張曉敏，馬驄瑤，霍雨佳，牟浩蕾

（中國(guó)民航大學(xué)a.工程技術(shù)訓(xùn)練中心；b.天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

寬體客機(jī)機(jī)身框段適墜性仿真分析與評(píng)估

張曉敏a，馬驄瑤b，霍雨佳b，牟浩蕾b

（中國(guó)民航大學(xué)a.工程技術(shù)訓(xùn)練中心；b.天津市民用航空器適航與維修重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

針對(duì)寬體客機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)適墜性設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及適航審定需求，分析機(jī)身框段不同破壞模式下的吸能特性。建立雙層寬體客機(jī)機(jī)身框段有限元模型，分析其在9.14 m/s墜撞速度下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。針對(duì)兩種不同的寬體客機(jī)機(jī)身框段下部結(jié)構(gòu)變形破壞模式，研究得到兩種情況下座椅與地板連接處加速度響應(yīng)和機(jī)身各部件吸能情況。仿真結(jié)果表明，不同破壞模式下寬體客機(jī)客艙空間都得到較好維持，座椅與地板連接處的加速度在人體耐受極限范圍內(nèi)，相同機(jī)身部件吸能量不同，其適墜性能可通過(guò)改善貨艙下部吸能能力得到進(jìn)一步提升，可為寬體客機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性設(shè)計(jì)、分析及評(píng)估提供參考。

寬體客機(jī)；適墜性；有限元法；失效模式；加速度響應(yīng)；吸能特性

運(yùn)輸類飛機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性能對(duì)于航空乘員安全具有重要影響。飛機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是限制傳遞給乘員的墜撞沖擊力，維持機(jī)身結(jié)構(gòu)完整性，并防止機(jī)身結(jié)構(gòu)穿透，確保乘員的可生存空間[1]。新設(shè)計(jì)、新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)的大量應(yīng)用，給中國(guó)即將研制的寬體客機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)的適墜性設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及適航審定提出了新的要求。

歐美針對(duì)寬體客機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性開(kāi)展了大量研究工作。2006年7月起，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）先后發(fā)布了寬體客機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性相關(guān)專用條件SCs（special conditions），包括 25-321-SC（A380-800）、25-537-SC（A350-900）、25-362-SC（B787-8）等，明確了寬體客機(jī)適墜性要求及其墜撞安全水平[2-4]。

2007年起，波音公司對(duì)B787進(jìn)行了3次試驗(yàn)[5-6]：客艙地板下部結(jié)構(gòu)（帶貨物箱）的壓縮試驗(yàn)；客艙地板下部結(jié)構(gòu)倒置沖擊試驗(yàn)；10 ft（3 m）長(zhǎng)的機(jī)身下部結(jié)構(gòu)30 ft/s（9.14 m/s）的墜撞試驗(yàn)。同時(shí)，F(xiàn)AA聯(lián)合華盛頓大學(xué)采用積木式研究方案，針對(duì)B787貨艙地板下部吸能結(jié)構(gòu)開(kāi)展了大量試驗(yàn)、仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析研究，目前已經(jīng)完成了LS-DYNAMAT54仿真分析工作[7]、方管/C型梁/L型梁試驗(yàn)與仿真研究[8]、貨艙下部支撐桿鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[9]，以及部件級(jí)、整機(jī)級(jí)仿真分析研究[10]等，為B787的驗(yàn)證及適航審定提供了重要技術(shù)支持。國(guó)內(nèi)目前主要針對(duì)窄體客機(jī)進(jìn)行了機(jī)身框段適墜性試驗(yàn)及仿真研究工作[11-12]，寬體客機(jī)適墜性相關(guān)研究工作幾乎未開(kāi)展。

針對(duì)寬體客機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，開(kāi)展寬體客機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)適墜性研究工作具有重要意義。本文首先分析機(jī)身框段墜撞不同破壞模式，然后建立雙層寬體客機(jī)機(jī)身框段的有限元模型，利用LS-DYNA求解其在9.14m/s墜撞速度時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，針對(duì)不同寬體客機(jī)機(jī)身框段墜撞變形破壞模式，分析研究座椅與地板連接處的加速度響應(yīng)以及機(jī)身各部件的吸能情況等。

1 機(jī)身框段墜撞破壞模式

針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及適航審定需求，歐美等國(guó)開(kāi)展了大量飛機(jī)機(jī)身框段墜撞試驗(yàn)研究[13-17]。

圖1給出了幾種不同型號(hào)窄體客機(jī)機(jī)身框段墜撞試驗(yàn)變形情況。

圖1 機(jī)身框段墜撞后結(jié)構(gòu)變形Fig.1 Deformation of impacted fuselage section

圖 1（a）和圖 1（b）分別為 B707 和中國(guó)進(jìn)行的典型民機(jī)機(jī)身框段墜撞后變形圖，其破壞模式為機(jī)身下部結(jié)構(gòu)向上彎曲斷裂，機(jī)身框也向內(nèi)彎曲，整個(gè)機(jī)身框段呈三鉸式破壞。圖 1（c）和圖 1（d）分別為 B737 和 A320機(jī)身框段墜撞后變形圖，其破壞模式為機(jī)身下部結(jié)構(gòu)壓平，機(jī)身框向內(nèi)彎曲形成兩個(gè)塑性鉸。這兩種不同的機(jī)身框段墜撞破壞模式可為寬體客機(jī)適墜性設(shè)計(jì)及分析提供參考，本文基于這兩種破壞模式開(kāi)展研究。

2 寬體客機(jī)適墜性仿真模型

2.1 寬體客機(jī)有限元模型

以A380的機(jī)身結(jié)構(gòu)為參考，建立雙層寬體客機(jī)機(jī)身框段有限元模型，如圖2所示。機(jī)身框段截面形狀近似為橢圓形，高度為8 410 mm，寬度為7 142 mm，機(jī)身框段總長(zhǎng)2 600 mm，有限元模型中包括5框4段、上下兩層客艙，每層客艙3排座椅，框與框之間的距離為600 mm。機(jī)身段模型包括蒙皮、隔框、桁條、上部客艙地板梁及座椅導(dǎo)軌、下部客艙地板梁及座椅導(dǎo)軌、下部客艙地板支撐桿、貨艙地板梁及地板導(dǎo)軌以及貨艙支撐桿等結(jié)構(gòu)。

圖2 機(jī)身結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Finite element model of aircraft fuselage section

2.2 參數(shù)及邊界條件設(shè)置

模型左右對(duì)稱，座椅和假人以集中質(zhì)量的形式附在座椅與地板連接處。參考CCAR25.562要求[18]，每個(gè)座椅和假人的質(zhì)量為88 kg，下層客艙左右兩邊的外側(cè)為三聯(lián)座椅，其余為兩聯(lián)座椅，因此有限元模型共有48處座椅與地板連接點(diǎn)，乘員與座椅總重為4 224 kg。輸出中間一排的16個(gè)座椅與地板連接處的加速度響應(yīng)，如圖2所示。機(jī)身框段蒙皮采用Al-2024鋁合金，其他結(jié)構(gòu)采用Al-7075鋁合金，力學(xué)性能參數(shù)如表1所示，采用材料模型MAT_24_PLASTIC_KINEMATIC。有限元模型采用二維BT殼單元，共包括237 212個(gè)殼單元、246 475個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 鋁合金力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Parameters of aluminum mechanical properties

機(jī)身框段模型以9.14 m/s的速度垂直撞擊剛性地面。機(jī)身各部件之間、機(jī)身框段與地面之間用CONTANT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE定義接觸。靜摩擦因數(shù)0.2，動(dòng)摩擦因數(shù)0.1。

3 寬體客機(jī)適墜性能仿真分析

3.1 變形模式

圖3、圖4分別給出50 ms和150 ms兩種不同失效模式下的機(jī)身框段變形圖和應(yīng)力云圖。

圖3 機(jī)身框段模型在50 ms時(shí)變形圖Fig.3 Deformation of fuselage model at 50 ms

從圖3可看出，機(jī)身框段撞擊剛性地面時(shí)，受到較大的初始面內(nèi)擠壓載荷作用，在50 ms時(shí)，機(jī)身框受壓變形，蒙皮產(chǎn)生輕微褶皺，貨艙地板支撐桿開(kāi)始變形，地板梁也開(kāi)始向上彎曲變形，情況2變形情況基本一致，但在貨艙地板梁中間出現(xiàn)較大的集中應(yīng)力。

圖4 機(jī)身框段模型在150 ms時(shí)變形圖Fig.4 Deformation of fuselage model at 150 ms

在150 ms時(shí)（如圖4所示），對(duì)于情況1來(lái)說(shuō)，機(jī)身框下部及蒙皮向上彎曲，貨艙地板梁向客艙地板方向發(fā)生較為嚴(yán)重的隆起，承受拉伸和彎曲載荷作用。機(jī)身框段呈三鉸式變形，這3處塑性鉸分別位于最外側(cè)貨艙地板支撐桿與機(jī)身框連接區(qū)域（2個(gè)）和機(jī)腹中部位置（1個(gè)）。情況2的破壞模式與情況1不同，機(jī)身下部結(jié)構(gòu)壓平，機(jī)腹中間嚴(yán)重褶皺，貨艙地板梁向上彎曲，承受拉伸和彎曲載荷作用，并在中間位置出現(xiàn)最大的集中應(yīng)力。機(jī)身框在其與客艙地板支撐桿連接處向內(nèi)彎曲，形成兩個(gè)塑性鉸。

兩種情況下，機(jī)身框段內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接均得到較好維持，貨艙下部結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重屈服變形，客艙地板支撐桿未貫穿地板，能夠保證乘員-座椅系統(tǒng)及撤離通道。在墜撞過(guò)程中，兩層客艙地板梁變形較小，有足夠的可生存空間，滿足客艙最大變形量（墜撞前后客艙空間變化）不超過(guò)15%的要求。機(jī)身結(jié)構(gòu)完整性得到有效維持，從而為保證客艙乘員安全提供了空間條件。

3.2 加速度響應(yīng)特性

圖5給出了下部客艙DR1和DR3以及上部客艙UL2和UL4共計(jì)4處的座椅與地板連接處加速度-時(shí)間歷程曲線。表2給出了兩種情況下的峰值加速度（包括正向和負(fù)向加速度）及出現(xiàn)時(shí)間。

從表2看出，正向峰值加速度為21 g，負(fù)向峰值加速度為-14 g。人體承受的正向加速度（眼球向下）幅值不超過(guò)25 g，負(fù)向加速度（眼球向上）幅值不超過(guò)15 g?？梢?jiàn)兩種情況下加速度均在人體耐受極限范圍內(nèi)。

3.3 結(jié)構(gòu)吸能特性

圖6給出了情況1的機(jī)身框墜撞能量-時(shí)間歷程曲線。墜撞過(guò)程中總能量基本保持不變；墜撞動(dòng)能平穩(wěn)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)內(nèi)能。情況2的能量-時(shí)間曲線變化基本一致。兩種情況下，能量曲線光滑平穩(wěn)過(guò)渡，沒(méi)有發(fā)生突變，且沒(méi)有明顯能量增加，仿真結(jié)果合理。

圖5 座椅與地板連接處加速度-時(shí)間歷程曲線Fig.5 Acceleration-time curve of seat-floor connection

表2 峰值加速度及其對(duì)應(yīng)時(shí)間Tab.2 Peak acceleration and its corresponding time

機(jī)身框段在墜撞過(guò)程中，主要通過(guò)機(jī)身各結(jié)構(gòu)件的變形來(lái)吸收墜撞動(dòng)能。圖7給出了主要部件能量吸收情況隨時(shí)間變化曲線，表3給出了機(jī)身框段各部件吸能量及吸能百分比。

圖7 機(jī)身各部件吸能-時(shí)間歷程曲線Fig.7 Energy aborption-time curve

表3 機(jī)身框段各部件吸能特性Tab.3 Energy absorption characteristics of components

兩種情況機(jī)身框段結(jié)構(gòu)按吸能量由多到少的次序均為機(jī)身框、桁條、貨艙地板梁、蒙皮、貨艙支撐桿，但相同部件的吸能量有所不同。相對(duì)于情況1來(lái)說(shuō)，情況2的機(jī)身框吸能量增加10 kJ，增加1.1%；貨艙地板梁吸能量增加22 kJ，增加4.7%；而桁條、蒙皮以及貨艙支撐桿的吸能量都相應(yīng)減少。對(duì)于寬體客機(jī)來(lái)說(shuō)，寬體客機(jī)機(jī)身截面直徑的加大，貨艙地板下部結(jié)構(gòu)將在墜撞過(guò)程中起到更重要的吸能作用。情況2貨艙地板下部結(jié)構(gòu)（貨艙地板梁和貨艙支撐桿）的吸能量比情況1的吸能量多9 kJ，增加1.8%。

4 結(jié)語(yǔ)

1）雙層寬體客機(jī)機(jī)身框段在墜撞過(guò)程中兩種結(jié)構(gòu)變形情況下破壞過(guò)程都較為穩(wěn)定，客艙生存空間得到有效保障，變形量不超過(guò)15%，為保證乘員安全提供了必要條件。

2）寬體客機(jī)墜撞過(guò)程兩種破壞模式下，上、下部客艙座椅與地板連接處的正向加速度和負(fù)向加速度幅值均在人體耐受極限范圍內(nèi)，能滿足乘員生存需求。

3）兩種情況下，寬體客機(jī)機(jī)身框段結(jié)構(gòu)吸能量由多到少依次為機(jī)身框、桁條、貨艙地板梁、蒙皮、貨艙支撐桿，但同一部件的吸能量有所不同。另外，寬體客機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)中，貨艙地板下部結(jié)構(gòu)在墜撞過(guò)程中起到更重要的吸能作用，日后可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升貨艙地板下部結(jié)構(gòu)的吸能能力，提高結(jié)構(gòu)適墜性。

[1]張 弘，魏榮祥.通用飛機(jī)抗墜撞設(shè)計(jì)指南[M].北京:航空工業(yè)出版社,2009.

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[6]Boeing performs key 787 dreamliner crash test[EB/OL].(2007-08-24)[2017-04-20].http://www.manufacturing.net/news/2007/08/boeing-performs-key-787-dreamliner-crash-test.

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（責(zé)任編輯：劉智勇）

Crashworthiness simulation analysis and evaluation of wide-body aircraft fuselage section

ZHANG Xiaomina,MA Congyaob,HUO Yujiab,MOU Haoleib
（a.Engineering Techniques Training Center;b.Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance Key Lab of Tianjin,CAUC,Tianjin 300300,China）

For the requirements of crashworthiness design,verification and certification of wide-body aircraft,different failure modes of fuselage sections are analyzed.Finite element model of double decks wide-body aircraft fuselage section is developed and the dynamic responses of wide-body fuselage section subjected to vertical impact velocity of 9.14 m/s are analyzed.The failure modes,acceleration responses and energy-absorbing characteristics are obtained and analyzed.Simulation results show that the cabins of wide-body aircrafts are well maintained for the two different cases,and the acceleration responses of junctions between seats and floor are within the limits of human tolerance.The energy absorbed by the same fuselage structures are different for two cases,the energy-absorbing capability of cargo floor structures can be improved by optimizing design,and thus the wide-body aircraft crashworthiness performance can be enhanced,which has a certain reference value for crashworthiness design,analysis and evaluation of wide-body aircraft fuselage section.

wide-body aircraft;crashworthiness;finite element method;failure mode;acceleration response;energy absorbing characteristics

V223

：A

：1674－5590（2017）04－0036－05

2017-03-03；

：2017-04-10

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（3122017020）；中國(guó)民用航空局科技基金項(xiàng)目（MHRD20140207）

張曉敏（1985—），男，河北滄州人，助教，碩士，研究方向?yàn)楹娇帐鹿史治觥w機(jī)結(jié)構(gòu)修理.