性别差异对飞船返回着陆冲击下乘员动态响应影响的仿真研究

为探讨性别差异对飞船返回着陆冲击下乘员动态响应的影响,根据飞船着陆实际工况,首先使用Pro-E软件建立座椅模型,然后采用50thHybird III男性假人和5thHybird III女性假人在Hyperworks软件中建立男性、女性假人-座椅系统有限元模型,通过着陆冲击试验数据对模型标定,仿真分析在较高G值(峰值26g)冲击下人体重要部位的加速度响应性别差异性。仿真结果表明,胸背向假人肩部、胸部和骨盆加速度峰值女性比男性高出31%以上,而在头部男性比女性高29%;头盆向假人头部和肩部加速度峰值女性比男性高出80%以上,骨盆加速度峰值女性比男性高37%,在胸部女性比男性高10%。研究表明:在相同的冲击载荷下,女性头颈部、骨盆加速度响应超过男性,更易受到损伤,提示应加强在冲击过程中对女性头颈部和骨盆的防护。     

安全带对航空座椅及乘员冲击响应的影响

以典型三联旅客座椅为研究对象,建立了经试验验证的航空座椅有限元模型,研究了安全带固定点位置、安全带刚度和安全带形式等参数的变化对座椅系统动态响应的影响。在水平冲击下,安全带固定点位置对乘员运动轨迹和椅腿受载的影响显著,后左椅腿和前左椅腿Z向受载均随着安全带角度的增加而减小。安全带固定点位置对安全带载荷的影响较小。安全带刚度对乘员运动轨迹、安全带载荷和椅腿载荷的影响均显著。随安全带刚度增大,其自身承受的载荷增加,乘员前移距离和椅腿受载均减小;此外,与两点式安全带相比,Y型安全带对乘员的约束效果更好,可减小头部X向峰值位移63 mm,头排座椅中可以考虑安装Y型安全带以减少座椅与隔板的安装距离。     

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。     

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.     

多元连杆多种冲击方式载荷及响应特性分析

为了获取并分析多元连杆的冲击力以及各传力路径上的应变响应特征,采用气炮、悬臂落锤、液压等3种冲击加载方法对发动机多元连杆进行冲击加载。对冲击力和冲击应变响应曲线进行了时间域和频率域的特征分析,获取了冲击力和应变响应的波形特征和频谱特征。通过与静载应变响应的对比获得动静响应系数,以及动静响应系数随波形宽度的变化规律。结果表明：在气炮、悬臂落锤、液压等3种冲击力的波形特征近似的情况下,在频谱上反映出各自不同的频率成分。在各传力路径上的冲击应变响应,除了响应幅值不同外,其余波形特征如峰值特征和频谱特性均较为一致。各应变之和作为连杆冲击力测试方法的表征参数,随波形中高频成分的增多,动静响应系数逐步增大。在进行多元连杆冲击载荷标定时,需要充分考虑所测试冲击力的载荷特征,选取合适的冲击载荷标定或者静载荷标定方法。     

摩擦型螺栓连接冲击载荷传递特性试验

为了研究接触、摩擦和预紧力等非线性因素对摩擦型螺栓连接动态载荷传递特性的影响，利用空气炮装置发射钛合金 圆柱弹、钢球和冰球，开展了高速冲击试验，获得了冲击响应曲线。试验结果表明：金属弹体的撞击不能忽略弹体本身结构变形带 来的影响，相较圆柱弹，球形弹冲击产生的冲击载荷峰值小，载荷传递率大；金属弹体撞击产生的冲击载荷波形杂乱且变化剧烈， 螺栓连接的摩擦滑移导致的能量耗散使载荷传递率小于1，冰球撞击的载荷波形变化平缓，结合面的摩擦等非线性因素对载荷传 递的影响较金属弹体冲击的情况小；加大拧紧力矩、增大结合面粗糙度会导致冲击刚度增大，冲击刚度基本不受外激励影响；减小 拧紧力矩、结合面越光滑、加大冰球冲击能量会使载荷传递率降低；载荷传递率和损耗因子呈线性关系，当损耗因子小于0.59时， 结合面处的摩擦耗散将使载荷传递率小于1。     

弹射座椅俯垫特性动态试验与分析计算研究

“弹射座椅座垫的人体工程学要求”座垫的鉴定一节规定,应根据人体动态响应大小鉴定座垫,用冲击或弹射的方式进行人体动态响应试验,用人体试验的方法对弹射座椅座垫进行鉴定,考虑到人体参数,座垫下的支撑物的差异和加速度传感器在人体骼部安装不便与测量误差等的影响,及人体试验对工程研制部门是困难和不便的,本文提出使用假人代替真人并将该试验系统简化为假人一座垫－一座椅系统模型,用弹射的方式进行试验,通过分析计算获     

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。     

人体对模拟着陆冲击动态响应特性研究

为了探讨飞船返回着陆时不同强度不同姿态冲击下人体动态响应特性,５名健康男青年,以仰卧２０°承受４～１０ｇ,５０～８０ｍｓ;仰卧３０°～６０°,１０ｇ,５０ｍｓ,半正弦脉冲的着陆冲击。分别记录冲击塔平台,座椅及人体头、肩、胸和髂处的Ｚ和Ｘ向加速度及被试者心电图。经分析计算,给出了人体动态响应与冲击强度以及它与仰卧角的关系式。为进一步研究人体冲击损伤的防护和人体冲击动态响应的建模提供了依据。     

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。     

金属橡胶冲击隔振系统试验研究

金属橡胶抗冲击隔振器利用干摩擦和弹性变形消耗冲击能量,实现缓冲减振的目的。本文针对某飞行器抗冲击隔振的需求,设计了金属橡胶抗冲击隔振器,并进行了冲击试验,结果表明最大加速度响应和冲击隔离系数随着冲击时间增加而加大,同时冲击隔离系数受冲击载荷的大小影响。在冲击载荷较小时冲击隔离系数随冲击载荷增加而减小,超过一定范围后,冲击隔离系数随着冲击载荷的增加而加大。     

数值模拟轴向冲击下直杆的动态响应

使用数值方法模拟了弹性和弹塑性杆受到纵向冲击的全过程,通过计算分析了荷载大小不变,施加速率不同时直杆的动态响应及有无率相关情况下杆的响应。发现：对于弹性直杆,轴向冲击荷载大小不变,加载速率的改变对加栽点位移和加速度影响较大,而对加载点的速度峰值影响不大,加栽速率越大,加载点的位移越小,加速度越大;对于弹塑性杆,加载速率越大,加载点的位移和速度峰值越小,结构的吸能比却越大。另外,对于某些应变率敏感材料,材料的率相关性对冲击载荷下的动态响应的影响也是值得关注的。     

叶片丢失后发动机整机响应模拟试验与仿真

依据大涵道比涡扇发动机结构设计了叶片丢失试验台,开展了一系列模拟叶片丢失试验,并采用显式有限元方法进行了数值仿真,研究了发动机叶片丢失后整机结构响应与载荷传递规律。结果表明:丢失叶片与机匣存在叶尖与叶身两次撞击,对应的加速度曲线存在两个响应峰值;转子转速越高,加速度响应幅值越大。叶片飞断后转子不平衡载荷传递路径为前轴承支承-中轴承支承-中介支板-机匣结构;叶片撞击机匣导致的冲击载荷则由风扇机匣向后传递,最终传给吊装结构;发动机承受的载荷是由不平衡和冲击影响耦合得到,其中冲击载荷为主要部分。该研究为掌握真实发动机叶片丢失下整机响应规律提供了试验模拟方法与数值仿真分析工具。      

飞机典型结构冲击试验件设计方法

以弹射方式起飞的舰载机在弹射过程中,存在长冲程、量值很大的冲击弹射载荷,此时在飞机结构的薄弱部位,会产生很大的冲击应力响应。为了验证飞机实际结构对弹射载荷的承载能力,需要开展飞机结构典型部位的冲击试验。此种冲击试验需要在水平冲击试验台上进行,但是实际弹射载荷超过了水平冲击试验台的试验能力,只有通过对试验件和载荷同时进行缩比,适应水平冲击试验台的试验能力,才能保证试验的顺利进行。文中的冲击试验件,通过采用文中的方法进行缩比,满足了试验要求。通过测试试验件上的冲击响应,可以通过比例换算得到真实飞机结构上的响应。     

“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…     

冲击激励转子系统动力学响应及安全性设计

叶片丢失是高涵道比涡扇发动机适航认证的关键,是影响结构完整性和安全性的关键问题。针对叶片丢失产生的冲击载荷激励,开展了转子结构系统的动力响应机理和安全性设计方法研究,为发动机结构完整性设计提供支撑。建立了高速柔性悬臂转子系统动力学模型,考虑了刚度质量分布特征、载荷传递特征、转静件耦合特征。通过理论和试验,揭示了突加不平衡激励和超大不平衡转子受到持续的冲击碰摩作用过程中,转子振动响应和轴承支反力响应特征。结果表明,支承结构是影响系统存亡的关键环节。提出了提高整机系统安全性的变支承刚度设计方法,在保护轴承完整性、避免抱轴的同时,也降低了系统的振动响应。基于整机模型的叶片丢失全过程的算例仿真分析表明,该方法使支点所受峰值载荷降低了46%,验证了安全性设计策略的有效性。     

二维叠层C/SiC复合材料低能量冲击损伤实验

C/SiC复合材料是航空航天器中的耐高温材料,其服役环境存在低能量冲击源且关于此类冲击事件的研究相对较少。本文主要采用落锤冲击系统性地揭示2D叠层C/SiC复合材料平板的抗低速低能量冲击性能,通过改变冲击能量考核不同单层厚度和平板厚度的抗冲击性能变化,并利用CT技术进行冲击后无损检测,分析结构内部细观损伤。结果表明：冲击载荷下,C/SiC复合材料按冲击载荷变化可分为线性、屈服和回弹3个阶段;典型冲击损伤形式包含局部压溃、分层、纤维断裂及基体微裂纹;同等结构厚度,单层厚度越大C/SiC复合材料平板冲击变形和冲击损伤越小,冲击阻抗值越高;同等单层厚度下,结构总厚度较大的C/SiC复合材料平板冲击损伤较小,冲击阻抗较大。因此,C/SiC复合材料的预制体层数与结构厚度对低能量冲击源较为敏感,且减小单层厚度及增加结构总厚度可明显提高其抗冲击性能。     

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。