复合材料波纹板轴向压溃仿真及机身框段适坠性分析

飞机结构适坠性是航空安全的重要关注点之一,通过材料性能试验和复合材料波纹板准静态压溃试验,获得了T700/3234复合材料力学性能参数及波纹板压溃吸能结果;基于试验数据验证了复合材料波纹板有限元模型和材料模型的正确性;建立了机身框段有限元模型,将复合材料波纹板用作机身下部吸能结构,分析机身框段有限元模型在7m/s时的坠撞动态响应。仿真结果表明:在试验条件下,建立的复合材料波纹板模型可以准确模拟渐进失效过程;复合材料波纹板布局机身框段破坏过程较为稳定,其加速度值在人体耐受极限范围内,能够有效改善飞机结构的适坠性能。     

大型运输类飞机典型机身框段坠撞特性分析

为了研究大型运输类飞机坠撞特性及失效模式，发展机身框段结构有限元建模及坠撞仿真技术，首先设计加工三框两段全尺寸机身框段试验件(含2套三联座椅和4个FAA混Ⅲ假人)；其次通过开展坠撞试验获得其坠撞变形及响应特性；最后建立经试验验证的机身框段有限元模型，并进一步评估其撞击不同地面(混凝土地面和软土地面)时的响应特性。结果表明，在6.02 m/s坠撞速度下，客舱地板上部区域基本保持完整，客舱地板下部区域发生了较大变形与破坏，产生3处塑性铰；货舱地板横梁一侧在其与机身框连接处发生断裂，导致同侧的客舱地板峰值加速度明显大于另一侧，最大峰值加速度和撞击力分别为427.7 m/s²和290.8 kN。有限元模型能够准确模拟客舱地板下部的3处塑性铰、货舱地板横梁与机身框连接处的失效情况等，且在速度、加速度等方面与试验结果吻合较好，仿真结果表明机身框是主要的吸能部件，占总吸能量的40.7%；当机身框段撞击不同地面时，由于软土地面发生变形并吸收了部分冲击能量，导致机身变形模式发生改变，并降低了传递给乘员的峰值加速度。     

坠撞环境下乘员伤害分析及飞机适坠性评估

为了分析坠撞环境下的机身框段和客舱乘员的动态响应以及乘员伤害情况,开展了大型飞机典型机身框段（含2套三联座椅及4名乘员假人）在6.02 m/s速度下的垂向坠撞试验,获得了机身框段结构坠撞及乘员坠撞响应数据,进行了机身框段结构坠撞破坏及乘员伤害分析,并通过可生存空间、系留强度、乘员损伤、应急撤离4个方面对飞机适坠性进行评估。坠撞试验结果表明,客舱地板下部结构发生较大变形与破坏,在货舱地板下部结构中间支撑件区域和两侧客舱地板支撑立柱与机身框连接处产生3处塑性铰;客舱区域基本保持完整,可生存空间得到保持;座椅与客舱地板导轨的连接保持完好,且乘员安全带保持在原位;乘员假人头部伤害判据最大值为31.47,腰椎压缩载荷最大峰值为3 997.2 N;乘员假人向过道倾斜,过道仍保持通畅。通过飞机适坠性评估,在6.02 m/s的垂向坠撞速度下,乘员伤害风险较小。     

民用飞机机身舱段的适坠性数值仿真分析

以民用飞机典型机身舱段下部结构为研究对象,建立了结构坠撞有限元模型,利用Pam-Crash软件进行了结构能量吸收特性仿真分析,得到机身舱段的变形、零组件吸能情况及座椅滑轨处的加速度计算结果。分析结果显示飞机在9m/s的垂直速度撞击地面时,原机身结构设计乘员处的过载超过了人体加速度的耐受极限,不满足垂直撞击适坠性要求;而加装副框缘后的机身结构,乘员处的过载在人体可承受的加速度范围内,地板以上的生存空间不小于原来空间的85%,更改后的机身舱段结构设计满足垂直撞击适坠性要求。     

民机机身段和舱内设施坠撞试验及结构适坠性评估

为研究典型民机机身段和内部设施的适坠性,设计并制造了7个框距的全尺寸机身段结构,安装了典型的舱内设施,包括3排航空座椅和2套行李架,建立了机身段结构和舱内设施的撞击有限元模型,通过预试验分析,确定乘员可生存的垂直坠撞速度为7 m/s.坠撞试验中,撞击平台材料为木质,撞击平台下方放置了12个载荷传感器,乘员由15个假人模拟,其中4个假人安装了传感器,行李用配重替代.撞击载荷、结构和假人的加速响应由动态数据采集设备(DAS)测量,并与图像测量同步,给出了数据处理方法和典型的结构、假人响应曲线.通过对撞击过程中机身段结构的能量吸收过程和机理进行分析,提出了3条提高机身结构适坠性的设计思路.根据适航条例对结构适坠性的要求和人体伤害指标,提出了综合适坠性评估指数(ICI)的概念,可对民机结构适坠性进行量化评估,并根据该评估方法和试验结果,对典型机身段的结构适坠性进行了评估.评估结果表明,在给定的坠撞环境下,机身段结构的适坠性满足适航规章的要求.     

典型金属民机机身结构坠撞特性试验

为验证典型金属飞机机身结构的适坠性,开展了机身等直段结构在5.91 m/s下的垂直坠撞试验,得到了地面撞击载荷、机身结构变形及机身结构典型位置和假人的动态响应数据,分析了坠撞过程中机身结构的变形失效机理、载荷传递规律及能量吸收特性,提出了提高机身结构适坠性的设计方法。试验研究表明,在坠撞冲击载荷作用下,客舱地板横梁以下结构出现较为严重的变形,机身结构呈现非对称的破坏模式。在坠撞过程中,由于机身框和横梁变形吸收了大部分冲击能量,因此,相较于立柱处加速度峰值,传递至乘员处加速度峰值减小了90%左右。由综合适坠性评估指数可知,机身结构在5.91 m/s的坠撞速度下,具有良好的适坠性。     

民机客舱下部吸能结构分析与试验相关性研究

以民机典型机身段客舱下部结构为研究对象,建立了结构坠撞有限元模型,利用LS-Dyna软件进行了结构能量吸收特性分析。基于吸能结构思想,以降低传递到客舱地板的加速度载荷为设计目标,提出了一种民用飞机客舱地板下部结构吸能设计方法。设计制造了全尺寸的吸能结构试件,并进行了垂直坠撞试验。为评估坠撞分析与试验的相关性,提出了一种基于能量的能量吸收特性评估方法。首先对预试验分析结果与试验结果进行了相关性分析,根据相关性分析结果对分析模型进行了修正。修正后坠撞分析结果与试验结果的相关性表明,乘员质心处的平均加速度响应峰值误差为16.44%,最大平均反弹速度误差为10.53%,修正后模型的总体刚度与实际结构一致,分析获得的结构总体变形模式与试验结果基本一致。但能量吸收时间和加速度峰值出现的时间与试验结果相比误差较大,表明结构连接失效等结构建模细节对计算结果有显著的影响。     

民机地板以下结构参数变化对机身适坠性能的影响研究

为了确保乘员在可生存事故中存活,民机结构必须具备适坠特性.适坠性设计的关键部位为地板以下结构,包括底框、行李舱底部结构和行李舱支柱三个元素.对民机典型机身结构进行了简化,利用LS-DYNA建立了1/4缩比动力学仿真模型,利用该模型考察了行李舱支柱位置、角度及行李舱高度变化对机身坠撞特性的影响,仿真结果表明合理选择行李舱支柱位置、角度及行李舱高度参数可以大大改善民机机身结构的适坠性能.     

客舱地板斜撑杆对民机典型机身段耐撞性能的影响

针对一类具有客舱地板下部斜撑杆的民机典型机身段,研究了斜撑杆对机身段耐撞性能的影响。建立了客舱地板及其下部结构的有限元模型,客舱地板以上的框段结构、乘员质量和座椅被简化为刚性质量块。分析了斜撑杆为开孔/不开孔开剖面结构、斜撑杆剖面尺寸变化以及无斜撑杆和刚性斜撑杆情况下,机身段在坠撞速度为7m/s时的冲击特性。对比分析了各种情况下座椅位置处的加速度-时间历程曲线、机身段的破坏模式和能量吸收情况。结果表明存在合适刚度的斜撑杆,使该类型机身结构具有良好的耐撞毁性能,而增加或减少斜撑杆刚度均有可能产生多次高过载。     

典型民机下部结构模型坠撞分析

基于ARJ21飞机典型机身下部结构构造了一个结构模型,分析了三种速度下模型的垂直坠撞响应,讨论了模型并部件在撞击时的能量吸收率,并由此得出了一些对吸能结构研究的有益启示。     

运输类飞机典型货舱地板下部结构冲击吸能特性

为了研究运输类飞机货舱地板下部结构在冲击载荷作用下的吸能特性，选取三框两段典型货舱地板下部结构试验件开展落重冲击试验，即质量为478.5 kg的落重以3.95 m/s的速度垂直冲击倒置并固定在测力平台上的试验件，分析试验件失效模式及动态响应，同时建立有限元模型进行仿真与试验结果相关性分析及吸能特性研究。结果显示，在此种工况的冲击载荷作用下，中间支撑件发生由32框面向34框面方向的弯曲，并带动机身框发生同向弯曲和扭转，从而导致C型支撑件发生与中间支撑件相反方向的弯曲变形，并最终在机身框与C型支撑件的连接处形成两处塑性铰；紧固件失效以位于中间支撑件附近区域的长桁和剪切角片连接处的22个扁圆头铆钉发生剪切失效为主；试验初始加速度峰值和初始撞击力峰值分别为25.1g和173 kN。仿真与试验获得的结构变形模式吻合较好，仿真获得的最大压缩量与试验结果24.3 mm相差3.7%，仿真获得的压板上初始加速度峰值与试验结果25.1g相差4%。通过仿真分析发现机身框和中间支撑件是主要的吸能部件，吸能贡献分别占总吸能的32.1%和30.4%。     

飞机燃油温度仿真及应用

为研究飞行过程中燃油温度变化规律,采用热网络法建立油箱热模型,并在Matlab/Simulink软件平台上输入与飞行试验相对应的边界条件以验证模型可信度,在此基础上,分析了整个航程中各油箱隔舱燃油温度的变化规律。结果表明:该计算方法和仿真模型具有较高的可信度,试验值与计算值两者误差超过1.67 K的时间段中,模拟温度比试验温度高;多数航段内机身油箱燃油温度处于高位,为适航符合性审定重点关注对象,代表着整个燃油箱系统的可燃性暴露时间水平, 以巡航结束阶段为例,标准天长航程下机身油箱燃油温度比机翼油箱燃油温度平均高出25 K,标准天短航程下机身油箱燃油温度比机翼油箱燃油温度平均高出7 K,热天短航程下机身油箱燃油温度比机翼油箱燃油温度平均高出12 K;机翼油箱燃油温度在飞机下降阶段回升幅度较大,其可燃性暴露时间主要集中在航程结束阶段。     

腹部油箱对飞机雷达隐身特性的影响

采用物理光学(PO)与一致绕射理论(UTD)混合方法,分别计算了某战斗机不携带副油箱以及腹部携带外挂副油箱、保形油箱时的雷达散射截面积(RCS)。根据计算结果,讨论了腹部油箱对飞机雷达隐身特性的影响。研究表明,在飞机下方及侧方RCS较小的方位,外挂副油箱对飞机RCS的贡献较为明显,而保形油箱对飞机RCS的贡献始终很小。     

大飞机货舱地板下部结构有限元建模与适坠性分析

为了研究大飞机坠撞特性及数值分析方法，选取大飞机货舱地板下部结构为研究对象，建立其有限元模型，实现显式动力学的求解与分析。考察倒置、固支的货舱地板下部结构在200 kg落重以7 m/s垂直冲击下的结构响应、吸能与失效的动态行为，识别落重冲击过程中结构变形与失效模式、冲击响应特性及能量吸收与耗散机理。仿真结果表明，货舱地板下部结构的机身框组件、支撑件组件是主要吸能结构，冲击能量的吸收主要依靠上述结构的塑性变形与失效，紧固件的吸能贡献仅占1%左右。     

民用飞机燃油箱系统热模型分析研究

飞机燃油箱系统热分析是飞机燃油系统设计和适航取证的关键技术之一。首先对燃油箱热模型分析方法进行了阐明,然后在典型热天环境中(地面温度为327K)对一种典型民用飞机燃油箱结构的热参数进行了工程计算研究。研究表明,外翼油箱、机身油箱以及集油箱内燃油温度分布不均匀;各油箱燃油温度在地面状态均高于巡航状态;燃油的最高温度时刻出现在地面终了状态,而且最高点位置出现在集油箱内。研究结果既可以指导飞机燃油箱设计,也可以为飞机燃油系统的适航取证提供一定技术支持。     

飞机油箱水锤效应影响因素及其影响程度研究

水锤效应是飞机燃油箱的一种主要损伤模式,它可能引起油箱结构灾难性的破坏,分析水锤效应的影响因素及其影响程度,对燃油箱易损性的评估、燃油箱防护性设计具有重要意义。以破片速度衰减、箱内液体压力和壁板变形为对比参量,模拟一个等效飞机油箱在不同破片速度、质量(材料)、形状、入射角度、入射方向打击下及不同充液率时的水锤效应;并采用最小二乘法拟合油箱的入/出射壁板变形公式。结果表明:随着破片速度、质量和油箱充液率的增大,水锤效应的破坏能力显著增强;破片形状对液体压力和壁板变形均具有一定的影响;破片的入射角度、方向将改变其在油液中的运动路径,进而影响水锤效应。     

基于飞机油箱模型形状特征的油量测量

在分析飞机数字式油量测量过程中目前广泛使用的切片法油量测量原理的基础上,针对现有的定步长切片法无法得到准确、可靠的燃油质量特性数据库的缺陷,结合对飞机油箱模型形状特征的分析,提出了基于飞机油箱模型形状特征的油量测量切片步长选择方法.此方法包括切片步长整体和局部选择两个过程,整体选择以实现相邻两切片平面所夹油箱模型体积近似相等为目的来确定切片步长,以体现油箱模型截面整体变化规律;局部选择以设计切片平面与截面突变平面重合或尽可能接近的方式,突出油箱截面的局部变化特征.实验结果表明:该切片步长选择方法较定步长方法能够建立更为合理、可靠的燃油质量特性数据库,从而提高了油量测量精度.     

民机机身耐撞性设计的波纹板布局

 耐撞性是民机机身结构设计的一项重要要求。为了研究以波纹板为吸能结构的机身结构能量吸收特性和冲击响应特性,针对常规的机身构型,提出了3种货舱地板下部波纹板布局形式,建立了相应的机身段有限元模型,对机身垂直撞击刚性地面的情况进行分析。获得了不同布局形式下的波纹板变形模式和能量吸收情况,以及机身段的破坏模式、能量吸收情况和座椅处的过载-时间历程。3种布局的对比分析表明,在机腹隔框下端和蒙皮之间布置波纹板,可以使机身下部结构的破坏模式稳定,显著降低座椅处的过载峰值,缩短高过载脉宽,有效提高机身结构的耐撞性。     

某飞机多舱燃油箱洗涤惰化的工程计算

为研究某飞机多舱燃油箱洗涤惰化过程,将洗涤气分为与燃油发生传质部分和未发生传质部分,通过理论计算获得洗涤气与燃油发生传质并向气相空间逸出的氧气量.未发生传质的部分用于气相冲洗,其余与液相洗涤逸出量相结合,建立模型进行工程计算.由此将整个洗涤惰化过程转化为有逸出的气相冲洗过程.结果表明:这种将洗涤惰化转化为有逸出的冲洗模型是可行的,其结果与实验值基本吻合.随着时间的增长,气相氧体积分数一般经历先增长后下降的过程,最终趋向于洗涤气体积分数.多舱飞机燃油箱的各舱氧体积分数值变化快慢与进气出气口位置和各舱体积有关.      

民用飞机机身燃油管路适坠性适航要求和验证方法研究

民用运输类飞机机身内燃油管路系统的适坠性设计是提供飞机在坠撞情况下的安全性和乘员生还率的重要技术。通过对相关适航规章立法背景的研究以及行业实践,总结分析了条款的适航要求,形成了机身燃油管路的适坠性设计指南和符合性验证方法。