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。     

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。     

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。     

波音757客改货主货舱地板梁改装

对波音757-200改装过程中客舱段地板梁的构型及受力进行分析,介绍了地板梁的改装意义和改装内容,阐述了在改装过程中遇到的技术难点及解决方法。     

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。     

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。     

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。     

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.     

翼身融合布局民机非圆截面机身结构设计研究综述

翼身融合布局飞机具有大升阻比、低阻力、低噪声等优点，是未来民机最具潜力的发展方向之一；但由于特殊布局所采用的非圆截面增压机身，给翼身融合布局民机结构设计带来了巨大挑战。为了降低非圆截面机身承受增压载荷时产生的高弯曲应力、提高机身结构稳定性及承载效率，翼身融合民机机身结构设计先后经历了圆柱组合式多舱室机身、双蒙皮多舱室机身、带加强支撑的盒式机身、基于拉挤杆缝合高效一体化结构（Pultruded Rod Stitched Efficient Unitized Structure，PRSEUS）的盒式中央机体等发展阶段，其中最具承载优势和可实现性的是由美国国家航空航天局NASA和波音公司共同提出的基于PRSEUS盒式中央机体结构设计方案。PRSEUS结构不仅充分利用了复合材料一体化缝合、整体共固化、低成本等制造优势，而且具有抗拉伸/压缩、多路径止损/止裂、刚度和稳定性裕度大、承载效率高、易金属修补等优异的力学特性，已被拓展应用到了翼身融合民机机翼等结构设计中。本文以非圆截面机身结构设计为重点，回顾了翼身融合民机结构设计发展历程；从整机身结构、关键部件结构、整机优化设计等方面详细阐述了翼身融合民机结构设计的研究进展与发展现状，基于国外相关技术研究发展趋势，提出了中国翼身融合民机机身结构设计研究未来需要重点关注的方向。     

铰接的特点及其在飞机结构设计中的应用

以铰接为主要对象,研究铰接的特点及其在飞机结构设计中的应用.介绍了铰接的原理及假设理想铰接的意义和方法,分别对飞机主起落架、机身中部地板梁、翼身整流罩拉杆设计中采用的典型铰接结构进行了力学模拟简化,分析了铰接对结构之间传力模式转化起到的作用和对结构刚度设计的影响.说明铰接可以使结构部件之间获得较好的柔性连接,避免关键结构承受有害载荷,在飞机结构中应对结构连接进行合理设计,以提高结构效率.     

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。     

民用飞机机身中等开口结构的设计与研究

民用飞机机身的开口设计是飞机设计过程中的重要组成部分,一个成功的机型必须要有优秀的开口设计。以某型飞机为例,详细分析和探讨了机身中等尺寸开口的结构设计过程,具体包括开口载荷分析、相关零部件设计、间隙及阶差设计、密封及表面防护设计等方面的内容。