不同滾轉角度對機身框段適墜性影響分析

任　健

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不同滾轉角度對機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，設計師，研究方向：民用飛機適航管理與驗證技術。

行業曲線

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

近二十多年來，民用飛機結構適墜性越來越受到人們的廣泛關注。對民用飛機事故研究表明，飛機結構的適墜性能可以通過改進飛機結構的抗墜撞優化設計得到改善與提升，進而可以保證乘員安全。民用飛機事故調查發現，飛機的墜撞環境及墜撞姿態比較復雜，絕大部分飛機都是以不同的滾轉角度發生墜撞。因此，為全面評估飛機的適墜性能，必須綜合對比不同滾轉條件下飛機的結構響應。

自上世紀70年代開始，FAA（Federal Aviation Administration，美國聯邦航空局）、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整機墜撞試驗，以及波音B707、B737以及A320等機身框段結構墜撞試驗，積累了大量的試驗數據及適墜性設計、驗證及審定經驗，并通過這些試驗數據驗證結構建模方法和數值分析方法，評估典型撞擊環境下機身結構的適墜性和結構能量吸收情況，并通過經驗證的分析模型和分析方法對難以試驗驗證的墜撞環境進行預測。NASA Langley研究中心針對輕型飛機復合材料機身，在1997年制造1/5縮比機身結構模型，進行了0°和15°滾轉角度的墜撞試驗，并基于試驗結果進行仿真分析，但是研究結果沒有給出滾轉墜撞對適墜性的影響規律。此外，針對B737運輸類飛機，Alan B基于驗證的帶下部貨艙門的機身框段有限元模型，進行了10°、15°滾轉墜撞仿真分析，分析了座椅處加速度特性及頭頂行李艙載荷等。近年來，國內也開展了民用飛機結構適墜性方面的研究工作，其中，2012年，中航工業飛機強度研究所首次進行了我國典型民機機身框段7m/s的墜撞試驗，為我國飛機結構適墜性設計及驗證積累了一定經驗。國內研究主要關注機身結構在垂直墜撞情況下的沖擊響應問題及材料、元件的吸能特性等，對于滾轉角度對飛機結構適墜性影響的研究相對較少，有必要開展進一步的研究。

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角度信息的航空事故有26起。表1給出了不同滾轉角度墜撞情況下的事故數及乘員傷亡數目。對表中數據分析可知，多數航空事故墜撞滾轉角度在±30°之間，共有17起，占滾轉墜撞事故數的65.4%，且乘員存活率較高。墜撞滾轉角度超過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滾轉墜撞密切相關。

表1　事故數及乘員傷亡數

圖1　機身框段有限元模型

圖2　機身框段在100 ms時的應力云圖

為了研究不同滾轉角度對機身框段適墜性能的影響，本文基于HyperMesh建立了典型的機身框段有限元模型，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°不同滾轉角度情況下的破壞模式、加速度響應特性以及結構部件的吸能特性，分析不同滾轉角度對機身框段結構適墜性的影響規律。

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機身段在重力加速度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方向單位質量的體積力張量；μ為阻尼系數；Fi（t）和Di（t）為i方向的力張量和位移張量；上標“+”和“-”為邊界內側和外側；ni為i方向垂直于邊界指向外側的單位張量；t為時間變量。

機身框段有限元模型

本文建立了5框4跨的機身框段有限元模型，客艙半徑1 700 mm，貨艙半徑1 600 mm，模型寬2200 mm。模型中包括機身蒙皮、加強框、座椅導軌、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，對模型進行適當簡化，鉚接或螺接等連接均采用rigid body剛性連接。機身框段有限元模型如圖1所示。

質量屬性

機身框段有限元模型是左右對稱的，乘員和座椅系統以集中質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量。參考CCAR25.562條款要求，定義每個座椅和假人的集中質量定為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越疲勞性能的Al-2024-T3，機身框、長桁和波紋板選用高強度合金Al-7075-T6，其他結構部件選用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。其力學性能參數如表2所示。

機身模型中包括609367個節點、616625個殼單元，二維BT殼單元是飛機機身結構墜撞仿真分析中常用的單元，可以精確模擬墜撞過程中結構的彎曲和斷裂情況。

墜撞初始條件

機身框以7m/s的墜撞初始速度，以0°、5°、10°、15°的右滾轉角度撞擊剛性面。采用自適應單面接觸CONTANT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE定義機身框自身各結構部件間、機身框與剛性地面間的接觸，靜摩擦因數為0.2，動摩擦因數為0.1。

表2　鋁合金力學性能參數

機身段抗墜撞性能分析

機身段破壞模式分析

圖2給出4種情況下機身框段在100 ms時的應力云圖。當機身框段與剛性地面碰撞時，機身框底部受到較大面內擠壓載荷，機身框底部向上凸起。0°、5°和10°滾轉墜撞時，底部波紋板向上彎曲，機身框呈三鉸式破壞，分別位于兩側支撐桿與機身框連接區域和機身底部，如圖2（a）、（b）和（c）所示。機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。客艙空間仍維持在原空間85%以上，從而保證了乘員有足夠生存空間。隨著向右滾轉角度增大，機身段向右傾斜，波紋板彎曲位置向右偏移，右側支撐桿與機身框連接處的變形也越嚴重。15°滾轉墜撞時，底部波紋板幾乎未發生彎曲變形，機身框也呈三鉸式破壞，如圖2（d）所示，機身向右嚴重傾斜，右側支撐桿與機身框的連接處嚴重變形，客艙空間仍維持在85%以上。

機身框段以一定能量墜撞時，滾轉角度增大導致底部波紋板塑性變形減少，其有效吸能減少，進而耗散在機身結構上的能量增加，導致機身框段變形越嚴重。當滾轉角度超過一定角度，機身下部結構吸能較少，導致機身結構變形較為嚴重，傾斜也更為嚴重，這將嚴重影響乘員安全。

圖3　機身段座椅與地板連接點加速度歷程

圖4　機身框段動能-時間歷程

加速度響應特性分析

圖3給出了4種情況下右外側與左外側座椅與地板連接處的加速度時間歷程曲線。選取60Hz的濾波截止頻率進行濾波。機身框段結構加速度響應峰值主要有2個，第1個加速度峰值對應機身框段結構與剛性地面接觸，第2個對應客艙支撐桿與地面接觸。要提高機身結構的適墜性能，需要降低加速度最大峰值，并使得響應時間歷程更加平穩，降低加速度均值。向右滾轉導致右側座椅與地板連接處的加速度幅值增加，左側的加速度幅值相應減少；并導致右側加速度脈沖出現的時間提前，左側出現的時間相應滯后。

以圖3（a）為例，0°滾轉角時的最大峰值加速度為26g，出現在110 ms左右；5°滾轉角時最大峰值加速度為27g，出現在85ms左右；10°滾轉角時的最大峰值加速度為29g，出現在70ms左右；15°滾轉角時的最大峰值加速度為30g，出現在55ms左右。可以看到，隨著向右滾轉角度的增大，右外側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，其出現的時間也越來越提前。短時間過大的加速度脈沖響應，會對乘員造成一定程度的傷害。

圖5　機身部件吸能-時間歷程曲線

吸能特性分析

圖4給出不同滾轉角度機身框段動能變化曲線。4種情況下機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°滾轉角時，總動能在90ms時快速衰減并在110ms左右降至最低；5°滾轉角時，總動能在70ms時快速衰減，并在125ms左右降至最低；10°滾轉角時，總動能在150ms左右降至最低；15°滾轉角時，總動能在200ms時還沒有降至最低點。可以發現，隨著滾轉角度的增加，系統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。

機身框段在墜撞過程中，主要通過機身結構部件發生變形來吸收沖擊動能，但是各部件吸能有所不同。圖5給出不同滾轉角度機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，墜撞過程中機身框是主要的吸能結構，其次是蒙皮、波紋板。由于機身框獨特的設計特點，在墜撞初始階段，波紋板、蒙皮的吸能占較大比例，之后機身框開始發生塑性變形，并很快成為最主要的吸能結構。0°滾轉角度情形下110ms左右各部件的吸能基本達到穩定狀態，5°滾轉角度情形下130ms左右基本達到穩定狀態，10°滾轉角度情形下150ms左右基本達到穩定狀態，15°滾轉角度情形下200ms左右基本達到穩定狀態。可以發現，隨著滾轉角度的增加，波紋板吸收的能量逐漸減少，支撐桿發生變形吸能的時間提前，而且各部件內能基本達到穩定時間越來越長，說明機身框段在墜撞過程中達到穩定狀態時間也越來越晚。

結語

墜撞時的滾轉角度會改變機身結構變形、座椅處加速度響應以及結構部件的吸能情況。滾轉墜撞造成機身框段的傾斜，隨著向右滾轉角度的增大，機身結構變形越嚴重，座椅與地板連接處的最大及初始峰值加速度逐漸增大，其出現時間逐漸提前，機身框段吸能達到穩定狀態的時間也越晚，同時，右側支撐桿與機身框的連接處發生嚴重變形破壞，下部波紋板的變形越來越少。當滾轉角度超過一定角度，機身下部波紋板結構吸能更少，機身結構變形更為嚴重，這將對乘員造成嚴重的傷害。因此要提高飛機的抗滾轉吸能特性，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