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。     

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。     

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%。     

大飞机典型货舱下部结构冲击试验及数值模拟

针对大飞机全尺寸三框两段货舱地板下部结构，分别进行3.95 m/s和5.53 m/s的落重冲击试验，对比分析其变形模式和冲击响应特性。建立货舱地板下部结构有限元模型，通过仿真结果与试验结果的相关性分析来验证有限元模型，并进一步分析不同冲击速度对货舱地板下部结构变形模式和冲击响应特性的影响。结果表明：在3.95 m/s冲击下，中间支撑件与机身框连接区域铆钉未发生失效，在5.53 m/s冲击下，中间支撑件与机身框连接区域铆钉发生失效，且最终压缩位移量增大221.0%,最大加速度峰值降低19.9%,最大冲击力峰值降低2.9%。有限元模型能够很好地复现冲击试验过程，准确模拟机身框、中间支撑件及C型支撑件等变形情况，捕捉到中间支撑件与机身框连接区域的铆钉失效情况，在3.95 m/s和5.53 m/s冲击下，仿真与试验获得的最大加速度峰值偏差分别为4%和11.4%。中间支撑件与机身框连接铆钉在4.0～4.5 m/s的速度区间内发生失效，导致货舱地板下部结构整体压缩量迅速增大，中间支撑件吸能占比下降，机身框吸能占比上升。撞击区域铆钉失效对货舱地板下部结构变形模式、冲击响应和吸能特性有显著影响，研究成...     

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。     

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.     

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。     

民机机身下部结构耐撞性优化设计

 针对含多设计参数的典型民机机身下部结构耐撞性设计,提出了一种设计方法,该方法以最小化客舱地板的初始加速度峰值与最大化参考压溃状态的结构内能为优化双目标,通过Kriging模型对结构的冲击响应进行预测,采用非支配排序遗传算法II(NSGA-II)对双目标进行优化,进而由Nash-Pareto策略获得最优方案。为了得到最优设计方案,同时研究设计参数对机身结构耐撞性的影响,提出最大化期望提高与最大化预测方差同步加点准则建立代理模型。采用该设计方法,以典型民机机身下部结构设计问题为算例,对客舱地板支撑结构、货舱地板和泡沫构件形状参数进行优化。结果表明,相对原始设计客舱地板的加速度峰值降低约18.3%,次高加速度峰值也得到有效降低,改善了机身结构的耐撞性;Kriging模型预测响应与有限元分析结果误差小于1%,说明了设计方法的有效性。     

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。     

带油箱结构的机身框段坠撞仿真分析

 主要研究了任意拉格朗日/欧拉耦合方法计算带油箱的机身框段的坠撞过程。首先,建立了带油箱结构的机身框段坠撞分析模型,包括机身框段结构模型和欧拉流体模型。采用水代替油箱内部燃油,考虑了不同装水量对机身框段耐撞性的影响。分析了坠撞过程中的液体晃动和泼溅与机身坠撞响应的影响,给出了装水量和机身框段最大垂向压缩位移、最大过载和能量吸收等参数之间的关系。通过仿真分析,揭示了冲击载荷作用下油箱内部燃油量对机身框段各个部分结构的损伤破坏的影响。研究指出,在垂直撞击环境下,机身加强框和蒙皮是主要的吸能结构。在油箱内装水量多的情况下,油箱结构的吸能作用不能忽略。给出了应急着陆或可生存坠撞事故发生前,飞行员所应采取的紧急措施。     

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。     

民用飞机机身段适坠性数值仿真分析

在飞机紧急迫降过程中,首先要保证碰撞后乘客在客舱区域有足够的逃生空间,其次基于结构强度和撞击持续时间,要确保传递给乘客的加速度和冲击载荷必须降低到人体损伤容限以下。对飞机机身部分结构进行了有限元建模,模拟了其从4.27 m的高度开始坠落,产生9.14 m/s的垂直冲击速度,整个分析过程使用ABAQUS/Explicit计算完成。对机身碰撞后的整体变形展开研究,如机身选定位置的加速度时间历程以及关键结构部件的能量吸收历程,最后确定机身隔框对冲击过程中的能量吸收起着最重要的作用,其次为蒙皮和客舱地板梁。在机身结构的右侧(本文的方向为飞行员视角,与读者看到的方向左右相反)有货舱门和门框,由于机身结构的不对称性,造成左右两侧的速度和加速度不一致。     

鸟撞风挡问题分析方法研究

在鸟体撞击风挡结构过程中,鸟体与风挡相对撞击速度非常大,是飞机结构损伤的重要因素,严重时会引发机毁人亡的灾难性事故。本文基于鸟撞风挡问题,采用对比分析的方法,对目前鸟撞风挡问题的地面试验法、工程计算法及有限元仿真法进行了详细介绍,比较了不同方法的适用条件、范围及其优劣；最后选取某飞机风挡层合玻璃作为研究对象,采用有限元仿真法,建立了风挡鸟撞模型,利用任意拉格朗日欧拉耦合法(ALE)完成了相关分析,得到了鸟撞风挡的变形及其速度、加速度等参数,通过比较分析结果,为飞机风挡设计提供参考。     

某飞机机身框段缩比模型坠撞分析

运用MSC．Dytran的显式算法对某飞机机身框段的1／5缩比模型进行了瞬态有限元数值仿真分析,并与NASA技术报告中的分析结果和试验值进行了比对,证明了建模方法的可靠性。     

直升机坠毁响应的有限元模拟

 本文概述用非线性有限元技术对直升机结构的坠毁过程进行数值模拟。所分析的结构包括飞行员座椅、座椅减震器、地板盒段和滑撬。问题被当作结构在规定初速度或脉冲载荷作用下的非线性（大变形与弹塑性）动反应。用特殊设计的单元模拟减震器及座椅滑轨,用间隙单元模拟结构与地面的撞击。     

采用流固耦合方法的整级叶片鸟撞击数值模拟

利用MSC.DYTRAN软件建立了鸟撞航空发动机叶片转子级瞬态动力学有限元模型,采用流固耦合算法,模拟受气动和离心载荷作用并稳定旋转的发动机转子叶片,遭受不同鸟体撞击的瞬态响应过程.计算结果表明:鸟体撞击会使叶片产生巨大的瞬时冲击应力;鸟体速度、密度和尺寸的增加,将迅速增加叶片的冲击应力峰值,当叶片硬化和变形能力达到充分发展后,冲击应力峰值的增加速度会变慢;同时,叶片材料静态硬化模量的增加也会提高冲击应力峰值,而静态屈服强度的增加则会减小冲击峰的作用时间.最后还进一步模拟了鸟撞使叶片发生失效破坏的过程.      

宽弦空心风扇叶片大鸟撞击试验研究

为了建立钛合金空心风扇单叶片大鸟撞击试验方法，针对宽弦钛合金空心风扇叶片开展了大鸟撞击叶片位置敏感性分 析、鸟撞参数设计及鸟弹姿态控制研究，制定了大鸟撞击风扇叶片试验方案，完成了试验装置设计并进行了验证试验。结果表明：钛 合金空心风扇叶片对大鸟撞击位置敏感性强，撞击最危险位置为50%叶高处；通过采用人工明胶鸟弹、优化弹托和增加泄压段，可 有效提高鸟弹姿态控制精度；验证试验结果与设计预期吻合度良好，表明风扇叶片静止且鸟与风扇叶片的相对速度为工作状态下 的大鸟撞击试验可有效模拟大鸟撞击叶片的冲击历程。     

鸟撞试验弹托脱壳过程模拟与试验验证

为避免在航空发动机风扇鸟撞试验中弹托在剥离时发生破损而导致其碎片飞入试验舱,开展了鸟撞试验脱弹过程的冲 击动力学研究。采用LS-DYNA动力学仿真软件对鸟撞试验中弹托与脱弹器撞击过程进行了数值仿真分析。考虑到脱弹过程中 材料高应变率的影响,应用Johnson-Cook材料模型描述了弹托和脱弹器的本构关系,采用有限元分析获取了弹托的变形、位移、应 力、动能等参数的变化过程。采用压缩空气炮进行了鸟弹发射,并将弹托变形的仿真结果与试验结果进行了对比。结果表明：弹 托变形的仿真结果与试验结果相差4.4%,证明仿真方法有效;在脱弹过程中弹托前端会张开,产生喇叭口状变形;弹托中后部的 应力水平始终保持在80 MPa以下,不会因冲击作用发生破损而导致其碎片飞入舱体。