不同滚转角度对机身框段适坠性影响分析

任　健



不同滚转角度对机身框段适坠性影响分析

任健

中航通飞研究院有限公司

任健，中航通飞研究院有限公司，适航研究室，设计师，研究方向：民用飞机适航管理与验证技术。

行业曲线

适坠性是航空安全的一个重要关注点。本文建立典型的机身框段有限元模型，货舱地板下部采用波纹板布局形式，分析其在0°、5°、10°和15°滚转角度下，以7m/s撞击刚性地面时的响应特性，对比不同情况下机身框段的破坏模式、座椅与地板连接处的加速度响应以及结构部件的吸能情况。研究结果表明：坠撞时的滚转角度会改变机身结构变形、座椅处加速度响应以及结构部件的吸能情况。选取合适的应急着陆方式，可以提高飞机适坠性能，进而保证乘员安全。

近二十多年来，民用飞机结构适坠性越来越受到人们的广泛关注。对民用飞机事故研究表明，飞机结构的适坠性能可以通过改进飞机结构的抗坠撞优化设计得到改善与提升，进而可以保证乘员安全。民用飞机事故调查发现，飞机的坠撞环境及坠撞姿态比较复杂，绝大部分飞机都是以不同的滚转角度发生坠撞。因此，为全面评估飞机的适坠性能，必须综合对比不同滚转条件下飞机的结构响应。

自上世纪70年代开始，FAA（Federal Aviation Administration，美国联邦航空局）、NASA（National Aeronautics and Space Administration，美国航空航天局）Langley研究中心、波音公司、欧盟及空客公司等，开展了大量的坠撞试验研究，包括波音B720和空客A320整机坠撞试验，以及波音B707、B737以及A320等机身框段结构坠撞试验，积累了大量的试验数据及适坠性设计、验证及审定经验，并通过这些试验数据验证结构建模方法和数值分析方法，评估典型撞击环境下机身结构的适坠性和结构能量吸收情况，并通过经验证的分析模型和分析方法对难以试验验证的坠撞环境进行预测。NASA Langley研究中心针对轻型飞机复合材料机身，在1997年制造1/5缩比机身结构模型，进行了0°和15°滚转角度的坠撞试验，并基于试验结果进行仿真分析，但是研究结果没有给出滚转坠撞对适坠性的影响规律。此外，针对B737运输类飞机，Alan B基于验证的带下部货舱门的机身框段有限元模型，进行了10°、15°滚转坠撞仿真分析，分析了座椅处加速度特性及头顶行李舱载荷等。近年来，国内也开展了民用飞机结构适坠性方面的研究工作，其中，2012年，中航工业飞机强度研究所首次进行了我国典型民机机身框段7m/s的坠撞试验，为我国飞机结构适坠性设计及验证积累了一定经验。国内研究主要关注机身结构在垂直坠撞情况下的冲击响应问题及材料、元件的吸能特性等，对于滚转角度对飞机结构适坠性影响的研究相对较少，有必要开展进一步的研究。

基于1999年到2011年间的48起NTSB航空事故报告，其中明确给出坠撞滚转角度信息的航空事故有26起。表1给出了不同滚转角度坠撞情况下的事故数及乘员伤亡数目。对表中数据分析可知，多数航空事故坠撞滚转角度在±30°之间，共有17起，占滚转坠撞事故数的65.4%，且乘员存活率较高。坠撞滚转角度超过30°，共有9起，占34.6%，只有1起事故中有乘员存活，其余事故乘员全部死亡。因此可以看出乘员生存率与飞机滚转坠撞密切相关。

表1　事故数及乘员伤亡数

图1　机身框段有限元模型

图2　机身框段在100 ms时的应力云图

为了研究不同滚转角度对机身框段适坠性能的影响，本文基于HyperMesh建立了典型的机身框段有限元模型，其货舱地板下部为波纹板布局形式，通过仿真计算分析，研究0°、5°、10°和15°不同滚转角度情况下的破坏模式、加速度响应特性以及结构部件的吸能特性，分析不同滚转角度对机身框段结构适坠性的影响规律。

仿真模型的建立

基本原理

不考虑空气阻力影响，将坠撞物理模型简化为宽体客机机身段在重力加速度g的作用下，以垂直速度v撞击刚性地面。其边界条件如下：

式中，i，j，α=1，2，3；σij为应力张量；xi、和分别为i方向的位移张量、速度张量和加速度张量；ρ为密度；fi为i方向单位质量的体积力张量；μ为阻尼系数；Fi（t）和Di（t）为i方向的力张量和位移张量；上标“+”和“-”为边界内侧和外侧；ni为i方向垂直于边界指向外侧的单位张量；t为时间变量。

机身框段有限元模型

本文建立了5框4跨的机身框段有限元模型，客舱半径1 700 mm，货舱半径1 600 mm，模型宽2200 mm。模型中包括机身蒙皮、加强框、座椅导轨、客舱地板梁、桁条、客舱地板支撑杆，货舱地板以及货舱下部波纹板。建模过程中，对模型进行适当简化，铆接或螺接等连接均采用rigid body刚性连接。机身框段有限元模型如图1所示。

质量属性

机身框段有限元模型是左右对称的，乘员和座椅系统以集中质量的形式附在座椅与地板连接处，模型中包括3排座椅，共12个乘员与座椅的集中质量。参考CCAR25.562条款要求，定义每个座椅和假人的集中质量定为88kg。本文输出中间4个座椅参考点的加速度，如图1（a）所示。

材料及单元属性

模型材料选用铝合金Al-2024-T3、Al-7075-T6以及Al-7150-T77511。蒙皮和货舱地板选用具有优越疲劳性能的Al-2024-T3，机身框、长桁和波纹板选用高强度合金Al-7075-T6，其他结构部件选用Al-7150-T77511。铝合金均采用各向同性双线性弹塑性材料模型MAT_24。其力学性能参数如表2所示。

机身模型中包括609367个节点、616625个壳单元，二维BT壳单元是飞机机身结构坠撞仿真分析中常用的单元，可以精确模拟坠撞过程中结构的弯曲和断裂情况。

坠撞初始条件

机身框以7m/s的坠撞初始速度，以0°、5°、10°、15°的右滚转角度撞击刚性面。采用自适应单面接触CONTANT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE定义机身框自身各结构部件间、机身框与刚性地面间的接触，静摩擦因数为0.2，动摩擦因数为0.1。

表2　铝合金力学性能参数

机身段抗坠撞性能分析

机身段破坏模式分析

图2给出4种情况下机身框段在100 ms时的应力云图。当机身框段与刚性地面碰撞时，机身框底部受到较大面内挤压载荷，机身框底部向上凸起。0°、5°和10°滚转坠撞时，底部波纹板向上弯曲，机身框呈三铰式破坏，分别位于两侧支撑杆与机身框连接区域和机身底部，如图2（a）、（b）和（c）所示。机身各部分的连接在坠撞过程中基本得到维持，地板梁也未被支撑杆贯穿。客舱空间仍维持在原空间85%以上，从而保证了乘员有足够生存空间。随着向右滚转角度增大，机身段向右倾斜，波纹板弯曲位置向右偏移，右侧支撑杆与机身框连接处的变形也越严重。15°滚转坠撞时，底部波纹板几乎未发生弯曲变形，机身框也呈三铰式破坏，如图2（d）所示，机身向右严重倾斜，右侧支撑杆与机身框的连接处严重变形，客舱空间仍维持在85%以上。

机身框段以一定能量坠撞时，滚转角度增大导致底部波纹板塑性变形减少，其有效吸能减少，进而耗散在机身结构上的能量增加，导致机身框段变形越严重。当滚转角度超过一定角度，机身下部结构吸能较少，导致机身结构变形较为严重，倾斜也更为严重，这将严重影响乘员安全。

图3　机身段座椅与地板连接点加速度历程

图4　机身框段动能-时间历程

加速度响应特性分析

图3给出了4种情况下右外侧与左外侧座椅与地板连接处的加速度时间历程曲线。选取60Hz的滤波截止频率进行滤波。机身框段结构加速度响应峰值主要有2个，第1个加速度峰值对应机身框段结构与刚性地面接触，第2个对应客舱支撑杆与地面接触。要提高机身结构的适坠性能，需要降低加速度最大峰值，并使得响应时间历程更加平稳，降低加速度均值。向右滚转导致右侧座椅与地板连接处的加速度幅值增加，左侧的加速度幅值相应减少；并导致右侧加速度脉冲出现的时间提前，左侧出现的时间相应滞后。

以图3（a）为例，0°滚转角时的最大峰值加速度为26g，出现在110 ms左右；5°滚转角时最大峰值加速度为27g，出现在85ms左右；10°滚转角时的最大峰值加速度为29g，出现在70ms左右；15°滚转角时的最大峰值加速度为30g，出现在55ms左右。可以看到，随着向右滚转角度的增大，右外侧座椅与地板连接处的最大峰值加速度以及初始峰值加速度都逐渐增大，其出现的时间也越来越提前。短时间过大的加速度脉冲响应，会对乘员造成一定程度的伤害。

图5　机身部件吸能-时间历程曲线

吸能特性分析

图4给出不同滚转角度机身框段动能变化曲线。4种情况下机身框段初始总动能约为42KJ。坠撞过程的0-60ms之间，4种情况动能降低过程都较为一致且平滑。60ms后，动能降低过程有所不同，0°滚转角时，总动能在90ms时快速衰减并在110ms左右降至最低；5°滚转角时，总动能在70ms时快速衰减，并在125ms左右降至最低；10°滚转角时，总动能在150ms左右降至最低；15°滚转角时，总动能在200ms时还没有降至最低点。可以发现，随着滚转角度的增加，系统动能降至最低点的时间也越来越长，说明坠撞过程中，坠撞能量吸收较慢，这会对乘员造成一定程度的伤害。

机身框段在坠撞过程中，主要通过机身结构部件发生变形来吸收冲击动能，但是各部件吸能有所不同。图5给出不同滚转角度机身框段主要部件能量吸收情况随时间变化曲线如所示。

从图5中可以看出，坠撞过程中机身框是主要的吸能结构，其次是蒙皮、波纹板。由于机身框独特的设计特点，在坠撞初始阶段，波纹板、蒙皮的吸能占较大比例，之后机身框开始发生塑性变形，并很快成为最主要的吸能结构。0°滚转角度情形下110ms左右各部件的吸能基本达到稳定状态，5°滚转角度情形下130ms左右基本达到稳定状态，10°滚转角度情形下150ms左右基本达到稳定状态，15°滚转角度情形下200ms左右基本达到稳定状态。可以发现，随着滚转角度的增加，波纹板吸收的能量逐渐减少，支撑杆发生变形吸能的时间提前，而且各部件内能基本达到稳定时间越来越长，说明机身框段在坠撞过程中达到稳定状态时间也越来越晚。

结语

坠撞时的滚转角度会改变机身结构变形、座椅处加速度响应以及结构部件的吸能情况。滚转坠撞造成机身框段的倾斜，随着向右滚转角度的增大，机身结构变形越严重，座椅与地板连接处的最大及初始峰值加速度逐渐增大，其出现时间逐渐提前，机身框段吸能达到稳定状态的时间也越晚，同时，右侧支撑杆与机身框的连接处发生严重变形破坏，下部波纹板的变形越来越少。当滚转角度超过一定角度，机身下部波纹板结构吸能更少，机身结构变形更为严重，这将对乘员造成严重的伤害。因此要提高飞机的抗滚转吸能特性，降低传递到乘员身上的加速度值，从而保证乘员安全。

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.041