爆炸冲击载荷下机身壁板的动态响应

为了满足“最小风险炸弹位置(LRBL)”的设计要求,有必要针对爆炸冲击载荷下机身壁板的动态响应开展研究。参考典型客机机身结构建立了铝合金机身壁板有限元模型,分析了增压、爆炸冲击位置与药量对机身壁板变形模式与失效行为的影响。研究结果表明,当机身壁板蒙皮未发生失效时,增压对整体变形模式的影响较小。当机身壁板蒙皮发生失效时,增压对整体失效行为的影响剧烈;爆炸冲击不同位置时,冲击长桁及隔框位置造成的开口损伤较小,但是结构产生了更长的裂纹损伤;随着药量的增加,冲击波更快传递到结构,冲击位置获得了更大的变形速度。     

运输类飞机“最小风险炸弹位置”的研究进展

"最小风险炸弹位置"(LRBL)是运输类飞机型号合格审定最新的客舱安保要求之一。基于LRBL适航要求及相关的咨询通告,针对LRBL周围结构和系统的设计与布局、以及爆炸发生后的次生影响和应对措施,综述了飞机结构在内爆冲击载荷作用下的响应特性及失效模式的研究进展,梳理了人体在爆炸冲击波作用下的损伤机理及损伤模型,明确了爆炸碎片的破坏概率模型,总结了国内外抗爆容器的设计特征及优缺点,最后简述了中国民航大学天津市民用航空器适航与维修重点实验室为研究机身结构在内爆载荷下的响应特性所做的相关技术研究。     

复合材料Ω形加筋壁板低速冲击渐进损伤及剩余强度分析

研究复合材料Ω形加筋壁板结构在不同能量及位置的低速冲击作用下的渐进损伤及其冲击后剩余强度具有重要意义。通过编写VUMAT子程序,将选择的三维Hashin失效准则及刚度退化模式加入渐进损伤模型中并与文献中试验进行对照，进一步研究不同冲击位置及不同冲击能量对于模型冲击载荷、渐进损伤及剩余强度的影响。结果表明，在加强筋中央位置处冲击对结构剩余强度影响最大；相同冲击位置处，冲击能量越大，结构损伤越严重，剩余强度越小。这为复合材料Ω形加筋壁板的结构设计提供了参考。     

典型机身框地板梁缘条裂纹修理损伤容限分析

采用简单有效的方法对复杂的飞机结构进行损伤容限评定具有重要的意义,提出一种简单有效的应力强度因子获取方法,并结合损伤容限分析的一般流程,分析某机身框地板梁缘条含裂纹修补结构的疲劳寿命及使用寿命期内结构的剩余强度。根据机身框地板梁结构受载特点建立简化的分析模型,计算单位载荷时不同长度下裂纹尖端应力强度因子,再由结构边界载荷与应力强度因子的关系确定无量纲应力强度因子;根据损伤容限分析方法编制程序,计算结构在飞行载荷谱下从初始裂纹扩展到临界长度的寿命及各裂纹长度下结构的剩余强度,给出结构检查间隔。结果表明:结构修补后的疲劳寿命及剩余强度均满足损伤容限设计要求。本文给出的损伤容限分析过程及方法可应用于工程中类似结构的损伤容限评定。     

低速冲击损伤对复材加筋板压缩性能的影响

对无损伤及含低速冲击损伤的复合材料加筋板进行了压缩试验,分别采用数字图像相关方法（DIC）、电测法对加筋板屈曲后屈曲行为进行了实时测量。试验结果表明：冲击损伤对屈曲载荷、屈曲模态影响不明显,对破坏载荷及破坏模式影响较大;相比于完好加筋板,含冲击损伤加筋板蒙皮纤维损伤沿着横向扩展,导致结构提前破坏,强度降幅达30%。随后,采用软化夹杂法对冲击损伤进行了等效简化,并基于改进的Tsai-Wu准则、二次应力准则建立了复合材料加筋板渐进损伤有限元分析模型,分别对完好及含冲击损伤加筋板压缩后屈曲失效过程进行了模拟。与试验结果相比,预测的屈曲载荷误差小于1%,破坏载荷误差小于6%,屈曲模态、失效过程及破坏模式均与试验结果一致。最后,基于有限元分析方法讨论了蒙皮上冲击损伤位置对加筋板压缩性能的影响,分析得出：冲击损伤位置对屈曲载荷、屈曲模态影响较小,对破坏载荷和破坏模式影响较大,特别是当冲击损伤位于长桁帽底蒙皮波谷时引起的强度降幅最为显著。     

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。     

编织型复合材料的冲击及冲击后压缩强度的试验研究

通过对冲头进行设计 ,和采用多通道的数据采集系统 ,得到较为详尽的冲击响应的过程 (包括冲击力 ,试件的正背面响应 ,离冲击点不同距离的响应 )。并且本文还进行了冲击后的压缩试验 ,对编织型复合材料在不同冲击能量下的压缩破坏载荷 ,及损伤后不同位置的响应进行了记录和讨论 ,是一个全面了解冲击和冲击后压缩的应力分布和破坏载荷的较为满意的实验研究方法     

含缺陷复合材料层压板的压缩破坏机理

 本文综述了含缺陷(包括孔及冲击损伤)复合材料层压板在压缩载荷作用下的破坏机理及破坏模式,特别是对层压板构成最大威胁的低能量冲击损伤机理及压缩破坏模式作了比较深入的论述,总结出了四种破坏模式,并从分层断裂力学的观点出发给出了解决含低能量冲击损伤层压板的压缩剩余强度估算的途径。     

航空发动机承力系统抗变形能力评估

针对航空发动机承力系统的结构和力学特征,基于安全性设计要求,建立了整机承力系统抗变形能力的评估方法,分别从结构固有抗变形能力、稳态载荷下的抗变形能力以及瞬态冲击载荷下的抗变形能力3方面提出了当量刚度、间隙匹配系数、冲击放大系数3个评估参数.以典型高涵道比涡扇发动机承力系统为对象进行了抗变形能力评估.结果表明:以截面的等效刚度和承力系统最大等效刚度的比值作为结构当量刚度,以稳态载荷下整机系统各个截面的最小间隙与 最大间隙的比值作为间隙匹配系数和以瞬态冲击载荷与各个支点及安装节上支反力的最大峰值载荷的比值作为冲击放大系数,这3个参数均能较好地反映出整机承力结构的危险位置和极限载荷下的响应特征.最终的评估结果可以为承力系统结构方案设计和优化提供参考.      

复合材料机身壁板的强度分析与试验验证

复合材料在大型客机机身主承力结构应用是近年来的发展趋势，通过分析与大型壁板试验结合的方式研究了复合材料机身壁板的静力承载能力，以及疲劳与损伤容限特性。采用理论公式、半经验公式、有限元模态分析研究了蒙皮的屈曲载荷、壁板的承载能力。依靠创新的机身壁板多轴载荷试验系统，模拟机身壁板的实际受载情况，实现充压载荷、拉伸/压缩、剪切载荷的独立施加与组合施加。通过静力试验验证蒙皮屈曲的工程及有限元分析方法和壁板的剩余强度承载分析方法。引入预埋缺陷、BVID、VID冲击损伤，通过试验研究了损伤对应变分布的影响，并通过疲劳、损伤容限试验，验证了壁板的设计以及损伤的无扩展特性。     

机身加筋壁板复合加载损伤容限性能试验

为研究机身加筋壁板裂纹扩展规律和剩余强度特性,按照机身壁板承受内压和轴拉载荷边界条件的要求,设计并制造试验装置,通过静力试验验证了试验方案的正确性和合理性。损伤容限试验结果表明:纵向裂纹沿直线扩展,左右两侧裂纹扩展对称性较好,半裂纹长度小于80mm时呈缓慢裂纹扩展特性,该裂纹可检性好,检出概率较高;纵向裂纹失稳扩展导致最终破坏,在最远的框处呈现"T"字状的裂纹扩展破坏模式。研究结果可为新型客机机身结构损伤容限分析与设计提供数据支持。     

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。     

飞机机身着陆滑跑动态性能分析

飞机着陆滑跑过程中,机身结构将受到地面较大的冲击作用和振动激励。为预判结构局部危险部位,给结构强度设计提供参考,需对机身着陆滑跑过程中的动态性能进行分析。创新性地考虑了飞机滑跑速度和气动力的变化,计算得出飞机在着陆滑跑过程中较准确的气动力和起落架力,为有限元计算提供了可靠的外载输入。为降低计算规模,应用Patran合理设置约束条件,建立半机体有限元模型。最后将外载荷添加到半机体模型上,提交Nastran计算,提取机身各站位处的载荷响应峰值,做出动响应包线,预判结构局部危险部位,如机翼和机身框架连接处,为结构强度设计提供参考。     

Drop test and crash simulation of a civil airplane fuselage section

Crashworthiness of a civil airplane fuselage section was studied in this paper. Firstly, the failure criterion of a rivet was studied by test, showing that the ultimate tension and shear failure loads were obviously affected by the loading speed. The relations between the loading speed and the average ultimate shear, tension loads were expressed by two logarithmic functions. Then, a vertical drop test of a civil airplane fuselage section was conducted with an actual impact velocity of6.85 m/s, meanwhile the deformation of cabin frame and the accelerations at typical locations were measured. The finite element model of a main fuselage structure was developed and validated by modal test, and the error between the calculated frequencies and the test ones of the first four modes were less than 5%. Numerical simulation of the drop test was performed by using the LS-DYNA code and the simulation results show a good agreement with that of drop test. Deforming mode of the analysis was the same as the drop test; the maximum average rigid acceleration in test was 8.81 g while the calculated one was 9.17 g, with an error of 4.1%; average maximum test deformation at four points on the front cabin floor was 420 mm, while the calculated one was 406 mm, with an error of 3.2%; the peak value of the calculated acceleration at a typical location was 14.72 g, which is lower than the test result by 5.46%; the calculated rebound velocity result was greater than the test result 17.8% and energy absorption duration was longer than the test result by 5.73%.     

含低速冲击损伤层合板的压缩破坏研究

层合板低速冲击后的压缩破坏研究对于复合材料结构设计具有重要意义.按照ASTM D 7136、D 7137试验标准对CCF300/5228层合板进行低速冲击和压缩试验;基于累积损伤理论,以低速冲击数值仿真得到的损伤作为初始损伤,结合应变失效准则和材料性能退化方法,建立含低速冲击损伤层合板的压缩破坏分析模型;使用该模型研究CCF300/5228层合板的损伤演化过程和剩余压缩强度.结果表明：该模型能够较好地解释试验过程中的损伤现象,预测含冲击损伤层合板的剩余压缩强度;损伤扩展和破坏模式与试验结果一致性好.     

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。     

爆破战斗部对超音速导弹毁伤效应研究

通过对不同弹目相对距离、交会角工况下,爆破战斗部冲击起爆超音速导弹战斗部临界距离和结构毁伤发动机舱效应的数值模拟计算,研究、评估了爆破战斗部爆炸产生的冲击波和爆轰产物对超音速导弹的毁伤效应。结果表明:爆破战斗部对超音速导弹的毁伤以结构毁伤为主,冲击起爆超音速导弹战斗部能力较弱;爆破战斗部对超音速导弹发动机舱的毁伤效应,随弹目相对距离的增加而迅速减小;弹目相对距离相同时,各工况下的毁伤效应,先随弹目交会角的增大而增大,而后随弹目交会角的增大而减小。