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.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

民用飞机客舱的适坠性设计

<正>适坠性是飞机安全性能的重要指标,它的优劣在一定程度上决定了成员的生存率,为确保乘员在坠机事故中存活,必须在民用飞机设计之初就综合考虑。本文从三个方面结合R一25部的相关规定对民用飞机客舱设计中需考虑的适坠性因素进行了综合分析。适坠性设计,指的是在基本设计中综合考虑保护飞机乘员安全,使之处于一种“可幸存的坠撞环境”中。当客舱乘员迅速撤离飞机时,这种“可幸存的”坠撞环境的设计就获得成功。美国联邦航空局(FAA)对适坠性的研究途径原则上包括三个方面:保护机上乘员免于坠撞冲击;将坠撞着火发生及扩大的可能性降至最小程度;机上乘员     

运输类飞机的机身抗烧穿性适航要求解析

运输类飞机可生存坠撞后的火灾是客舱安全范畴内的重要问题之一.提高机身抗烧穿性,即推迟火焰进入客舱的时间,可为乘员应急撤离提供时间保证.介绍了运输类飞机坠撞后的池火火焰特征,包括最高温度、热流密度等特征的范围及其影响因素,重点论述了机身结构烧穿过程,剖析了适航规章中的抗烧穿符合性判据,梳理了抗烧穿性试验方法的发展过程,最后对我国未来运输类飞机机身抗烧穿研究的发展进行了展望.     

典型航空座椅/乘员系统水平冲击特性实验

为研究典型航空座椅/乘员系统的水平冲击特性和载荷传递规律,基于结构水平冲击实验台系统,综合考量脉冲波形、假人响应和座椅响应,模拟座椅/乘员系统水平动态冲击过程,测试和分析假人运动过程和运动轨迹、假人内部加速度和载荷响应、座椅结构典型部位加速度和典型部位应变等,并基于实验结果研究座椅/乘员系统动态冲击响应的变化规律。结果表明：假人头部运动显著,假人内部响应变化趋势与加速度脉冲波形相近,且假人骨盆加速度和腰椎载荷最大,受损概率最大;座椅和假人均具有两条载荷传递路径,载荷主要经过座椅后椅腿和假人腰椎部位;座椅结构整体处于弹性变形阶段,典型加速度的变化趋势与加速度脉冲波形相近,后椅腿及其与后椅管和扶手架连接处受载显著应变最大;座椅内部加速度和应变与对应标记点的Z向距离密切相关。     

通用飞机机身结构耐撞性仿真分析

随着我国通用航空业的不断发展,对飞机的耐撞性能力研究有比较迫切的要求,需要对乘员提供更好的安全保障。本文介绍了AC500型飞机的抗坠撞设计要求和该机的抗坠撞设计特点,在该机三维电子样机的基础上建立了机身结构有限元模型,然后根据规范规定的实验条件对该机进行了瞬态动力学仿真模拟研究,并对结果进行了分析和比较。     

“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…     

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。     

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。     

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。     

运输类飞机适坠性审定技术研究进展

为了提高坠机事故中乘员的生存率．飞机应当具备良好的适坠性,将乘客的冲击过载限制在人体所能承受的范围内。本文综述了近年来国内外有关飞机适坠性试验与数值模拟应用的研究成果与发展前景,在此基础上指出了我国民用飞机适坠性审定技术中存在的主要问题。