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。     

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。     

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。     

民用飞机客舱快速设计及自动化调整

为提高总体设计的质量和效率,研究了民用飞机机身剖面构型及客舱的设计措施,并在一个开放式飞机总体设计环境中实现这一功能。定义了飞机机身类部件坐标系,提出了机身剖面构型、地板、装饰层、厨房、卫生间、衣帽间、应急出口、舱门、舱段隔板、座椅和行李架等的参数化描述和模型构建方法,设计了客舱参数化描述数据结构、剖面构型与客舱布置的数据对应关系及客舱设计逻辑,建立了交互式机身剖面构型和客舱二、三维快速设计环境。在此基础上,实现了客舱模型的自动化调整,为总体设计阶段进行多学科设计优化奠定了基础。最后,给出若干设计实例说明了该方法的有效性。     

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。     

设计保证体系建设和审查的专题研究之三 ——设计保证若干热点研究

客舱地板梁结构是民用飞机机身结构的重要组成部分,其中地板横梁承担着旅客及座椅的载荷,需要分别与地板纵梁、支柱和机身框连接,是比较关键的结构。对典型机型的地板横梁结构形式和材料进行了介绍,并分析优缺点,最后对民用飞机地板横梁结构方案进行了总结。为民用飞机客舱地板梁概念设计提供参考和借鉴。     

民用飞机客舱地板横梁结构研究

客舱地板梁结构是民用飞机机身结构的重要组成部分,其中地板横梁承担着旅客及座椅的载荷,需要分别与地板纵梁、支柱和机身框连接,是比较关键的结构。对典型机型的地板横梁结构形式和材料进行了介绍,并分析优缺点,最后对民用飞机地板横梁结构方案进行了总结。为民用飞机客舱地板梁概念设计提供参考和借鉴。     

典型民用飞机全机坠撞实验研究

民机全机坠撞实验是评价民用飞机适坠性的最直接手段,也是民机适坠性领域的世界性技术难题。提出全机坠撞实验高精度提升控制与高可靠投放方法,给出了结构响应、假人响应等关键物理量的测试方法,引入了分布式多目相机全场大变形连续测试方法。构建了全机坠撞动响应测试系统,使用统一时间基准触发,对坠撞后地面撞击载荷、结构加速度响应、假人响应以及飞机破坏变形进行了分析,获得了机体不同部位的响应分布规律;提出了修正的适坠性综合评估指数ICI。结果表明：全机坠撞实验测试数据完整可信,实验飞机在5.71 m/s垂直坠撞后,客舱地板下部结构变形严重,机翼的惯性效应导致中央翼区域机身上部结构产生明显变形;不同机身段的刚度差异造成该部位坠撞载荷和动响应的显著差异,刚度越大变形越小加速度响应越大;坠撞后乘员受载在安全范围内,客舱座椅结构完好,舱门可正常打开,乘员生存空间足够,乘员撤离通道畅通。实验飞机在给定状态下具有较好的适坠性,相比原始ICI指数,修正后的评估结果具有更好的工程适用性。     

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。     

民用飞机客舱地板滑轨结构研究

客舱地板结构是民用飞机机身结构的重要组成部分,其中滑轨结构与客舱地板横梁连接,是比较关键的结构,直接承担着飞机旅客载荷以及座椅的载荷。 首先介绍说明了民用客机地板结构的受力情况,其次针对目前国际典型机型的客舱地板滑轨结构形式、材料选材以及滑轨与横梁的连接形式等内容进行了分析说明,给出了各机型客舱滑轨结构形式的结构特点,再者从民用飞机客舱的滑轨冠部的设计、滑轨上缘条的设计以及滑轨高度的设计三个方面对客舱滑轨结构设计进行了分析与说明,给出了民用飞机客舱地板滑轨结构设计分析的要点和一般方法。 最后对民用飞机客舱地板滑轨结构设计方案进行了总结归纳与分析,为民用飞机客舱地板滑轨结构设计提供参考和借鉴。     

Crashworthiness analysis of aircraft fuselage with sine-wave beam structure

An integrated design concept for crashworthy fuselage using sine-wave beam and strut is proposed and investigated. The finite element model of aircraft fuselage is built first. The structures above cabin floor, occupant and seat are simplified as two rigid blocks. The fuselage frame is redesigned, and the sine-wave beam is arranged under the frame. The impact dynamic performance of the aircraft with bottom sine-wave beam structure is studied and compared with that of conventional type. To obtain better crashworthiness performance, different rigidity of strut is combined with the sine-wave beam bottom structure. Numerical simulation result shows that the proposed sine-wave beam bottom structure could not only dissipate more proportion of impact kinetic energy but also reduce the initial peak acceleration. The structure and rigidity of strut have great influence on the crashworthiness performance. To give a better fuselage structure, both of the strut and bottom structure should be properly integrated and designed.     

用于直升机舱内降噪的主减周期撑杆研究

主减速器齿轮啮合产生的中高频谐波振动是直升机舱内噪声的主要来源之一,通过抑制该振动向机体的传递可达到舱内降噪的目的。基于金属/橡胶周期结构,提出了一种适用于直升机舱内降噪的串/并联复合型主减周期撑杆,不仅具有宽频减振特性,而且能够满足直升机对撑杆的强度和刚度要求。为指导这种周期撑杆的设计,首先采用谱单元法建立了复合型主减周期撑杆的动力学模型,进一步建立了该周期撑杆的刚度和强度分析模型;在此基础上,分析得到了该周期结构的主要设计参数对减振特性、刚度及强度的影响规律;最后,以某轻型直升机为背景机设计了复合型主减周期撑杆,对其减振特性、刚度及强度特性进行了仿真研究,结果表明：所提出的设计方案可满足该直升机对主减撑杆的刚度和强度要求,且撑杆两端位移传递率在500~2 000 Hz频率范围内的最大振动衰减超过60 dB,验证了本文所提出复合型周期撑杆方案的可行性。     

基于地板结构的机身双层双向加载技术

以民机结构试验机身垂向加载方式为研究对象,分析对比了3种加载方案（蒙皮胶布带加载、客舱地板单层加载、客舱和货舱双层地板结构加载）。结果表明双层地板结构加载方案能够更真实地模拟机身框结构内力分布,更适合作为全机结构试验机身加载方案。在此基础上提出了基于地板结构的机身双层双向加载技术。通过开发一种机身载荷施加策略及配套的加载装置设计技术,解决了固定杠杆比加载系统实现不同工况机身有效加载的问题,并通过全尺寸模拟试验,证明加载装置末端节点载荷分配误差小于1%,加载装置设计满足试验使用要求。该技术被成功应用于某型在研飞机全机静强度适航验证试验,提高了试验质量与效率,并可为同类试验提供技术参考。     

复合材料变截面压杆变形性能研究

为了对复合材料变截面压杆的变形性能进行理论预测,本文以航天器空间桁架结构中的复合材料变截面压杆作为研究对象,首先,基于经典层合板理论,将复合材料变截面杆的壁板等效为主方向与杆轴线方向一致的正交异性板,此时复合材料变截面杆可近似为正交异性杆;其次,基于弹性变形理论和小变形假设,推导了反映杆轴向变形能力的等效轴压刚度理论公式;最后,利用有限元对等效轴压刚度理论的准确性进行了验证。结果表明,不同中间半径和变截面段长度条件下,理论值和有限元值之间的偏差基本保持在3%以内;不同铺层角条件下,理论值和有限元值之间的偏差基本保持在2%以内。因此,本文的理论能够较准确地预测复合材料变截面压杆的变形。     

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%.