结构修理对民机机身耐撞性的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27517

固体力学与飞行器总体设计

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

结构修理对民机机身耐撞性的影响

刘小川¹^,²^,³(), 张欣玥¹^,²^,³, 惠旭龙¹^,²^,³, 闫亚斌⁴, 麻军太⁵

^1.结构冲击动力学航空科技重点实验室，西安 710065
^2.陕西省飞行器振动冲击与噪声重点实验室，西安 710065
^3.中国飞机强度研究所，西安 710065
^4.中航西飞民用飞机有限责任公司，西安 710089
^5.航空工业第一飞机设计研究院，西安 710089

收稿日期:2022-05-24 修回日期:2022-06-16 接受日期:2022-07-13 出版日期:2023-05-25 发布日期:2022-07-21
通讯作者: 刘小川 E-mail:liuxiaochuan@cae.ac.cn
基金资助:
国家级项目

Influence of structural repairs on crashworthiness of civil aircraft fuselage

Xiaochuan LIU¹^,²^,³(), Xinyue ZHANG¹^,²^,³, Xulong XI¹^,²^,³, Yabin YAN⁴, Juntai MA⁵

^1.Key Laboratory of Aviation Science and Technology on Structures Impact Dynamics，Xi’an 710065，China
^2.Shaanxi Province Key Laboratory of Aircraft Vibration，Impact and Noise，Xi’an 710065，China
^3.Aircraft Strength Research Institute of China，Xi’an 710065，China
^4.AVIC XAC Commercial Aircraft CO. ，LTD. ，Xi’an 710089，China
^5.AVIC the First Aircraft Institute，Xi’an 710089，China

Received:2022-05-24 Revised:2022-06-16 Accepted:2022-07-13 Online:2023-05-25 Published:2022-07-21
Contact: Xiaochuan LIU E-mail:liuxiaochuan@cae.ac.cn
Supported by:
National Level Project

摘要/Abstract

摘要：

为研究结构修理对民机机身耐撞性的影响，以典型含损伤民机金属机身结构为对象，通过机身段结构的坠撞实验与仿真分析，对其修理后机身结构耐撞性进行了分析，进一步基于经实验验证的仿真分析模型研究了不同修理位置和修理面积对机身结构耐撞性的影响规律。结果表明：建立的含修理机身结构坠撞动力学模型分析结果与实验一致性较好，变形模式一致，坠撞载荷峰值误差为2.4%，机身横梁标记点最大位移误差为9.3%，机身横梁标记点速度降为零的时间误差为13.2%；蒙皮修理和机身框修理均对结构的变形模式有一定影响；蒙皮和机身框对称修理对坠撞中后期载荷有显著影响；蒙皮修理对机身结构吸能影响显著，机身框修理对机身结构吸能影响较小；对于进行过大面积修理的飞机，应对机体结构耐撞性进行评估。

关键词: 民机, 机身段, 结构修理, 耐撞性, 坠撞实验

Abstract:

To study the influence of structural repairs on the crashworthiness of civil aircraft fuselage， a typical damaged civil aircraft metal fuselage structure was taken as the research object in this paper. The fuselage crashworthiness after repair was analyzed through both drop test and simulation analysis. Furthermore， based on the verified simulation model， the effects of different repair positions and repair areas on the crashworthiness of fuselage structure were studied. The results show that the analysis results of the established crash dynamic model are in good agreement with the test results， and that the deformation modes are consistent. The peak crash load error is 2.4%； the maximum displacement error of the mark on the beam is 9.3%； the time error when the velocity of the mark on the beam drops to zero is 13.2%. Both the skin and frame repairs can influence the deformation mode of the structure. The symmetrical repairs on the skin and frame have significant influences on the load in the middle and late stages of the crash. Repairs on the skin have significant influences on the energy absorption of fuselage structure， while repairs on the frame have little effect on the energy absorption. Crashworthiness of the fuselage structure should be evaluated for the aircraft repaired in a large area.

Key words: civil aircraft, fuselage section, structure repair, crashworthiness, drop test

中图分类号:

V271.1

刘小川, 张欣玥, 惠旭龙, 闫亚斌, 麻军太. 结构修理对民机机身耐撞性的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(10): 227517-227517.

Xiaochuan LIU, Xinyue ZHANG, Xulong XI, Yabin YAN, Juntai MA. Influence of structural repairs on crashworthiness of civil aircraft fuselage[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(10): 227517-227517.

图/表 45

图 1

图 2

图 3

表 1

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图12

图 13

图 14

图 15

图 16

表 2

图 17

图18

图 19

图 20

表3

图 21

图 22

图 23

图 24

图 25

图 26

图 27

图 28

图 29

图 30

图 31

图 32

图33

图 34

图 35

图36

图37

图 38

图39

图 40

图41

图42

参考文献 30

1	张晓敏. 民机坠撞事故分析及典型吸能结构特性研究［D］. 天津：中国民航大学， 2013.
	ZHANG X M. Civil aircraft crash accidents analysis and typical energy-absorbing structure characteristics research［D］. Tianjin： Civil Aviation University of China， 2013 （in Chinese）.
2	LIU X， GUO J， BAI C， et al. Drop test and crash simulation of a civil airplane fuselage section［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2015， 28（2）： 447-456.
3	范耀宇. 民用运输飞机适坠性要求浅析［J］. 民用飞机设计与研究， 2014（2）： 31-33.
	FAN Y Y. Analysis of crash-worthiness requirements of civil transport aircraft［J］. Civil Aircraft Design & Research， 2014（2）： 31-33 （in Chinese）.
4	中国民用航空规章：第25部-运输类飞机适航标准： CCAR-25-R4 ［S］. 北京：中国民用航空局， 2011.
	Civil Aviation Administration of China. China civil aviation regulation： 25-airworthiness standard of transport aircraft： CCAR-25-R4 ［S］. Beijing： Civil Aviation Administration of China， 2011 （in Chinese）.
5	刘小川，白春玉，惠旭龙，等. 民机机身结构耐撞性研究的进展与挑战［J］. 固体力学学报， 2020， 41（4）： 293-323.
	LIU X C， BAI C Y， XI X L， et al. Progress and challenge of research on crashworthiness of civil airplane fuselage structures［J］. Chinese Journal of Solid Mechanics， 2020， 41（4）： 293-323 （in Chinese）.
6	刘小川，周苏枫，马君峰，等. 民机客舱下部吸能结构分析与试验相关性研究［J］. 航空学报， 2012， 33（12）： 2202-2210.
	LIU X C， ZHOU S F， MA J F， et al. Correlation study of crash analysis and test of civil airplane sub-cabin energy absorption structure［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2012， 33（12）： 2202-2210 （in Chinese）.
7	彭亮. 基于乘员生存性的机身结构适坠性设计与评价方法研究［D］. 西安：西北工业大学， 2018.
	PENG L. Research on design and evaluation method of airframe structural crashworthiness based on occupants survivability［D］. Xi'an： Northwestern Polytechnical University， 2018 （in Chinese）.
8	ZHU X F， FENG Y W， XUE X F， et al. Evaluate the crashworthiness response of an aircraft fuselage section with luggage contained in the cargo hold［J］. International Journal of Crashworthiness， 2017， 22（4）： 347-364.
9	JACKSON K E. Finite element simulations of two vertical drop tests of F-28 Fuselage sections： NASA/TM-2018-219807［R］.Washington，D.C.：NASA， 2018．
10	王跃全，朱书华，童明波，等. 含货舱门的大型民机机身段垂直坠撞仿真分析［J］. 机械科学与技术， 2015， 34（6）： 957-962.
	WANG Y Q， ZHU S H， TONG M B， et al. Simulation and analysis on vertical crash of civil aircraft fuselage section with cargo door［J］. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering， 2015， 34（6）： 957-962 （in Chinese）.
11	PERFETTO D， DE L A， LAMANNA G， et al. Drop test simulation and validation of a full composite fuselage section of a regional aircraft［J］. Procedia Structural Integrity， 2018， 12： 380-391.
12	任毅如，向锦武，郑建强，等. 典型民机机身段水上冲击数值模拟方法及其耐撞性研究［J］. 工程力学， 2016， 33（5）： 241-248.
	REN Y R， XIANG J W， ZHENG J Q， et al. Research on the numerical method and crashworthiness of typical civil aircraft fuselage for water impact［J］. Engineering Mechanics， 2016， 33（5）： 241-248 （in Chinese）.
13	HEIMBS S， HOFFMANN M， WAIMER M， et al. Dynamic testing and modelling of composite fuselage frames and fasteners for aircraft crash simulations［J］. International Journal of Crashworthiness， 2013， 18（4）： 406-422.
14	LIU X， XI X， BAI C， et al. Dynamic response and failure mechanism of Ti-6AL-4V hi-lock bolts under combined tensile-shear loading［J］. International Journal of Impact Engineering， 2019， 131： 140-151.
15	惠旭龙，刘小川，白春玉，等. 复合材料结构用高锁螺栓的动态复合加载失效特性［J］. 兵工学报， 2019， 40（10）： 2142-2150.
	XI X L， LIU X C， BAI C Y， et al. Failure characteristics of high-lock bolts for composite structures under dynamic combined loading［J］. Acta Armamentarii， 2019， 40（10）： 2142-2150 （in Chinese）.
16	汪存显，高豪迈，龚煦，等. 航空铆钉连接件的抗冲击性能［J］. 航空学报， 2019， 40（1）： 522484.
	WANG C X， GAO H M， GONG X， et al. Impact responses of aeronautic riveting structures［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（1）： 522484 （in Chinese）.
17	REN Y R， XIANG J W. Improvement of aircraft crashworthy performance using inversion failure strut system［J］. Aircraft Engineering and Aerospace Technology， 2017， 89（2）： 330-337.
18	PAZ J， DÍAZ J， ROMERA L， et al. Optimisation of thin-walled hybrid vertical struts for crashworthy aircraft designs［J］. Structural and Multidisciplinary Optimization， 2020， 61（1）： 141-158.
19	PAZ J， DIAZ J， ROMERA L， et al. Size and shape optimization of aluminum tubes with GFRP honeycomb reinforcements for crashworthy aircraft structures［J］. Composite Structures， 2015， 133： 499-507.
20	冯振宇，周坤，宋山山，等. 铺层角度对复合材料C型柱轴向压溃吸能特性影响分析［J］. 机械强度， 2019， 41（5）： 1079-1084.
	FENG Z Y， ZHOU K， SONG S S， et al. Effect of ply orientation on energy-absorbing characteristics of composite c-channels subject to axial compression［J］. Journal of Mechanical Strength， 2019， 41（5）： 1079-1084 （in Chinese）.
21	SUBBARAMAIAH R， PRUSTY B G， PEARCE G， et al. Crashworthy response of fibre metal laminate top hat structures［J］. Composite Structures， 2017， 160： 773-781.
22	JIANG H， REN Y， GAO B， et al. Research on the progressive damage model and trigger geometry of composite waved beam to improve crashworthiness［J］. Thin-Walled Structures， 2017， 119： 531-543.
23	汪洋，吴志斌，刘富. 复合材料货舱地板立柱压溃响应试验［J］. 复合材料学报， 2020， 37（9）： 2200-2206.
	WANG Y， WU Z B， LIU F. Crush experiment of composite cargo floor stanchions［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2020， 37（9）： 2200-2206 （in Chinese）.
24	王远达，梁永胜，王宏伟. 飞机结构的耐久性与损伤容限设计［J］. 飞机设计， 2009， 29（1）： 37-43.
	WANG Y D， LIANG Y S， WANG H W. Design of durability and damage tolerance for aircraft structure［J］. Aircraft Design， 2009， 29（1）： 37-43 （in Chinese）.
25	刘晓丽，王瀛. 疲劳敏感结构修理损伤容限评估途径［J］. 航空维修与工程， 2016（1）： 58-60.
	LIU X L， WANG Y. Discussion about methods of perform damage tolerance evaluation to the repair on FCBS［J］. Aviation Maintenance & Engineering， 2016（1）： 58-60 （in Chinese）.
26	刘小川，王彬文，白春玉，等. 航空结构冲击动力学技术的发展与展望［J］. 航空科学技术， 2020， 31（3）： 1-14.
	LIU X C， WANG B W， BAI C Y， et al. Progress and prospect of aviation structure impact dynamics［J］. Aeronautical Science & Technology， 2020， 31（3）： 1-14 （in Chinese）.
27	杨海滨. 民用飞机结构疲劳损伤维修决策与评估技术研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2011.
	YANG H B. The research of maintenance decision and assessment method for aircraft structural fatigue damage［D］. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2011 （in Chinese）.
28	张欣玥，惠旭龙，刘小川，等. 典型金属民机机身结构坠撞特性试验研究［J］. 航空学报， 2022，43（6）：526234.
	ZHANG X Y， XI X L， LIU X C， et al. Experimental study on crash characteristics of typical metal civil aircraft fuselage structure［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022，43（6）：526234 （in Chinese）.
29	白春玉，刘小川，惠旭龙，等. 民机适坠性研究中的垂向坠撞速度问题探讨［J］. 航空科学技术， 2020， 31（9）： 11-17.
	BAI C Y， LIU X C， HUI X L， et al. Discussion on the problem of vertical crash velocity in the study of the crashworthiness of civil aircraft［J］. Aeronautical Science & Technology， 2020， 31（9）： 11-17 （in Chinese）.
30	飞机设计手册总编委会. 飞机设计手册第3册，材料［M］. 北京：航空工业出版社， 2004： 186-260.
	General Editorial Board of Aircraft Design Manual. Aircraft design manual Volume 3： Materials ［M］. Beijing： Aviation Industry Press， 2004： 186-260 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

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	裂纹位置	照片
1	左22框13长桁机身框
2	左23框14长桁机身框
3	左23框13长桁机身框
4	左23框12长桁机身框
5	左24框13长桁机身框
6	左24框14长桁机身框
7	左25框13长桁机身框
8	右25框13长桁机身框
9	右25框14长桁机身框
10	22-23框左1长桁-右1长桁蒙皮
11	24框右6长桁-右7长桁蒙皮

材料	部位	密度/（kg∙m^-3）	模量/GPa	泊松比	屈服应力/MPa	硬化模量/MPa	失效应变
7075	框、角片	2 796	70	0.33	418	680	0.056
7050	角片	2 830	72	0.33	441	950	0.05
7150	长桁、横梁、滑轨、立柱	2 823	76	0.33	690	400	0.06
2524	蒙皮	2 768	72	0.35	328	920	0.15
玻璃	窗户	2 500	72	0.2

序号	编号	修理部位	修理面积
1	蒙皮-对称-1	机身正下部蒙皮	一跨，2个长桁之间
2	蒙皮-对称-2	机身正下部蒙皮	一跨，4个长桁之间
3	蒙皮-对称-3	机身正下部蒙皮	两跨，4个长桁之间
4	蒙皮-非对称-1	机身左下部蒙皮	一跨，2个长桁之间
5	蒙皮-非对称-2	机身左下部蒙皮	一跨，4个长桁之间
6	蒙皮-非对称-3	机身左下部蒙皮	两跨，4个长桁之间
7	框-对称-1	机身正下部框	一跨，2个长桁之间
8	框-对称-2	机身正下部框	一跨，4个长桁之间
9	框-对称-3	机身正下部框	两跨，4个长桁之间
10	框-非对称-1	机身左下部框	一跨，2个长桁之间
11	框-非对称-2	机身左下部框	一跨，4个长桁之间
12	框-非对称-3	机身左下部框	两跨，4个长桁之间

[1]	李军府, 陈晴, 王伟, 韩忠华, 谭玉婷, 丁玉临, 谢露, 乔建领, 宋科, 艾俊强. 一种先进超声速民机低声爆高效气动布局设计[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 629613-629613.
[2]	李春鹏, 钱战森, 孙侠生. 远程民机变弯度机翼后缘外形变形矩阵气动设计[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 127335-127335.
[3]	张絮涵, 曹祎, 孙静楠, 潘舜智. 民机座舱空气环境参数权重分析方法对比研究[J]. 航空学报, 2023, 44(20): 228480-228480.
[4]	王迪, 冷岩, 杨龙, 韩忠华, 钱战森. 基于广义Burgers方程的声爆传播特性大气湍流影响[J]. 航空学报, 2023, 44(2): 626318-626318.
[5]	丁玉临, 韩忠华, 乔建领, 聂晗, 宋文萍, 宋笔锋. 超声速民机总体气动布局设计关键技术研究进展[J]. 航空学报, 2023, 44(2): 626310-626310.
[6]	乔建领, 韩忠华, 丁玉临, 宋文萍, 宋笔锋. 分层大气湍流场对远场声爆传播的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(2): 626350-626350.
[7]	冯蕴雯, 林心怡, 薛小锋, 杨祥, 刘佳奇. 高可靠单向爆破的民机防爆结构设计[J]. 航空学报, 2023, 44(18): 228297-228297.
[8]	郭庆, 关德明. 民机维修任务分析的人因可靠性预测模型[J]. 航空学报, 2023, 44(16): 228051-228051.
[9]	岑飞, 刘志涛, 蒋永, 郭天豪, 张磊, 孔轶男. 民机极限飞行状态非定常气动力建模[J]. 航空学报, 2022, 43(8): 125582-125582.
[10]	张欣玥, 惠旭龙, 刘小川, 白春玉. 典型金属民机机身结构坠撞特性试验[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526234-526234.
[11]	邢运, 张桥, 杨先锋, 刘华, 杨嘉陵. 仿生梯度圆环防护系统的耐撞性设计[J]. 航空学报, 2022, 43(6): 526194-526194.
[12]	王育鹏, 田文朋, 宋鹏飞, 夏峰, 冯建民. 民机全机疲劳试验综合加速技术研究与验证[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 224919-224919.
[13]	张力文, 宋文萍, 韩忠华, 钱战森, 宋笔锋. 声爆产生、传播和抑制机理研究进展[J]. 航空学报, 2022, 43(12): 25649-025649.
[14]	袁吉森, 孙爵, 李玲玉, 于晟浩, 聂晗, 高亮杰, 韩忠华, 钱战森. 超声速飞机层流布局设计与评估技术进展[J]. 航空学报, 2022, 43(11): 526316-526316.
[15]	聂晗, 宋文萍, 韩忠华, 陈坚强, 段茂昌, 万兵兵. 面向超声速民机层流机翼设计的转捩预测方法[J]. 航空学报, 2022, 43(11): 526342-526342.

结构修理对民机机身耐撞性的影响

Influence of structural repairs on crashworthiness of civil aircraft fuselage

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 45

参考文献 30

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价