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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

工业动态

我国首次进行民机适坠性试验8月24日,中航工业强度所顺利完成了民机典型机身段结构坠撞试验,这是我国首次进行的民机适坠性研究试验。该项目历时5年,主要针对民机应急着陆过程中造成机体严重破坏和乘员生存     

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.     

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...     

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。     

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%。     

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。     

“利尔风扇”在NASA进行坠毁试验

图中所示为ＮＡＳＡ／兰利研究中心新近完成的“利尔风扇”飞机的冲击试验片段，这项试验旨在验证飞机机身结构能量吸收材料的作用、机上人员的生存性以及小飞机的适坠性。由于驾驶舱和客舱底板结构采用以泡沫为基础，外覆盖有卡夫拉材料，大大减轻了机上试验假人的纵向载荷。试验飞机从４４米高处放下，沿航迹以２４米／秒的速度飞行，触地垂直加速度为９米／秒’。数据采集系统采用了一种新型的９０通道系统，它无须在试验机和地面记录站之间设立控制电缆。试验表明，机上ｇｇ座椅上的试验假人的脊椎骨承受了１４ｉｆ２牛的纵向冲击力，骨…     

民用飞机典型机身段适坠性仿真分析

<正>飞机耐撞性是民用运输机安全性能的一个重要体现,在飞机设计初始阶段已经被当作和静强度性能、疲劳强度性能同等的因素来考虑。世界各国的研究机构及学者对飞机适坠性展开了大量的试验和仿真分析研究。20世纪70年代开始,美国国家航空航天局(NASA)将登月着陆模拟装置改装为轻型飞机和旋翼飞机坠撞试验平台,开展了全尺寸坠撞试验以及机身段试验~([1-5]);90年代中后期,欧盟开展了"CRASURV"计划,研究了复合材料机身结构的抗坠撞设计以及坠撞安全评估     

民用飞机弹性结构水上迫降试验载荷研究

刚体模型和弹性体模型的载荷传递方式不同,为了研究刚体模型和弹性结构模型对飞机水上迫降载荷的影响,根据动力相似性原理设计制造了刚体模型,并根据强度相似性原理设计制造了弹性结构部件,通过气囊加载试验系统验证了弹性结构部件满足强度相似设计要求。通过水上迫降模型试验测得加速度-时间历程曲线,使用傅里叶变换处理试验数据得到加速度峰值。根据刚体模型的试验数据分析,飞机以初始俯仰角12°、襟翼为着陆构型、较小的下沉速度和中重心状态入水时,飞机在水上迫降过程中受到的载荷较小。研究表明：带弹性结构模型和刚体模型所得到的飞机载荷有明显的不同,带弹性结构模型得到的垂向加速度峰值明显低于刚体模型。这种现象主要是由于机体着水底部弹性结构变形吸收了大量的能量。