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。     

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。     

运输类飞机旅客座椅动态冲击仿真方法研究

介绍了使用瞬态有限元软件与经SAE 1999-01-1609修正的Hybrid III ATD(Anthropomorphic Test Dummy)模型的组合进行运输类飞机旅客座椅动态冲击仿真分析的方法,重点描述仿真模型的评估原则和仿真分析过程中的关键要素和审定判据,运用计算机模型来精确预测物理试验的结果,将目前最佳的实践方法展现给工程分析人员以达到节省研发与取证成本的目的。     

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.     

直升机起落架抗坠毁性能的有限元仿真评估

 建立了直升机起落架抗坠毁有限元模型,模拟硬着陆和坠毁过程,以考察起落架在坠毁事故发生时的吸能能力。有限元建模使用真实的几何模型,用一个虚拟的框架代替机身把起落架连接起来,全机质量折算为减缩质量并分布到该框上。缓冲器用弹簧—阻尼器单元替代,其参数由性能曲线给出。使用非线性瞬态动力学的显式解法求解冲击问题。对两种情况进行了仿真:分别以6.0m/ s 和10.2m/ s 的垂直速度撞击地面。坠毁实验表明仿真结果与实验结果具有较好的一致性。     

带稳定板装置弹射座椅偏航稳定性能研究

针对国内弹射救生领域现状,设计了一种适合于国内某型座椅的弹射救生系统稳定板。运用计算流体力学(CFD)数值计算方法,对改装稳定板前后的人椅系统进行了高速流场下的静态和动态特性分析,并与风洞试验结果进行对比,两者吻合较好。改装稳定板前后的数值计算对比表明:在不对俯仰和滚转性能产生不利影响的情况下,稳定板的改装对人椅系统的偏航性能有比较明显的改善。六自由度动态计算比较真实地模拟了弹射出舱的过程,也进一步验证了稳定板对改善偏航稳定性能所起到的作用。数值计算完全可以应用于弹射座椅的气动研究,同时稳定板的设计对工程上的应用具有一定的参考价值。     

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。     

Numerical modeling of the impact on water of a flexible structure by explicit finite element method — Comparisons with Radioss numerical results and experiments

The current development of crash calculation codes associated with the significant improvement in the performance of data processing facilities allow us to consider, in an industrial framework and under interesting economical conditions, numerical simulations of the impact on water of a deformable structure. A transient fast dynamic finite element method has been chosen for its potential to model the nonlinearities of the structure, geometrical, material or contact nonlinearities. It is evaluated here for various test cases for which the analytical and numerical results are available.The correlations between calculations and reference results, and their costs, allow such an approach to be validated subject to a definitive validation on a representative structure.     

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。     

先进的变载吸能器

传统的定载吸能器以50百分位男性乘员满足95％生存率为条件设计，它不能为全体乘员提供保护，变载吸能器能够根据乘员重量而调节动作载荷，为全体乘员提供最合理的保护，同时可以大大降低吸能器的冲击行程。     

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%。     

人椅系统绕流流场的数值模拟

以某种成熟型号的弹射座椅为研究对象,对其进行合理简化、改进,获得了接近实体的人椅系统几何模型.借助CFD软件FLUENT,采用控制容积法,对N-S方程、壁面函数、标准湍流方程进行了求解.在验证计算数据与实验数据相吻合的基础上,考察了马赫数为0.2,0.6,1.2,攻角为0°60°,偏转角为0°30°条件下可压缩人椅系统绕流流场情况,得到了人椅系统绕流流场的流速、压力、马赫数、表面压力及气动力参数分布情况和变化规律.结果表明:高马赫数、零攻角、大偏转角对人体造成的损害程度最大.      

武装直升机抗坠毁救生技术

通过对直升机抗坠毁救生技术的分析,着重阐述了抗坠毁座椅的工作原理、特性要求, 讨论了吸能机构、约束装置、座椅垫的设计思想,分析了人体损伤机理和耐限。得出了武装直升机座椅、起落架和机体下部结构的抗坠毁性能,特别是座椅的抗坠毁性能决定抗坠毁生存率的结论。     

战斗机弹射救生系统数值模拟研究

对弹射救生系统这种几何外形复杂、不规则非流线型钝体,以Jameson有限体积法为基础发展了一套基于高质量混合网格的Euler方程解算器,在Euler方程解算器基础上,采用S-A湍流模型发展了一套同样基于混合网格的N-S方程解算器,初步建立了适合弹射救生系统这类几何外形复杂物体的数值模拟技术平台,并采用多种加速收敛措施和合适的耗散项模型使得所发展的解算器在软件实现上鲁棒性很强。通过选取合适的计算起始迎角,对弹射救生系统成功地进行了大迎角和大侧滑角绕流计算,获得了与风洞试验比较吻合的计算结果,并且可以清楚地观察流场中马赫数分布、弹射救生系统各部位压力分布等流场细节,对弹射救生系统空气动力特性分析具有重要的指导意义。该计算平台可作为风洞试验的合理补充、加强和完善。     

基于CEL的某型飞机撞水数值仿真

飞机水上迫降已成为适航取证不可缺少的一部分.飞机撞水过程属于复杂的流固耦合模型,从发生在2014年震惊全球的马航MH370航班失事重大事故的背景出发,依据流固耦合理论为基础,对失事客机波音B777-20ER进行非计划的水上迫降冲击动力学分析研究.利用有限元仿真软件ABAQUS采用耦合欧拉-拉格朗日算法(CEL)模拟失事飞机在无计划情况下撞水过程.根据马航MH370官方发布的事故搜救信息和安全调查讨论,建立合理的飞机撞水有限元模型,对不同工况下进行数值模拟,着重讨论飞机偏转角和飞机翼尖压强变化趋势,验证采用CEL法研究飞机水上迫降性能的可行性,也为研究水上迫降和航空失事飞机搜救调查提供参数指导和技术参考.     

A numerical model for bird strike on sidewall structure of an aircraft nose

In order to examine the potential of using the coupled smooth particles hydrodynamic(SPH) and finite element(FE) method to predict the dynamic responses of aircraft structures in bird strike events, bird-strike tests on the sidewall structure of an aircraft nose are carried out and numerically simulated. The bird is modeled with SPH and described by the Murnaghan equation of state, while the structure is modeled with finite elements. A coupled SPH–FE method is developed to simulate the bird-strike tests and a numerical model is established using a commercial software PAM-CRASH. The bird model shows no signs of instability and correctly modeled the break-up of the bird into particles. Finally the dynamic response such as strains in the skin is simulated and compared with test results, and the simulated deformation and fracture process of the sidewall structure is compared with images recorded by a high speed camera. Good agreement between the simulation results and test data indicates that the coupled SPH–FE method can provide a very powerful tool in predicting the dynamic responses of aircraft structures in events of bird strike.     

混合式动压气体轴承结构优化与可靠性分析

通过将径向、止推螺旋槽动压气体轴承相结合,建立了混合式动压气体轴承的润滑分析模型。阐述了其结构特点与润滑机理,建立轴承无量纲稳态Reynolds控制方程。提出混合式动压气膜压力耦合计算方法,推导气膜压力差分表达式,定义边界条件,构建气膜压力分布的数值计算方法。以最大径向承载力为目标优化结构参数。基于最优结构参数建立轴承气膜有限元模型,运用CFD分析轴承转子系统受不同冲击载荷时径向稳定性变化规律,研究混合式动压气体轴承动态特性与可靠性。搭建混合式动压气体轴承试验台,验证数值计算方法和有限元仿真分析的正确性。结果表明:提出的压力耦合计算方法可以准确地计算分析稳态气膜压力分布、承载力和承载性能,有限元仿真能更好地模拟动态流场变化,计算分析动态承载力、动态特性系数和稳定性。高转速下混合式气体轴承承载力、稳定性较好,对单向阶跃力、单向矩形力的抗冲击能力强,可靠性强。混合式动压气体轴承在优化承载性能与刚度的同时,应考虑抗冲击特性和稳定性以提高轴承的综合性能。      

高空台动静架连接新型篦齿密封结构封严特性研究

针对高空模拟试车台动静架连接处气体泄漏问题,开展基于中段进气的新型篦齿密封结构优化设计与封严特性的数值模拟与试验研究。设计了新型篦齿密封结构,选取篦齿齿尖厚、齿根厚及后倾角为参数变量,泄漏量为优化目标函数,根据Box-Behnken方法设计的样本点和数值计算结果建立二阶响应面模型,开展新型篦齿密封结构泄露特性数值模拟与优化研究,并通过实验进行验证。研究表明,实验结果与有限元计算结果误差不超过10％,验证了数值模型的准确性;通过优化设计与分析,新型篦齿连接结构泄漏量降低12.5％,使得该结构更容易实现最优的封严效果。新型篦齿密封结构封严特性较初始结构提高99.2％,消除了由连接处泄漏带来的附加阻力695.2N。本研究对改进现有高空台动静架连接篦齿密封结构,提升其试验台推力测量的准确性具有重要作用。     

水平冲击下头排乘员损伤及保护姿势研究

为研究水平冲击下不同参数对于头排乘员损伤的影响及不同保护姿势的保护效果。首先进行水平16g动态冲击试验,建立相应的数值模型,验证模型有效性;其次通过正交试验设计进行参数研究,揭示头排座椅间距、安全带刚度、隔板刚度、安全带固定点位置对于乘员损伤的影响;最后研究直立式、抱脚式、手顶式3种姿势对于头排乘员的保护效果。结果表明头排座椅间距以及隔板刚度对乘员头部损伤影响显著;头排乘员头部、颈部、股骨、胫骨损伤对安全带材料特性及安全带固定点位置不敏感;抱脚式、手顶式保护姿势均对头排乘员头部有较好的保护效果。在水平冲击下采用头部前倾的抱脚式保护姿势可使头排乘员头部、颈部、股骨及胫骨损伤均小于限定值。     

航天发动机机匣包容性试验的数值模拟

本文采用基于冲击动力学理论的有限元数值分析方法模拟了在旋转试验器上进行的某发动机机匣的包容性试验过程,反映了撞击过程中断叶和机匣的能量变化历程,较好地模拟了试验结果。研究结果对航空发动机机匣的包容性设计有一定的参考价值。