大型运输类飞机典型机身框段坠撞特性分析

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27512

固体力学与飞行器总体设计

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大型运输类飞机典型机身框段坠撞特性分析

牟浩蕾¹, 解江², 冯振宇¹(), 程坤¹, 刘义¹

^1.中国民航大学安全科学与工程学院，天津　300300
^2.中国民航大学科技创新研究院，天津　300300

收稿日期:2022-05-24 修回日期:2022-07-14 接受日期:2022-11-07 出版日期:2023-05-15 发布日期:2022-12-06
通讯作者: 冯振宇 E-mail:mhfzy@163.com
基金资助:
天津市应用基础研究多元投入(21JCYBJC00690)

Crashworthiness characteristics analysis of typical fuselage section of large transport aircraft

Haolei MOU¹, Jiang XIE², Zhenyu FENG¹(), Kun CHENG¹, Yi LIU¹

^1.College of Safety Science and Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 　300300，China
^2.Science and Technology Innovation Research Institute，Civil Aviation University of China，Tianjin 　300300，China

Received:2022-05-24 Revised:2022-07-14 Accepted:2022-11-07 Online:2023-05-15 Published:2022-12-06
Contact: Zhenyu FENG E-mail:mhfzy@163.com
Supported by:
Tianjin Applied Basic Research Multi input Fund Project(21JCYBJC00690)

摘要/Abstract

摘要：

为了研究大型运输类飞机坠撞特性及失效模式，发展机身框段结构有限元建模及坠撞仿真技术，首先设计加工三框两段全尺寸机身框段试验件（含2套三联座椅和4个FAA混III假人）；其次通过开展坠撞试验获得其坠撞变形及响应特性；最后建立经试验验证的机身框段有限元模型，并进一步评估其撞击不同地面（混凝土地面和软土地面）时的响应特性。结果表明，在6.02 m/s坠撞速度下，客舱地板上部区域基本保持完整，客舱地板下部区域发生了较大变形与破坏，产生3处塑性铰；货舱地板横梁一侧在其与机身框连接处发生断裂，导致同侧的客舱地板峰值加速度明显大于另一侧，最大峰值加速度和撞击力分别为427.7 m/s²和290.8 kN。有限元模型能够准确模拟客舱地板下部的3处塑性铰、货舱地板横梁与机身框连接处的失效情况等，且在速度、加速度等方面与试验结果吻合较好，仿真结果表明机身框是主要的吸能部件，占总吸能量的40.7%；当机身框段撞击不同地面时，由于软土地面发生变形并吸收了部分冲击能量，导致机身变形模式发生改变，并降低了传递给乘员的峰值加速度。

关键词: 机身框段, 坠撞特性, 失效模式, 坠撞试验, 运输类飞机

Abstract:

To study the crashworthiness characteristics and failure mode of large transport aircraft and develop the finite element modeling and crashworthiness simulation technology of fuselage structures， a three-frame and two-span full-scale fuselage section with two sets of triple seats installed and four FAA Hybrid III Anthropomorphic Test Devices （ATD） placed is firstly designed and manufactured； the crash deformation and response characteristics are then obtained by carrying out a drop test of the typical fuselage section； Finally， a finite element model of fuselage section is established and verified by the drop test results， and the crashworthiness characteristics are evaluated when hitting different grounds （concrete ground and soft grounds）. The results show that at the vertical impact velocity of 6.02 m/s， the upper area of the cabin floor remains basically intact， and the sub-cabin structures are significantly deformed and damaged， resulting in three plastic hinges； the cargo floor beam breaks on one side where it joins the fuselage frame， resulting in a significantly faster peak acceleration of the cabin floor on the same side than on the other side， and the maximum acceleration peak value and impact force are 427.7 m/s² and 290.8 kN， respectively. The finite element model can accurately simulate the three plastic hinges and the failure of the connection between the cargo floor beam and the fuselage frame， and it is in good agreement with the test results in terms of impact velocity and acceleration. The fuselage frame is the main energy-absorbing component， accounting for 40.7% of the total absorbed energy； when hitting different grounds， the partial impact energy is absorbed by the soft ground， resulting in slightly different failure modes of the fuselage section and a reduction in the peak acceleration transmitted to the occupants.

Key words: fuselage section, crashworthiness characteristics, failure mode, drop test, transport aircraft

中图分类号:

V223

牟浩蕾, 解江, 冯振宇, 程坤, 刘义. 大型运输类飞机典型机身框段坠撞特性分析[J]. 航空学报, 2023, 44(9): 227512-227512.

Haolei MOU, Jiang XIE, Zhenyu FENG, Kun CHENG, Yi LIU. Crashworthiness characteristics analysis of typical fuselage section of large transport aircraft[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(9): 227512-227512.

图/表 26

表1

图1

图 2

图 3

图 4

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图 10

表 2

表 3

图 11

图 12

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图 18

表 4

图 19

图 20

图 21

图 22

参考文献 34

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

序号	国家或地区	试验对象	试验年份	撞击速度/ （m·s^-1）	撞击面
1	美国	707机身框段	1980	6.10	刚硬地面
2	美国	707机身框段（含辅助油箱）	1993	9.14	刚硬地面
3	欧盟	A320机身框段	1993	7.00	刚硬地面
4	欧盟	A320机身框段	1995	6.70	刚硬地面
5	美国	737-200机身框段（含辅助油箱）	1999	9.14	刚硬地面
6	欧盟	A320机身框段	1999	6.78	刚硬地面
7	美国	737-100机身框段（含货舱货物）	2000	9.14	刚硬地面
8	美国	F-28机身框段	2001	9.20	刚硬地面
9	日本	YS-11机身框段	2001	6.10	刚硬地面
10	日本	YS-11机身框段（含货舱货物）	2002	7.40	刚硬地面
11	美国	波音787机身框段	2007	9.14	刚硬地面
12	中国	支线客机机身框段	2012	6.85	刚硬地面
13	美国	F-28机身框段（机身翼盒）	2017	8.90	砂石土面
14	美国	F-28机身框段（含货舱货物）	2017	8.87	软土地面
15	美国	Hawker 4000机身框段	2017	9.14	刚硬地面
16	欧盟	复合材料飞机机身框段	2017	9.14	刚硬地面
17	中国	大型运输类飞机机身框段	2019	6.02	刚硬地面
18	中国	典型金属民机机身框段	2020	5.91	刚硬地面
19	美国	挑战者601机身框段（中央翼盒段）	2021	9.14	刚硬地面

部件	材料	密度 ρ /（10^-6 kg·mm^-3）	弹性模量 E /GPa	泊松比 μ	屈服应力 σ_y /MPa	极限应变 ε
机身框（含剪切角片）	2024-T42	2.67	72.4	0.33	275.000	0.18
长桁	2099-T83	2.63	78.6	0.31	475.755	0.10
蒙皮	2024-T3	2.67	72.4	0.33	324.065	0.16
货舱纵梁	2196-T8511	2.63	76.5	0.31	510.230	0.10
地板连接角片，立柱	7075-T7351	2.70	72.4	0.33	623.000	0.10
上部桁架	钢	7.80	210.0	0.30

牌号	材料	密度 ρ /（10^-6 kg·mm^-3）	弹性模量 E /GPa	泊松比 μ	屈服应力 σ_y /MPa	极限拉伸载荷 T_u /N	极限剪切载荷 N_u /N
MS20470AD5-6	7050-T73	2.82	72.4	0.33	441.3	5 093	3 738
NAS1097KE5-6	7050-T73	2.82	72.4	0.33	441.3	3 665	5 051
MS20470E5-6	2017-T4	2.70	72.4	0.33	379.2	6 300	4 389
NAS1465-03	合金钢	7.80	210.0	0.33	500.0	7 702	9 359
CFBL1001AG5-2	钛合金	4.50	117.0	0.33
CFBL1002AG5-2	钛合金	4.50	117.0	0.33
CFBL1003AG5-2	钛合金	4.50	117.0	0.33

地面类型	HWS	LDD	SOIL B	HDI
密度/（10^-9t·mm^-3）	1.46	1.28	1.29	1.60
剪切模量G/MPa	1.84	1.39	3.17	3.25
卸载模量K/MPa	68.95	224.00	168.00	110.87
常数 a₀/MPa²	0	0	6.18×10^-6	6.52×10^-5
常数 a₁/MPa	0	0	5.14×10^-3	1.29×10^-2
常数 a₂	0.300 0	0.504 2	1.068 0	0.636 8

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大型运输类飞机典型机身框段坠撞特性分析

Crashworthiness characteristics analysis of typical fuselage section of large transport aircraft

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