飞机燃料管汇设计实体化和添加剂制造技术评估使用有限元分析

文摘

飞机燃油系统允许船员泵、管理和交付航空或喷气燃料推进系统和辅助动力单元(APU)的一架飞机。燃料系统有很大的不同,由于不同性能的飞机安装。燃油系统的设计目的是提供一个不间断的清洁燃料流从油箱到引擎。燃料必须提供给发动机功率的发动机在所有情况下,高度,态度,和在所有批准飞行演习。两个常见的分类适用于小型飞机的燃油系统——重力自动加料和燃油泵系统和当前的研究侧重于后。辅助燃油泵提供燃料压力燃料/空气对发动机启动控制单元和/或紧急使用。开始后,发动机驱动的燃料泵提供燃料压力从油箱到燃料/空气控制装置。这个控制单元米基于混合燃料控制设置,并将其发送给燃料管汇阀门节流控制的速度。达到燃油总管阀门后,燃料是分发给个人燃料排放喷嘴。流量喷嘴,位于每个汽缸,注入燃料/空气混合物直接各缸进气道。飞机的燃油系统有一个更深刻的对飞机性能的影响比其他任何机体系统。 Any failure in the fuel manifold will lead to catastrophic aircraft damage and it is very important to consider all the critical flight mission points for design substation. The current project work focuses on the design substantiation of twin engine commercial aircraft engine fuel manifold system to operate satisfactorily under all conditions, such as acceleration and deceleration, temperature, pressure, and flight attitudes. This work also focuses on the alternative manufacturing methodology “Additive Manufacturing Technique” for design optimization using finite element analysis. The proposed methodology will be verified in order to meet the FAA requirements. Hence in the present investigation attempts have been made on the following major sections fuel manifold design substantiation for temperature and pressure requirement, vibration analysis, high cycle and low cycle fatigue analysis, design optimization using additive manufacturing technique. A comparative study has been made between conventional and additive manufacturing. Analysis results has been correlated based on hand calculated results which indicates less than five percent deviation to satisfy the FAA guidelines. The rise in number of vehicles had led to many problems like traffic congestion, increase in consumption of fuels, rising travel costs. Considering all these problems we have studied different papers. This paper introduces bike sharing application which will help people to travel on one bike and share their expenses and also reduce pollution.

关键字

飞机歧管疲劳设计、联邦航空局的指导方针

介绍

最大和最重要的流体系统在飞机燃料泵系统。因此所有飞机项目涉及的设计燃油系统在某种程度上。这项工作的目的是描述如何使用设计方法可以缩短系统开发时间在概念阶段早期引入设计自动化(1]。以这种方式更多的概念可以评估在飞机设计的早期阶段。在系统开发过程中,每一步可以形式化和自动减少所需的时间从几天到几分钟甚至几秒钟。因此,有一个巨大的潜在的改进。目标是减少错误的数量,帮助设计师增加飞行条件如何影响他或她的理解底层设计参数,如泵、阀门、管道等燃料泵系统主要用于低和中期翼单往复式飞机不能利用重力给水系统的油箱不位于引擎。而在这方面,一个或多个燃料泵用于燃料迁移。有两种基本类型的飞机燃油系统重力给水系统和泵进料飞机燃油系统;重力给水系统是最简单的燃料系统普遍存在于高翼飞机在每个机翼油箱。一个重力给水系统设计与发动机和油箱推进系统,行喂养的燃料罐通过重力引擎[2]。重力饲料油箱不使用任何泵和一个简单的关闭阀系统,一些飞机有选择管理燃料供给从左翼,右翼或同时坦克和低和中期翼飞机的油箱车不能上方的铁路机车、泵供油方案是必要的,利用一个或多个泵将燃油从油箱到引擎。通常,这种类型的飞机燃油系统有两个并行排列,电动泵和发动机驱动泵,提供音乐伴奏泵应该失败。与重力自动加料泵一样,有一个关闭阀选择功能。

实验的细节

材料

在目前的调查,奥氏体不锈钢G321已经使用304型类似,而钛的碳含量至少5倍。碳化钛除了减少或防止沉淀在焊接(800 - 1500°F (427 - 816°C)]的服务。它也提高了高温合金的属性。表1使不锈钢的力学性能。表2给出了基于加法制造的机械性能。

表1。不锈钢的力学性能。

表2。基于加法制造的机械性能。

以下步骤给使用的工作方法在目前的调查:

•分析了飞机燃油总管压力加载条件和失效标准是基于材料屈服强度。

•燃油总管已经证实了低循环疲劳要求25000周期。

•执行详细的动态/振动分析包括模态分析,验证设计的发动机振动载荷。

•高周疲劳评估使用SN执行方法确保飞机燃料管汇设计满足疲劳寿命无限生活的需求。古德曼将绘制曲线验证设计无限疲劳寿命。

•飞机燃料管汇设计使用添加剂技术进行评估。

静态分析

燃油总管的静态结构分析进行了三个加载要求即按TSO - C135标准的指导方针。歧管将总是受到内部压力由于流体歧管内的存在。这三个加载的要求是:

•正常工作压力的要求

•证明压力要求

•爆破压力的要求

压力在燃油总管必须在材料屈服或极限强度极限。静态要求燃油总管中列出表3。

表3。静载荷的要求。

根据美国联邦航空局:

证明压力= 1.33×正常工作压力

爆破压力= 2×正常工作压力

结果与讨论

静态分析结果

燃油总管管结束限制在所有自由度。约束位置确定基于流形的夹紧位置路由(3]。因此,0.0001毫米的最大位移观测管一端是由于压力的影响和插头负载总变形中所示(图1和图2)。

分析结果的总结,分析压力

飞机燃料管汇设计有最大应力小于材料的许用强度,通过一个重要的安全系数(4]。这是线性分析,可以从正常工作压力线性外推的结果证明,最终的情况下。当前的燃油总管设计满足有限的航空管理局要求加载的压力(表4)。

表4。压力的细节分析。

分析结果与添加剂制造压分析总结

飞机燃料管汇设计有最大应力小于材料的许用强度,通过基于加法制造一个重要的安全边际(表5)。

表5所示。分析结果与添加剂制造压分析。

谐波分析

燃油总管振动分析

谐波分析燃油总管设计执行。基地激发技术用于当前的分析方法。1 g加速度载荷(9810 mm / s²)是应用在所有三个方向撒谎,X, Y, z方向。全球2%的阻尼比(0.02)在当前基于之前测试相关研究分析。模式叠加法用于解决谐波分析(图3)。

疲劳分析

大部分的组件设计涉及零部件受到波动或循环加载。加载诱发波动或循环等强调,经常导致失败的疲劳(5]。大约95%的所有结构通过一个出现故障疲劳机制(表6)。在交变应力的疲劳评估飞机燃油总管251.3赫兹。

表6所示。疲劳分析结果总结。

•70.5 MPa是观察到的最大·冯·米塞斯应力弯曲半径(图4)。

古德曼曲线

根据有限的航空管理局的要求,飞机燃料管汇设计需要有无限疲劳最大起飞条件(6]。古德曼曲线绘制对交变应力和平均应力验证设计最大起飞条件所示图5。飞机燃料管汇设计交变应力属于古德曼线,通过无限设计寿命超过1 e6周期在251.3赫兹。

疲劳分析结果总结

当前燃油总管设计有一个最大交变应力小于材料的许用疲劳强度1 e6周期。因此燃油总管设计有一个积极的疲劳强度的利润和满足疲劳设计要求(表7)。目前燃油总管设计不满足疲劳强度要求基于加法制造技术。最大交变应力超过材料的许用疲劳强度为加法制造组件和那里有负面疲劳强度的利润率。

表7所示。疲劳分析结果总结。

结论

研究飞机燃料管汇设计实体化和添加剂制造技术评估使用有限元分析显示如下:

•基线飞机燃料管汇设计满足低循环疲劳要求。

•当前飞机燃料管汇设计满足最优解关于可接受的低循环疲劳和高循环疲劳按美国联邦航空局设计要求。

•分析飞机燃油总管证实了基于有限元分析设计实体化。

•正常工作压力,成功地满足材料产量的要求。

•证明压力加载-满足需求积极设计对材料屈服极限的利润率。

•爆破压力加载——满足需求积极设计利润对材料强度极限。

•低循环疲劳——成功地满足材料疲劳强度为25000周期。

•高周疲劳评估——飞机燃油总管有积极的疲劳强度裕度和最大起飞条件通过无限的设计寿命。成功地满足古德曼的要求。

•添加剂制造技术——材料降低50%正在考虑制造未知变量。设计满足压力要求对材料屈服极限强度。然而,设计可以进一步优化,以满足低周期和高循环疲劳强度要求。

引用

1. 赫伯特西城,et al。特性和燃料电池动力无人机的性能。1960年。
2. Samiran D, et al。开发工艺流程的质量特征。机械工程和自动化的问题。2005;70 - 76。
3. 云龙T, et al。一项调查加法制造的设计方法以改善功能的性能。快速原型。1996;22。
4. 困B, et al .加法制造技术:3 d印刷、快速成型和直接数字制造。施普林格,纽约。2009;299 - 332。
5. 布拉德利TH, et al。modellingof大型/ C流体系统的策略。2016年。
6. Kobryn P, et al .飞机燃油系统合成得益于互动形态和优化。航空航天科学会议和展览。2007。