“大學(xué)通”關(guān)于科研成果申報(bào)的模塊研究

陳冠旭 王飛 楊銀 王金濤 雷雯 張中正

摘要：本文隸屬于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目大學(xué)通項(xiàng)目中專利申報(bào)部分實(shí)際執(zhí)行部分，基于大學(xué)通指導(dǎo)理念，完成對于大學(xué)本科生及研究生階段對于專利申報(bào)的探索，將大學(xué)本科生在申報(bào)專利方面的理論進(jìn)行實(shí)踐，完成對于創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目在在整個(gè)項(xiàng)目中在專利撰寫及申報(bào)方面的理論實(shí)踐，總結(jié)出相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)并完成對于整個(gè)項(xiàng)目理念的完善。以下內(nèi)容均為實(shí)用新型專利申請部分受專利法保護(hù)。傳統(tǒng)的飛機(jī)在抗墜撞設(shè)計(jì)已經(jīng)有了一定的發(fā)展，但是大多數(shù)抗墜撞設(shè)計(jì)還是處于加強(qiáng)機(jī)體結(jié)構(gòu)的層面，當(dāng)剛度達(dá)到一定的上限以后，就會失去對人體的保護(hù)作用，通過設(shè)計(jì)一種新型波形彈簧以提高飛機(jī)的抗墜撞性能及緩沖性能。

關(guān)鍵詞：小型通用飛機(jī);波形彈簧;抗墜撞;緩沖

一、項(xiàng)目背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在飛機(jī)的使用越來越廣泛的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，如何使飛行器的安全性顯著提高是各領(lǐng)域科研人員共同面對的問題。事實(shí)上有很大一部分航空事故可以通過合理的技術(shù)手段來大大減少傷亡。飛機(jī)的墜撞安全設(shè)計(jì)正是為了減少飛機(jī)墜毀后的人員傷亡而發(fā)展的。

從60年代開始美國軍方進(jìn)行了一系列范圍廣泛的長期研究，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)在設(shè)計(jì)中如果考慮了墜撞安全性，飛機(jī)墜毀后乘員的生存概率相較于設(shè)計(jì)中不考慮抗墜撞能力的飛機(jī)將大大提高。其中對1967年至1972兩年間的美國陸軍旋翼機(jī)事故的調(diào)查顯示，如果在旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)中考慮了墜撞安全性，有接近92.8%的事故是可以有部分乘員可以幸存乃至減少將事故的損害降到最低。

如圖1所示為飛機(jī)速度和生存范圍的關(guān)系圖：

目前國內(nèi)對固定翼飛機(jī)的墜撞安全性研究還不多，比較出色的是南昌洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限公司在農(nóng)林-5A型飛機(jī)的適航取證過程中進(jìn)行了有關(guān)于全機(jī)的瞬態(tài)動力學(xué)有限元仿真分析和相關(guān)機(jī)型實(shí)機(jī)墜撞實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)取得了寶貴的數(shù)據(jù)和墜撞實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要通過經(jīng)驗(yàn)手段進(jìn)行預(yù)估，在研究時(shí)仿真方面只做了相應(yīng)部件的系數(shù)評估，但是還是缺乏全機(jī)的整體處理與數(shù)據(jù).

本文通過復(fù)合材料設(shè)計(jì)一種波形彈簧，應(yīng)用于小型通用飛機(jī)的抗墜撞設(shè)計(jì)和緩沖設(shè)計(jì)，以提高某型飛機(jī)的安全性和舒適性。

傳統(tǒng)的小型通用飛機(jī)在抗墜撞設(shè)計(jì)已經(jīng)有了一定的發(fā)展，當(dāng)剛度達(dá)到一定的上限以后，就會失去對人體的保護(hù)作用，甚至碎片會造成嚴(yán)重的二次傷害，并且由于加強(qiáng)剛度帶來的機(jī)體質(zhì)量的迅速上升對飛機(jī)的航程的影響是巨大的，所以設(shè)計(jì)一種在各種情況下都能保護(hù)人體的結(jié)構(gòu)是迫不及待的。

二、項(xiàng)目研究內(nèi)容

該項(xiàng)目結(jié)合通用飛機(jī)的研究現(xiàn)狀，提出波形彈簧抗墜撞設(shè)計(jì)，將波形彈簧應(yīng)用于小型通用飛機(jī)，使小型通用飛機(jī)的抗墜撞性能和緩沖性能得到提高。

三、項(xiàng)目研究結(jié)果

在通用航空領(lǐng)域，飛機(jī)的飛行速度和飛行高度并不算太高，結(jié)合飛機(jī)的特殊工作環(huán)境，為了提高飛機(jī)的抗墜撞性能和緩沖性能[10] ，設(shè)計(jì)用波形彈簧解決這兩個(gè)問題，單個(gè)波形彈簧的設(shè)計(jì)視圖如圖2所示，正視圖如圖2所示：

波形彈簧采用正弦函數(shù)波形，上波和下波采用對稱設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，此波形彈簧使用復(fù)材GEM102X1作為實(shí)驗(yàn)材料，可二次成型、室溫下可長期保存與回收利用，為單向碳纖維板材。單塊波采用模壓成型，波形彈簧整體采用膠接方式成型，纖維方向?yàn)閺椈砷L度方向，使波形彈簧具有要求的承載能力。

抗墜撞及緩沖一體式設(shè)計(jì)為了保證其正常工作，在工作時(shí)兩個(gè)波之間不會相對錯動太嚴(yán)重導(dǎo)致工作失效，在部分點(diǎn)位置采用固定連接。中間空芯層的主要作用為當(dāng)受力時(shí)兩個(gè)波可以相對滑動以變形，達(dá)到緩沖作用。使整個(gè)泡沫填充層強(qiáng)度較大，但是在受到撞擊時(shí)可以充分變形破裂吸收能量，達(dá)到保護(hù)人體的作用。同時(shí)，中間空芯層也可以在受到撞擊或者飛機(jī)墜落時(shí)起到一定輔助作用。

墜撞是極端情況，在正常起降時(shí)如何避免讓波形板起作用。考慮到適墜性是對人傷害盡量減輕，保證在發(fā)生安全問題的時(shí)候，脆弱的脊柱受到的分力小于背部其它部位，最大限度保護(hù)人體。緩沖結(jié)構(gòu)直接和飛機(jī)加強(qiáng)框相連接，保證力傳遞到主加強(qiáng)框，進(jìn)一步提高安全性能。

四、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和解決的實(shí)際問題

1）、波形彈簧的上下波采用正弦函數(shù)做出，正弦函數(shù)的波形彈簧受力更加均勻;并且連接點(diǎn)的接觸為活動連接，更利于受力，受力更穩(wěn)定;

2）、單個(gè)波采用一次模壓成型，解決了制作過程中纖維絲斷裂的問題;

3）、波形彈簧運(yùn)用于飛機(jī)的抗墜撞設(shè)計(jì)屬于首次應(yīng)用，在遇到?jīng)_擊時(shí)，橫向縱向都可以變形實(shí)現(xiàn)緩沖和抗墜撞，提高飛機(jī)安全性的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)起飛降落時(shí)的減震，提高了舒適度;

4）、波形彈簧采用新型復(fù)合材料制作，減輕了飛機(jī)質(zhì)量負(fù)荷;

5）、單波單點(diǎn)固定連接多模塊波形彈簧配合設(shè)計(jì)解決了兩個(gè)波片之間的相對滑動錯位問題。

五、項(xiàng)目市場性分析

該項(xiàng)目源于飛機(jī)安全性和舒適性的綜合考慮，在通用航空領(lǐng)域有一定的適航實(shí)用性，在低成本的前提下，達(dá)到一定的安全性能是通用飛機(jī)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域，利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特征，大幅度提高材料單位質(zhì)量的利用率，使飛機(jī)制造成本降低、整體質(zhì)量不至于大幅度上升。近年來，通用航空的發(fā)展如火如荼地進(jìn)行著，更有新能源通用飛機(jī)地產(chǎn)生。但是隨之而來的是安全性能和舒適性能越開越需要發(fā)展，因此對飛機(jī)的設(shè)計(jì)要求提出更大的考驗(yàn)。本項(xiàng)目以解決問題為導(dǎo)向，面向市場需求，設(shè)計(jì)出提高飛機(jī)安全性能和舒適性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，市場前景廣闊。并且在一定情況下，此設(shè)計(jì)可以向高鐵、汽車、頭盔等方向應(yīng)用，市場前景更加廣闊。

六、項(xiàng)目總結(jié)

該項(xiàng)目提出了一種波形彈簧小型通用飛機(jī)抗墜撞設(shè)計(jì)的方案，通過多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兼顧抗墜撞和緩沖兩方面性能，達(dá)到了抗墜撞及緩沖一體式設(shè)計(jì)的目的，使小型通用飛機(jī)的舒適性和安全性得到一定的提升。本文的發(fā)表基于已經(jīng)申報(bào)完畢的實(shí)用新型專利，此實(shí)用新型專利即為“大學(xué)通”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目四大模塊中針對于學(xué)生科研成果的實(shí)踐，為大學(xué)通項(xiàng)目在學(xué)生發(fā)明專利、外觀專利設(shè)計(jì)及實(shí)用新型專利方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

作者簡介：

陳冠旭、王金濤，男，漢族，沈陽航空航天大學(xué)2017級航空宇航專業(yè)本科生

王飛，男，漢族，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目指導(dǎo)教師

雷雯、楊銀、張中正，沈陽航空航天大學(xué)2015級本科生

基金項(xiàng)目：

本文用于沈陽航空航天大學(xué)省級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目：201810143181大學(xué)通

（作者單位：沈陽航空航天大學(xué)）