行工況1的應(yīng)力分析對(duì)于墜毀載荷只進(jìn)行工況2的軸向20g過(guò)載應(yīng)力分析以及對(duì)葉片飛出載荷工況3～工況9應(yīng)力分析。本文采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析處理，有限元分析模型見(jiàn)圖1；通過(guò)計(jì)算分析得出工況1限制狀態(tài)下載荷最大當(dāng)量應(yīng)力為114.7MPa，極限狀態(tài)下對(duì)應(yīng)工況6應(yīng)力最高、最危險(xiǎn)，由于采用線彈性分析扭矩管組合的應(yīng)力超出強(qiáng)度極限，進(jìn)而采用彈塑性對(duì)扭矩管組合的應(yīng)力進(jìn)行分析，對(duì)工況6進(jìn)行彈塑性分析的應(yīng)力分析，最大當(dāng)量應(yīng)力937.5MPa。

圖1 扭矩管組合有限元模式

3.2 強(qiáng)度校核

采用斯貝MK202發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)（EGD-3）[3]提供的方法，進(jìn)行強(qiáng)度校核[4]，對(duì)靜子件的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)為：

式中：

σmax_屈服載荷—對(duì)應(yīng)屈服載荷的最大當(dāng)量應(yīng)力，MPa；

σmax_極限載荷—對(duì)應(yīng)極限載荷的最大當(dāng)量應(yīng)力，MPa。

根據(jù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，校核結(jié)果見(jiàn)表2，扭矩管組合屈服和極限儲(chǔ)備系數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表2 強(qiáng)度校核結(jié)果

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證扭矩管組合滿(mǎn)足CCAR-33.23條的符合性，采用靜強(qiáng)度試驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)分為兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段加限制狀態(tài)載荷，第二階段加極限狀態(tài)載荷，試驗(yàn)加載載荷見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)加載點(diǎn)的載荷

3.3.1 試驗(yàn)限制載荷

通過(guò)對(duì)扭矩管組合毛坯實(shí)測(cè)，得出其屈服強(qiáng)度為1064MPa，材料的最小屈服強(qiáng)度870MPa，考慮材料的屈服強(qiáng)度修正系數(shù)，修正后的施加載荷見(jiàn)表4。

3.3.2 試驗(yàn)極限載荷

對(duì)于極限載荷，載荷方向如圖2所示，F(xiàn)1施加載荷Fx、My、Mz，F(xiàn)1在Z的負(fù)方向平移Lz實(shí)現(xiàn)My的施加；F1在Y的正方向平移Ly實(shí)現(xiàn)Mz的施加；F2施加載荷Fy；F3施加載荷FZ；F4、F5施加扭矩Mx，力臂為L(zhǎng)=0.5m；

F4=F5=Mx/L=7174/0.5=14348N

扭矩管組合毛坯實(shí)測(cè)的拉伸強(qiáng)度1108MPa，材料的最小拉伸強(qiáng)度1000MPa，考慮材料的拉伸強(qiáng)度修正系數(shù)后，具體施加載荷見(jiàn)表4。

表4 修正后試驗(yàn)載荷

圖2 極限載荷加載方向示意圖

3.3.3 扭矩管靜強(qiáng)度試驗(yàn)

為監(jiān)控扭矩管組合應(yīng)力水平，在扭矩管組合的應(yīng)力最大部位粘貼應(yīng)變片，如圖3所示。

圖3 扭矩管組合應(yīng)力測(cè)試示意圖

由于適航規(guī)章及相關(guān)咨詢(xún)通告未明確試驗(yàn)程序，本文參考以往軍機(jī)靜強(qiáng)度試驗(yàn)方法，從試驗(yàn)載荷對(duì)象的50%開(kāi)展加載，逐級(jí)遞增10%，每級(jí)載荷保持3s，最大載荷保載30s，在每級(jí)載荷穩(wěn)定后采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，該試驗(yàn)方法獲得中國(guó)民用航空局審查組的認(rèn)可。完成限制載荷靜強(qiáng)度試驗(yàn)后，未產(chǎn)生永久變形，完成極限載荷靜強(qiáng)度試驗(yàn)后沒(méi)有發(fā)生破壞，符合適航規(guī)章CCAR33.23條款的要求。

4.結(jié)論

本文針對(duì)《適航發(fā)動(dòng)機(jī)適航規(guī)定》第CCAR33.23條進(jìn)行了規(guī)章解析，提出了符合性驗(yàn)證方法，在完成載荷分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，得出以下主要結(jié)論：（1）通過(guò)對(duì)第CCAR33.23條的修訂歷史、條款技術(shù)內(nèi)涵進(jìn)行研究，提出了滿(mǎn)足適航條款要求的符合性驗(yàn)證方法；（2）符合性驗(yàn)證中應(yīng)當(dāng)確定發(fā)動(dòng)機(jī)安裝構(gòu)件承受的最嚴(yán)重載荷，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證最嚴(yán)重的載荷條件下安裝構(gòu)件不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效等情況；（3）本文選定的試驗(yàn)載荷加載方法滿(mǎn)足適航當(dāng)局要求，能充分表明安裝構(gòu)件符合適航規(guī)章條款要求；（4）本文為安裝構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的適航符合性分析和試驗(yàn)驗(yàn)證提供了參考思路，為民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)適航取證工作的開(kāi)展提供了重要參考依據(jù)。