坠撞环境下乘员伤害分析及飞机适坠性评估

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28786

固体力学与飞行器总体设计

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坠撞环境下乘员伤害分析及飞机适坠性评估

牟浩蕾¹, 谢威威², 解江¹, 冯振宇¹(), 林岚辉²

^1.中国民航大学科技创新研究院，天津 300300
^2.中国民航大学中欧航空工程师学院，天津 300300

收稿日期:2023-03-31 修回日期:2023-04-28 接受日期:2023-06-06 出版日期:2024-02-15 发布日期:2023-06-09
通讯作者: 冯振宇 E-mail:caucstructure@163.com
基金资助:
天津市应用基础研究多元投入基金(21JCYBJC00690)

Occupant injury analysis and aircraft crashworthiness evaluation under crash scenarios

Haolei MOU¹, Weiwei XIE², Jiang XIE¹, Zhenyu FENG¹(), Lanhui LIN²

^1.Science and Technology Innovation Research Institute，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China
^2.Sino?European Institute of Aviation Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China

Received:2023-03-31 Revised:2023-04-28 Accepted:2023-06-06 Online:2024-02-15 Published:2023-06-09
Contact: Zhenyu FENG E-mail:caucstructure@163.com
Supported by:
Tianjin Application Foundation Multi-investment Fund(21JCYBJC00690)

摘要/Abstract

摘要：

为了分析坠撞环境下的机身框段和客舱乘员的动态响应以及乘员伤害情况，开展了大型飞机典型机身框段（含2套三联座椅及4名乘员假人）在6.02 m/s速度下的垂向坠撞试验，获得了机身框段结构坠撞及乘员坠撞响应数据，进行了机身框段结构坠撞破坏及乘员伤害分析，并通过可生存空间、系留强度、乘员损伤、应急撤离4个方面对飞机适坠性进行评估。坠撞试验结果表明，客舱地板下部结构发生较大变形与破坏，在货舱地板下部结构中间支撑件区域和两侧客舱地板支撑立柱与机身框连接处产生3处塑性铰；客舱区域基本保持完整，可生存空间得到保持；座椅与客舱地板导轨的连接保持完好，且乘员安全带保持在原位；乘员假人头部伤害判据最大值为31.47，腰椎压缩载荷最大峰值为3 997.2 N；乘员假人向过道倾斜，过道仍保持通畅。通过飞机适坠性评估，在6.02 m/s的垂向坠撞速度下，乘员伤害风险较小。

关键词: 机身框段, 结构坠撞响应, 乘员坠撞响应, 乘员伤害分析, 适坠性评估

Abstract:

To analyze the dynamic response of fuselage section and occupant injury under crash scenarios， the vertical drop test of typical fuselage section of large aircraft （including two sets of triple seats and four dummies） at 6.02 m/s was conducted. The crash response data of fuselage section and occupants were obtained， and the crash damage of fuselage section and occupant injury were analyzed， and the evaluation of aircraft crashworthiness was conducted through considering survivable volume， retention strength， occupant injury and emergency evacuation. The drop test results show that the sub-cabin floor structures suffer the serious deformation and damage， and three plastic hinges are generated in the sub-cargo middle supporting columns area and the connection areas between the both sides cabin supporting columns and fuselage frames. The cabin area is remained basically intact， and the survivable volume is maintained. The connections between the seats and the cabin floor guide rail are maintained in good condition， and the occupant seat belts are kept in place. The maximum value of head injury criterion is 31.47， and the maximum compressive load of occupant lumbar spine is 3 997.2 N. The dummies lean towards the aisle， and the occupant egress paths are maintained. The risk of occupant injury is relatively low at the vertical velocity of 6.02 m/s through conducting the aircraft crashworthiness evaluation.

Key words: fuselage section, structural crash response, occupant crash response, occupant injury analysis, crashworthiness evaluation

中图分类号:

V223⁺.2

牟浩蕾, 谢威威, 解江, 冯振宇, 林岚辉. 坠撞环境下乘员伤害分析及飞机适坠性评估[J]. 航空学报, 2024, 45(3): 228786-228786.

Haolei MOU, Weiwei XIE, Jiang XIE, Zhenyu FENG, Lanhui LIN. Occupant injury analysis and aircraft crashworthiness evaluation under crash scenarios[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(3): 228786-228786.

图/表 26

图1

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表 1

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图21

表5

参考文献 32

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E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

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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

名称	质量/kg	占比/%
合计	814	100
客舱地板下部结构	382	46.93
座椅及约束系统	35×2=70	8.60
乘员假人	78×4=312	38.33
测试设备和配重等	50	6.14

名称	试验件质量/kg	有限元模型质量/kg	偏差/%
合计	814	817	0.3
客舱地板下部结构	382	369	-3.4
座椅及约束系统	35×2=70	70	0
乘员假人	78×4=312	78×4=312	0
测试设备和配重等	50	66	32

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 N_u/N	极限剪切载荷 T_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

考核指标	考核项	试验结果	评估准则	备注
可生存空间	客舱变形	客舱宽度与高度未发生较大变形	≤15%	满足
可生存空间	座椅导轨、地板梁	客舱地板横梁未发生明显变形	结构主体较完整	满足
系留强度	座椅连接	座椅椅腿与地板导轨处的连接均保持完好	可以发生塑性变形，必须始终连接在座椅导轨上	满足
系留强度	头顶行李舱	未考虑	行李舱不能脱落，伤害乘员或影响撤离通道	未考虑
乘员损伤	HIC	头部HIC最大值为31.47	HIC≤1 000	满足
	腰椎载荷	腰椎载荷最大值为3 997.2 N	最大压缩载荷≤6 672 N	满足
	安全带载荷	未考虑	单系带拉伸载荷≤7 784 N	未考虑
	股骨载荷	未考虑	轴向压缩载荷≤10 008 N	未考虑
应急撤离	座椅强度	座椅结构未发生大变形	座椅变形不能困住乘员	满足
	过道宽度	座椅结构未发生大变形，未侵入过道，过道通畅	距地板635 mm以上，过道宽度≥510 mm，过道通畅	满足
	应急舱门	未考虑	结构变形不能妨碍应急舱门打开	未考虑

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[1]	刘小川, 惠旭龙, 张欣玥, 白春玉, 闫亚斌, 李肖成, 牟让科. 典型民用飞机全机坠撞实验研究[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529664-529664.
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