航空轮胎爆破能量及碎片动力响应研究

摘要

飞机是当今世界上最重要的交通运输工具之一，也是最重要的军事装备之一。航空轮胎是飞机的重要起落部件，起着支承飞机重量和起飞着陆滑跑的作用。航空轮胎是否安全可靠，直接关系着飞机的安全和机上人员生命财产的安全。
　　目前航空适航标准中对于轮胎爆破模式的定义已经相对成熟，但是也存在缺陷。比如航空轮胎爆破时受内压释放的影响，爆破碎片的速度会有明显增加，而非适航标准规定的与轮胎降落时的胎速相同；轮胎爆破高压气体射流模型的压力衰减公式不具普适性，缺乏真实起落舱环境下的模拟并且危害分析中对于动压危害的认识不足。此外轮胎爆破实验过程复杂、不易操作，公开文献很少报道。综上所述，本文针对航空轮胎爆破问题，完成了如下工作：
　　（1）针对碎片危害模型，利用Fluent中用户自定义函数（UDF）编写动力响应程序，采用动网格和用户自定义函数相结合的方法，展开基于内压释放作用下的轮胎爆破碎片动力响应特性的数值模拟研究。将碎片受冲击后的动态过程分解为内压释放冲击加速阶段和以一定初速度在空气阻力下减速运动两个阶段，提出仅考虑碎片两侧实时压力差作为动力源的简化物理爆破模型，来分析碎片的速度受内压作用的响应，整个流场压力以及速度变化情况，弥补了数学模型未考虑内外压平衡过程的不足，为预测轮胎爆破后碎片获得能量、爆破气流能量等提供数值参考。
　　（2）对于高压气体射流模型，针对真实飞机起落舱以及轮胎几何模型，通过计算流体力学方法，建立了起落舱内空气流场中轮胎内压释放产生高压气体射流的模型，计算方面采用RANS混合方法，湍流模型采用工程上广泛使用的标准k-e模型，近壁面处理采用壁面函数法，利用Fluent的流场分析功能来求解轮胎爆破后流场中气体的压力分布、速度分布等物理响应，实现了轮胎爆破过程中舱内流体各项物理指标的数值模拟，预测轮胎爆破后轮胎内部气体衰减规律，得到高压射流运动状态和所具备的能量，评估其破坏能力，为提出有效预防起落舱内轮胎爆破而引发的事故对策提供理论依据。
　　本文主要有三个方面的创新：第一，数值模拟中通过应用局部网格重构法和弹簧变形法相结合以及动网格技术与UDF二次开发相结合的方法成功克服了算例中碎片飞行中的因大位移问题而产生的网格质量差，出现负体积，结果不收敛等弊端；第二，针对实际的飞机轮胎几何模型，通过计算流体力学方法，建立了起落舱内空气流场中轮胎内压释放产生高压气体射流的模型；第三，通过数值计算结果与文献数据的对比，讨论了数值结果的合理性并提出了适航安全性建议。
　　本研究结果为航空领域轮胎爆破碎片危害以及起落舱内高压气体射流危害研究提供理论和技术支撑。轮胎爆破研究结果将有望进一步运用于飞机数字警报系统，为适航安全提供更有力支撑。

目录

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致谢

符号说明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 爆炸及其伤害准则与后果评估方法

1.3 高压气体射流

1.4 航空轮胎爆破研究进展

1.5 研究现状及存在的问题

1.6 本文研究内容

第二章 基于内压作用轮胎爆破碎片动力响应研究

2.1 引言

2.2 流固耦合问题求解

2.3 动网格与UDF结合

2.4 基于内压释放的轮胎碎片分析模型

2.5 数值仿真结果与分析

2.6 小结

第三章 起落舱内轮胎爆破能量数值研究

3.1 引言

3.2 起落舱内航空轮胎爆破模型

3.3 数值仿真结果与分析

3.4 小结

第四章 适航验证安全性防范建议

4.1 引言

4.2 起落架安全

4.3 起落舱内安全

4.4 小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

作者简介