某型直升機醫療地板的改裝優化設計與適航符合性驗證

張鑫葵， 李艷軍， 曹愈遠， 胡學文

(南京航空航天大學民航學院， 南京 211106)

近年來，由于直升機具有機動性能強、可以低空飛行等優點，中國的通航企業不斷地發展壯大，同時國家提出各項利好政策支持國內航空應急救援的發展，并且國外成熟的醫療構型改裝的成本偏高，于是加大了國內市場對醫療救援類的直升機的需求。因此需要對普通類型的直升機進行改裝，使其擁有醫療急救的功能。然而針對直升機改裝方面，國外改裝技術比較成熟，具有以下特點：①從設計改裝到生產加工再到最后的適航審定，具備一套完整高效的流程；②存在專業的醫療類直升機改裝的公司，比如奧地利AAT(air ambulance technology)公司和德國Bucher公司；③對于適航條款的研究更成熟，并且直升機改裝的適航試驗更接近于實際飛行。對于國內直升機改裝來說，起步晚，人才缺乏，直升機改裝設備制造工藝精度不高，缺少直升機改裝的適航知識和經驗[1-2]。

對于醫療救援類的直升機，首先需要對其加裝醫療地板，然后再在醫療地板上安裝擔架、呼吸機等醫療設備，來達到不破壞直升機原有構型的改裝設計。而其中最核心的要求便是在滿足適航強度要求的情況下盡可能地減少所加裝的結構的質量。所以需要對醫療地板結構進行優化設計，優化設計主要包括結構尺寸的優化、形狀優化和拓撲優化。拓撲優化擺脫了其他兩種優化方法不能變更結構的缺點，在優化過程中充分考慮結構的布局、尺寸合理性、材料選擇以及結構的外形，具有非常大的優點，其在結構工程輕量化設計、高強度設計中有很大的應用前景。

為了保障直升機改裝后的安全性、可靠性和經濟性，需要對其進行適航審定，并且貫穿于改裝設計、制造、運營整個階段。而對適航符合性驗證方法的研究是適航審定研究的核心部分，也是對于改裝類的直升機取得適航證書的關鍵。基于此，為彌補國內直升機改裝的空白以及滿足國內直升機應急救援的市場需求，同時保證加改裝直升機的安全飛行，與國外深度改裝直升機相反，在不改變直升機原有構型基礎上，現以醫療地板為例，對其改裝設計及適航進行研究，并創新性地引入拓撲優化，在設計階段加快直升機改裝的整體流程[3]，為中國通航直升機的改裝提供參考與指導。

1 直升機醫療地板改裝的拓撲優化設計

1.1 拓撲優化的原理和方法

拓撲優化是指形狀外形的優化，其主要目的是在尋找結構的最優傳力路徑和最優的結構剛度分布的基礎上，在給定的區域內達到結構的最優的重量或最優的性能或者材料的最優分布。簡單來說，拓撲優化是在規定的設計區域內，按照規定的要求和規章，在給定的實際的加載、固定等約束下，尋求應力形變和應力大小達到規定要求的情況，去除不必要的材料，而使必要的材料留下的方法。拓撲優化的優點在于，它不需要給出變量參數和優化參數，優化函數、目標參數、參數變量都是預先設定好的，用戶只需要給出結構的參數和需除去材料的百分比，就能得出優化的結構。而直升機醫療地板的拓撲優化主要用到變密度法。

變密度法是人為地引入了一種假想的材料，其相對密度在0～1，以這種材料的密度作為設計的變量，并且將材料的密度和材料的物理參數聯系起來，就將拓撲優化轉變為材料的最優分布問題了。其數學模型為

(1)

式(1)中：n為單元的個數；μi為第i個單元的相對密度；ρ0為單元的原始密度；V0i為第i個單元的體積；m0為單元在取原始密度值時所對應的原始質量；C為結構的柔度[4]；α為剩余質量和原始質量的百分比。

1.2 直升機醫療地板的拓撲優化設計

醫療地板模型的設計參考飛機設計手冊中直升機原有構型的地板尺寸，其總長為1 660 mm，前部寬度為1 880 mm，后部寬度為1 935 mm，厚度為8 mm。為了方便醫療地板的安裝、拆卸和維修，根據直升機原有的地板構型和醫療地板上安裝擔架等醫療設備的位置，將地板分割成6塊，每塊地板之間通過螺栓連接，再通過螺栓固定在直升機地板上。運用SolidWorks軟件對其建模后，整個醫療地板裝配體如圖1所示，醫療地板上6條長導軌主要用于安裝固定擔架，短導軌用于安裝氧氣瓶及儲物箱。

圖1 優化前醫療地板Fig.1 Medical floor before optimization

利用Ansys Workbench對設計好的地板進行拓撲優化[5]。主要采用的拓撲優化方法為變密度法，其以醫療地板的柔度作為目標函數，具體步驟如下。

步驟一將建好的醫療地板模型導入Ansys中，并且選擇Solid186的二十節點的六面體單元建立醫療地板的初始拓撲分析模型。該單元在保證優化的計算精度的前提下，允許不規則的形狀出現，并且具有良好的塑性、剛度。對醫療地板的材料進行定義，醫療地板和導軌所用材料為6061-T6鋁合金，螺栓采用45鋼。具體材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

步驟二對模型進行網格劃分，并且對其進行施加約束和載荷。根據其在飛機上的實際受力情況，對每個固定醫療地板的螺栓底部施加固定約束，然后根據CCAR-29(Chinese civil aviation regulations-29)的要求，改裝的直升機向下受到的極限載荷系數為20g，同時在醫療地板上固定的擔架和患者總重約為93.5 kg，可計算出在地板上施加的向下的力為18 326 N。

步驟三對醫療地板進行優化參數設置。為了保證優化過程中計算的收斂性能較好，根據以往的拓撲優化經驗，設置刪除材料的百分比為60%，設置的優化區域為整個模型區域。最后經過Ansys分析后的拓撲優化結果如圖2所示。

根據醫療地板拓撲優化的云圖來分析，紅色部分為可以刪除的部分，即紅色部分為應力受力比較小的區域。再根據醫療地板在直升機上的實際應用情況、適航的要求、未來維修的便捷性，對原有直升機醫療地板進行了優化處理，將所受應力較小的區域除去了6 mm厚度的材料[6]。最后優化模型如圖3所示，即醫療地板正面保持原有光滑平面，背面增加了方形槽，既減輕質量又滿足強度要求。

2 直升機醫療地板改裝的適航審定

2.1 改裝直升機適航取證流程

為了保證改裝后的直升機能夠安全可靠地飛行，都需要取得適航許可證。然而適航取證的過程復雜且煩瑣，涉及多學科的應用。根據《進口民用航空器重要改裝設計合格審定程序》(AP-21-15)和《補充型號合格審定程序》(AP-21-14)，總結出直升機醫療地板適航取證的流程[7-8]，如圖4所示。

圖2 醫療地板優化云圖Fig.2 Medical floor optimization cloud map

圖3 拓撲優化后醫療地板模型Fig.3 Medical floor model after topology optimization

圖4 直升機改裝適航取證流程Fig.4 Helicopter modification airworthiness certification process

在適航取證的流程中[9]，有四大核心部分。第一部分是直升機設計更改類型的確定。對于直升機不同的更改程度，其所對應的適航規章不同，適航當局的審查流程與干預程度會有區別。對于直升機的設計小改所對應的申請證書為“重要改裝設計批準書(modification design approval, MDA)”，而設計大改對應的證書為“補充型號合格證(supplementary type certification, STC)”。第二部分是申請人確定適用于本次改裝的適航規章。第三部分是申請人和適航當局進行技術熟悉性會議，確定最終的能驗證設計更改符合性的、合適的審定基礎，并且確定審定基礎對應的符合性驗證方法。第四部分是進行試驗驗證與檢查，即通過具體的試驗驗證、試飛、仿真試驗、機上檢查等來驗證設計更改對于適航規章的符合性。

2.2 直升機醫療地板改裝的審定基礎與符合性驗證方法的確定

對某型直升機醫療地板改裝包安裝完成后會對直升機的載重平衡造成較為顯著的影響，屬于設計大改，申請人需要申請取得的證書是補充型號合格證(STC)，并且該型直升機為正常旋翼類大型飛機，所以最終參考其的型號合格證(type validation certificate, TC)的基礎上確定本次設計更改參照CCAR-29-R1部的適航規章[10]。其次，本次醫療地板的改裝屬于緊急醫療服務的范圍之內，所以根據AC-21-AA-2014-36咨詢通告中的附件A更改分類中的旋翼航空器更改可得，改裝屬于設計大改中的非重大更改。然而對于直升機的非重大更改，早期的適航要求是可以作為其的審定基礎，但不能早于原審定基礎[11]。

對于每一條審定基礎，要選擇正確的符合性驗證方法去驗證。而符合性驗證方法是用來驗證醫療地板的某些性能是否滿足適航條款所規定的內容和標準。

對于本次直升機醫療地板的改裝，最終確定的部分審定基礎及其對應的符合性驗證方法如表2所示。

3 適航符合性驗證方法

3.1 分析與計算方法(MC2)

3.1.1 醫療地板結構靜強度分析

(1)建立直升機改裝的醫療地板模型。根據拓撲優化設計的醫療地板，在SolidWorks中建立醫療地板模型，最終建立的優化的醫療地板如圖3所示，醫療地板通過螺栓固定在直升機原有的地板上，然后再將醫療擔架、醫療設備固定架安裝上，整體圖如圖5所示。

(2)對醫療地板進行靜強度仿真分析。將建好后的醫療地板模型導入Ansys Workbench中，對醫療地板的材料屬性進行定義，對醫療地板進行網格劃分，接觸設置，同時對連接到直升機地面的每個螺栓底面施加固定約束。而對于本次模型直升機的載荷的施加，根據CCAR-29.561(b)的規章要求，當改裝后的直升機受到規章中要求的極限載荷時，應該約束住改裝的直升機上每一個存在質量的物體，防止其受到損害。再根據在醫療地板上的患者及醫療擔架的總重為93.5 kg，計算出單個醫療擔架的每一個方向上地板所受的極限載荷。極限載荷系數和醫療地板所受極限載荷如表3所示。

表2 審定基礎及其對應的符合性驗證方法Table 2 The basis of examination and approval and the corresponding verification method of conformity

圖5 醫療地板安裝后整體圖Fig.5 Overall picture after installation of medical floor

表3 極限慣性載荷系數及極限載荷Table 3 Ultimate inertia load coefficient and ultimate load

(3)結果后處理及分析。根據適航條款的要求，通過利用Ansys Workbench進行分析計算，得出了醫療地板分別在受到6個方向的極限載荷時的最大應力及位置，以向前16g的極限載荷為例，地板所受的應力分布圖如圖6所示。

最后得出每個方向的應力極限載荷下的醫療地板所受最大應力以及對應的安全系數，并且通過安全系數的計算公式σb/σmax計算出安全系數，其中σb為醫療地板的屈服強度，其值為260 MPa；σmax為最大應力值。如表4所示。而根據CCAR-29.303條的安全系數的規定，對于醫療地板的強度驗證的安全系數必須大于等于1.5。

圖6 向前16g應力分布Fig.6 16g forward stress distribution

表4 應力結果分析表Table 4 Stress result analysis table

通過上訴的分析計算，醫療地板在各個極限載荷下安全系數大于1.5，結構的強度不會失效，同時也通過上述的分析計算，驗證了醫療地板的載荷、安全系數、強度和變形符合適航條款的要求[12]。

3.1.2 醫療地板載重與平衡分析

本次某型直升機的醫療地板改裝，最終保留了原直升機的4張座椅，其他座椅均被拆除。而加裝的醫療地板本身質量為14.7 kg，在滿載人員的情況下，兩個飛行員加4名機組人員共重480 kg，直升機凈重為3 770 kg，而該型直升機為雙擔架改裝，改裝后醫療地板上可容納兩名患者，患者和擔架總重為187 kg。而根據CCAR-29.27重心限制的條款規定，需要對改裝后的直升機進行載重平衡分析。改裝后的直升機重心計算公式為

(2)

式(2)中：li為直升機醫療地板上各個帶有質量的物體在直升機中的站位，可由該型直升機的飛行手冊得知；mi為各個物體的質量；Mi為各個物體對于直升機自身原點的橫向或縱向力矩；n為影響直升機重心的物體個數；L為滿載的直升機最終加裝醫療地板后的重心位置。所以根據最終的計算以及查詢該型直升機的飛行手冊，可得出如表5所示的重心計算表[13]。

所以將醫療地板加裝在直升機上，并且加入醫療地板上的擔架及患者的質量，最終得出醫療地板改裝包對飛機縱向和橫線的重心影響，對于縱向重心位置為lz=5.495 m，橫向重心位置為lh=0.55×10-2m。根據該型直升機的飛行手冊重心限制的要

表5 重心計算表Table 5 Center of gravity calculation table

求，如圖7所示，加裝醫療地板后，直升機的縱向和橫向重心都在規定范圍內。

通過分析和計算，得出該型直升機加裝醫療地板后，直升機重心范圍均在直升機飛行手冊中要求的重心范圍內，所以符合重心限制的要求。

3.2 條款符合性說明方法(MC1)

對于該型直升機的某些審定基礎需要對其進行條款符合性說明。比如對于§29.25重量限制條款，某型直升機加裝醫療地板后，拆除了原來的8張座椅，加上醫療地板上雙擔架及患者質量為204.4 kg，遠小于原來的8張座椅在滿載的情況下，飛機承重640 kg。所以加裝直升機醫療地板后滿足重量限制的要求。

對于條款§29.603材料，本次某型直升機醫療地板的改裝所用材料為6061-T6航空鋁合金，滿足經批準的標準AMS-QQ-A-225/118，該材料的強度、適用性和耐久性能較好。本次改裝的改裝包的非金屬材料為聚碳酸酯，該材料具有阻燃性，強度、耐久性能較好。

圖7 加裝醫療地板后直升機重心圖Fig.7 Helicopter center of gravity diagram after installing medical floor

對于§29.803應急撤離條款，本次對直升機加裝醫療地板后，以直升機兩側的客艙門可作為應急出口，對于直升機的應急撤離能力，進行了實際演練，保證最大載客數時機組人員及乘客能在90 s內安全撤離，因此改裝對直升機的應急撤離能力無影響[14]。

對于本次某型直升機醫療地板的改裝的審定基礎，采取實際演練、技術說明等說明性文件對其進行符合性的驗證，最終都符合適航條款要求。

3.3 醫療地板試驗驗證方法(MC4)

改裝后直升機的醫療地板對于某些適航條款的符合性，需要應用試驗室驗證的方法對其進行驗證。

采用多功能試驗臺、擔架及擔架固定組件、木質假人以及6061-T6鋁合金醫療地板，通過10 MPa級的液壓設備進行加載，總的試驗圖如圖8所示。

同時根據CCAR29.561(b)3所定義的慣性載荷系數乘以1.15作為地板試驗載荷系數。假設實驗室雙擔架上都載有患者，其總重為187 kg。所以最終進行試驗驗證所需加載在醫療地板上的載荷如表6所示。

圖8 試驗驗證Fig.8 Test verification

表6 地板慣性載荷系數表Table 6 Floor inertia load coefficient table

通過試驗加載，改裝的直升機醫療地板上施加的極限載荷至少保持3 s，結構能承受極限載荷而不破壞，所以醫療地板符合CCAR29.305(b)條款要求[15]。

4 結論

首先采用拓撲優化的原理，利用變密度法對需要進行改裝的直升機的醫療地板進行拓撲優化設計，在保證加裝醫療地板的強度的前提下，大大降低了其重量。其次對直升機改裝后適航取證審定的流程進行了分析，確定出本次該型直升機改裝的醫療地板的審定基礎及其對應的符合性驗證方法。最后是對直升機改裝的醫療地板的適航符合性驗證方法進行研究，利用MC2的分析計算方法對直升機改裝后的醫療地板的靜強度和載重平衡進行分析，利用MC1方法對醫療地板改裝所需的材料、緊固件、通風等情況進行了條款符合性說明，同時利用MC4方法對醫療地板的強度進行了試驗室驗證。最后得出該型直升機拓撲優化后醫療地板滿足適航規章的要求。