任　健

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不同滾轉(zhuǎn)角度對機(jī)身框段適墜性影響分析

任健

中航通飛研究院有限公司

任健，中航通飛研究院有限公司，適航研究室，設(shè)計師，研究方向：民用飛機(jī)適航管理與驗證技術(shù)。

行業(yè)曲線

適墜性是航空安全的一個重要關(guān)注點。本文建立典型的機(jī)身框段有限元模型，貨艙地板下部采用波紋板布局形式，分析其在0°、5°、10°和15°滾轉(zhuǎn)角度下，以7m/s撞擊剛性地面時的響應(yīng)特性，對比不同情況下機(jī)身框段的破壞模式、座椅與地板連接處的加速度響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)部件的吸能情況。研究結(jié)果表明：墜撞時的滾轉(zhuǎn)角度會改變機(jī)身結(jié)構(gòu)變形、座椅處加速度響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)部件的吸能情況。選取合適的應(yīng)急著陸方式，可以提高飛機(jī)適墜性能，進(jìn)而保證乘員安全。

近二十多年來，民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性越來越受到人們的廣泛關(guān)注。對民用飛機(jī)事故研究表明，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的適墜性能可以通過改進(jìn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的抗墜撞優(yōu)化設(shè)計得到改善與提升，進(jìn)而可以保證乘員安全。民用飛機(jī)事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)的墜撞環(huán)境及墜撞姿態(tài)比較復(fù)雜，絕大部分飛機(jī)都是以不同的滾轉(zhuǎn)角度發(fā)生墜撞。因此，為全面評估飛機(jī)的適墜性能，必須綜合對比不同滾轉(zhuǎn)條件下飛機(jī)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

自上世紀(jì)70年代開始，F(xiàn)AA（Federal Aviation Administration，美國聯(lián)邦航空局）、NASA（National Aeronautics and Space Administration，美國航空航天局）Langley研究中心、波音公司、歐盟及空客公司等，開展了大量的墜撞試驗研究，包括波音B720和空客A320整機(jī)墜撞試驗，以及波音B707、B737以及A320等機(jī)身框段結(jié)構(gòu)墜撞試驗，積累了大量的試驗數(shù)據(jù)及適墜性設(shè)計、驗證及審定經(jīng)驗，并通過這些試驗數(shù)據(jù)驗證結(jié)構(gòu)建模方法和數(shù)值分析方法，評估典型撞擊環(huán)境下機(jī)身結(jié)構(gòu)的適墜性和結(jié)構(gòu)能量吸收情況，并通過經(jīng)驗證的分析模型和分析方法對難以試驗驗證的墜撞環(huán)境進(jìn)行預(yù)測。NASA Langley研究中心針對輕型飛機(jī)復(fù)合材料機(jī)身，在1997年制造1/5縮比機(jī)身結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行了0°和15°滾轉(zhuǎn)角度的墜撞試驗，并基于試驗結(jié)果進(jìn)行仿真分析，但是研究結(jié)果沒有給出滾轉(zhuǎn)墜撞對適墜性的影響規(guī)律。此外，針對B737運輸類飛機(jī)，Alan B基于驗證的帶下部貨艙門的機(jī)身框段有限元模型，進(jìn)行了10°、15°滾轉(zhuǎn)墜撞仿真分析，分析了座椅處加速度特性及頭頂行李艙載荷等。近年來，國內(nèi)也開展了民用飛機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性方面的研究工作，其中，2012年，中航工業(yè)飛機(jī)強(qiáng)度研究所首次進(jìn)行了我國典型民機(jī)機(jī)身框段7m/s的墜撞試驗，為我國飛機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性設(shè)計及驗證積累了一定經(jīng)驗。國內(nèi)研究主要關(guān)注機(jī)身結(jié)構(gòu)在垂直墜撞情況下的沖擊響應(yīng)問題及材料、元件的吸能特性等，對于滾轉(zhuǎn)角度對飛機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性影響的研究相對較少，有必要開展進(jìn)一步的研究。

基于1999年到2011年間的48起NTSB航空事故報告，其中明確給出墜撞滾轉(zhuǎn)角度信息的航空事故有26起。表1給出了不同滾轉(zhuǎn)角度墜撞情況下的事故數(shù)及乘員傷亡數(shù)目。對表中數(shù)據(jù)分析可知，多數(shù)航空事故墜撞滾轉(zhuǎn)角度在±30°之間，共有17起，占滾轉(zhuǎn)墜撞事故數(shù)的65.4%，且乘員存活率較高。墜撞滾轉(zhuǎn)角度超過30°，共有9起，占34.6%，只有1起事故中有乘員存活，其余事故乘員全部死亡。因此可以看出乘員生存率與飛機(jī)滾轉(zhuǎn)墜撞密切相關(guān)。

表1　事故數(shù)及乘員傷亡數(shù)

圖1　機(jī)身框段有限元模型

圖2　機(jī)身框段在100 ms時的應(yīng)力云圖

為了研究不同滾轉(zhuǎn)角度對機(jī)身框段適墜性能的影響，本文基于HyperMesh建立了典型的機(jī)身框段有限元模型，其貨艙地板下部為波紋板布局形式，通過仿真計算分析，研究0°、5°、10°和15°不同滾轉(zhuǎn)角度情況下的破壞模式、加速度響應(yīng)特性以及結(jié)構(gòu)部件的吸能特性，分析不同滾轉(zhuǎn)角度對機(jī)身框段結(jié)構(gòu)適墜性的影響規(guī)律。

仿真模型的建立

基本原理

不考慮空氣阻力影響，將墜撞物理模型簡化為寬體客機(jī)機(jī)身段在重力加速度g的作用下，以垂直速度v撞擊剛性地面。其邊界條件如下：

式中，i，j，α=1，2，3；σij為應(yīng)力張量；xi、和分別為i方向的位移張量、速度張量和加速度張量；ρ為密度；fi為i方向單位質(zhì)量的體積力張量；μ為阻尼系數(shù)；Fi（t）和Di（t）為i方向的力張量和位移張量；上標(biāo)“+”和“-”為邊界內(nèi)側(cè)和外側(cè)；ni為i方向垂直于邊界指向外側(cè)的單位張量；t為時間變量。

機(jī)身框段有限元模型

本文建立了5框4跨的機(jī)身框段有限元模型，客艙半徑1 700 mm，貨艙半徑1 600 mm，模型寬2200 mm。模型中包括機(jī)身蒙皮、加強(qiáng)框、座椅導(dǎo)軌、客艙地板梁、桁條、客艙地板支撐桿，貨艙地板以及貨艙下部波紋板。建模過程中，對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，鉚接或螺接等連接均采用rigid body剛性連接。機(jī)身框段有限元模型如圖1所示。

質(zhì)量屬性

機(jī)身框段有限元模型是左右對稱的，乘員和座椅系統(tǒng)以集中質(zhì)量的形式附在座椅與地板連接處，模型中包括3排座椅，共12個乘員與座椅的集中質(zhì)量。參考CCAR25.562條款要求，定義每個座椅和假人的集中質(zhì)量定為88kg。本文輸出中間4個座椅參考點的加速度，如圖1（a）所示。

材料及單元屬性

模型材料選用鋁合金Al-2024-T3、Al-7075-T6以及Al-7150-T77511。蒙皮和貨艙地板選用具有優(yōu)越疲勞性能的Al-2024-T3，機(jī)身框、長桁和波紋板選用高強(qiáng)度合金Al-7075-T6，其他結(jié)構(gòu)部件選用Al-7150-T77511。鋁合金均采用各向同性雙線性彈塑性材料模型MAT_24。其力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

機(jī)身模型中包括609367個節(jié)點、616625個殼單元，二維BT殼單元是飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)墜撞仿真分析中常用的單元，可以精確模擬墜撞過程中結(jié)構(gòu)的彎曲和斷裂情況。

墜撞初始條件

機(jī)身框以7m/s的墜撞初始速度，以0°、5°、10°、15°的右滾轉(zhuǎn)角度撞擊剛性面。采用自適應(yīng)單面接觸CONTANT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE定義機(jī)身框自身各結(jié)構(gòu)部件間、機(jī)身框與剛性地面間的接觸，靜摩擦因數(shù)為0.2，動摩擦因數(shù)為0.1。

表2　鋁合金力學(xué)性能參數(shù)

機(jī)身段抗墜撞性能分析

機(jī)身段破壞模式分析

圖2給出4種情況下機(jī)身框段在100 ms時的應(yīng)力云圖。當(dāng)機(jī)身框段與剛性地面碰撞時，機(jī)身框底部受到較大面內(nèi)擠壓載荷，機(jī)身框底部向上凸起。0°、5°和10°滾轉(zhuǎn)墜撞時，底部波紋板向上彎曲，機(jī)身框呈三鉸式破壞，分別位于兩側(cè)支撐桿與機(jī)身框連接區(qū)域和機(jī)身底部，如圖2（a）、（b）和（c）所示。機(jī)身各部分的連接在墜撞過程中基本得到維持，地板梁也未被支撐桿貫穿?？团摽臻g仍維持在原空間85%以上，從而保證了乘員有足夠生存空間。隨著向右滾轉(zhuǎn)角度增大，機(jī)身段向右傾斜，波紋板彎曲位置向右偏移，右側(cè)支撐桿與機(jī)身框連接處的變形也越嚴(yán)重。15°滾轉(zhuǎn)墜撞時，底部波紋板幾乎未發(fā)生彎曲變形，機(jī)身框也呈三鉸式破壞，如圖2（d）所示，機(jī)身向右嚴(yán)重傾斜，右側(cè)支撐桿與機(jī)身框的連接處嚴(yán)重變形，客艙空間仍維持在85%以上。

機(jī)身框段以一定能量墜撞時，滾轉(zhuǎn)角度增大導(dǎo)致底部波紋板塑性變形減少，其有效吸能減少，進(jìn)而耗散在機(jī)身結(jié)構(gòu)上的能量增加，導(dǎo)致機(jī)身框段變形越嚴(yán)重。當(dāng)滾轉(zhuǎn)角度超過一定角度，機(jī)身下部結(jié)構(gòu)吸能較少，導(dǎo)致機(jī)身結(jié)構(gòu)變形較為嚴(yán)重，傾斜也更為嚴(yán)重，這將嚴(yán)重影響乘員安全。

圖3　機(jī)身段座椅與地板連接點加速度歷程

圖4　機(jī)身框段動能-時間歷程

加速度響應(yīng)特性分析

圖3給出了4種情況下右外側(cè)與左外側(cè)座椅與地板連接處的加速度時間歷程曲線。選取60Hz的濾波截止頻率進(jìn)行濾波。機(jī)身框段結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)峰值主要有2個，第1個加速度峰值對應(yīng)機(jī)身框段結(jié)構(gòu)與剛性地面接觸，第2個對應(yīng)客艙支撐桿與地面接觸。要提高機(jī)身結(jié)構(gòu)的適墜性能，需要降低加速度最大峰值，并使得響應(yīng)時間歷程更加平穩(wěn)，降低加速度均值。向右滾轉(zhuǎn)導(dǎo)致右側(cè)座椅與地板連接處的加速度幅值增加，左側(cè)的加速度幅值相應(yīng)減少；并導(dǎo)致右側(cè)加速度脈沖出現(xiàn)的時間提前，左側(cè)出現(xiàn)的時間相應(yīng)滯后。

以圖3（a）為例，0°滾轉(zhuǎn)角時的最大峰值加速度為26g，出現(xiàn)在110 ms左右；5°滾轉(zhuǎn)角時最大峰值加速度為27g，出現(xiàn)在85ms左右；10°滾轉(zhuǎn)角時的最大峰值加速度為29g，出現(xiàn)在70ms左右；15°滾轉(zhuǎn)角時的最大峰值加速度為30g，出現(xiàn)在55ms左右?？梢钥吹剑S著向右滾轉(zhuǎn)角度的增大，右外側(cè)座椅與地板連接處的最大峰值加速度以及初始峰值加速度都逐漸增大，其出現(xiàn)的時間也越來越提前。短時間過大的加速度脈沖響應(yīng)，會對乘員造成一定程度的傷害。

圖5　機(jī)身部件吸能-時間歷程曲線

吸能特性分析

圖4給出不同滾轉(zhuǎn)角度機(jī)身框段動能變化曲線。4種情況下機(jī)身框段初始總動能約為42KJ。墜撞過程的0-60ms之間，4種情況動能降低過程都較為一致且平滑。60ms后，動能降低過程有所不同，0°滾轉(zhuǎn)角時，總動能在90ms時快速衰減并在110ms左右降至最低；5°滾轉(zhuǎn)角時，總動能在70ms時快速衰減，并在125ms左右降至最低；10°滾轉(zhuǎn)角時，總動能在150ms左右降至最低；15°滾轉(zhuǎn)角時，總動能在200ms時還沒有降至最低點。可以發(fā)現(xiàn)，隨著滾轉(zhuǎn)角度的增加，系統(tǒng)動能降至最低點的時間也越來越長，說明墜撞過程中，墜撞能量吸收較慢，這會對乘員造成一定程度的傷害。

機(jī)身框段在墜撞過程中，主要通過機(jī)身結(jié)構(gòu)部件發(fā)生變形來吸收沖擊動能，但是各部件吸能有所不同。圖5給出不同滾轉(zhuǎn)角度機(jī)身框段主要部件能量吸收情況隨時間變化曲線如所示。

從圖5中可以看出，墜撞過程中機(jī)身框是主要的吸能結(jié)構(gòu)，其次是蒙皮、波紋板。由于機(jī)身框獨特的設(shè)計特點，在墜撞初始階段，波紋板、蒙皮的吸能占較大比例，之后機(jī)身框開始發(fā)生塑性變形，并很快成為最主要的吸能結(jié)構(gòu)。0°滾轉(zhuǎn)角度情形下110ms左右各部件的吸能基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，5°滾轉(zhuǎn)角度情形下130ms左右基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，10°滾轉(zhuǎn)角度情形下150ms左右基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，15°滾轉(zhuǎn)角度情形下200ms左右基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著滾轉(zhuǎn)角度的增加，波紋板吸收的能量逐漸減少，支撐桿發(fā)生變形吸能的時間提前，而且各部件內(nèi)能基本達(dá)到穩(wěn)定時間越來越長，說明機(jī)身框段在墜撞過程中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時間也越來越晚。

結(jié)語

墜撞時的滾轉(zhuǎn)角度會改變機(jī)身結(jié)構(gòu)變形、座椅處加速度響應(yīng)以及結(jié)構(gòu)部件的吸能情況。滾轉(zhuǎn)墜撞造成機(jī)身框段的傾斜，隨著向右滾轉(zhuǎn)角度的增大，機(jī)身結(jié)構(gòu)變形越嚴(yán)重，座椅與地板連接處的最大及初始峰值加速度逐漸增大，其出現(xiàn)時間逐漸提前，機(jī)身框段吸能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間也越晚，同時，右側(cè)支撐桿與機(jī)身框的連接處發(fā)生嚴(yán)重變形破壞，下部波紋板的變形越來越少。當(dāng)滾轉(zhuǎn)角度超過一定角度，機(jī)身下部波紋板結(jié)構(gòu)吸能更少，機(jī)身結(jié)構(gòu)變形更為嚴(yán)重，這將對乘員造成嚴(yán)重的傷害。因此要提高飛機(jī)的抗?jié)L轉(zhuǎn)吸能特性，降低傳遞到乘員身上的加速度值，從而保證乘員安全。

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.041