eVTOL适坠性分析及优化

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31282

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eVTOL适坠性分析及优化

丁梦龙¹, 李道春¹^,²(), 周尧明¹^,², 冯传宴¹, 邵浩原², 向锦武¹^,²

^1.天目山实验室绿色民机智能设计研究中心，杭州 311115
^2.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100191

收稿日期:2024-09-30 修回日期:2024-10-29 接受日期:2024-11-18 出版日期:2024-11-26 发布日期:2024-11-25
通讯作者: 李道春 E-mail:lidc@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(T2288101);国家自然科学基金(52272382);国家自然科学基金(52402507);国家重点研发计划(2020YFC1512500);天目山实验室关键领域项目(TK-2024-D-010)

Crashworthiness analysis and optimization for eVTOL vehicles

Menglong DING¹, Daochun LI¹^,²(), Yaoming ZHOU¹^,², Chuanyan FENG¹, Haoyuan SHAO², Jinwu XIANG¹^,²

^1.Research Center for Intelligent Design of Green Civil Aircraft，Tianmushan Laboratory，Hangzhou 311115
^2.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China

Received:2024-09-30 Revised:2024-10-29 Accepted:2024-11-18 Online:2024-11-26 Published:2024-11-25
Contact: Daochun LI E-mail:lidc@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(T2288101);National Key Research and Development Project(2020YFC1512500);Reward Funds for Research Project of TianmuMountain Laboratony(TK-2024-D-010)

摘要/Abstract

摘要：

电动垂直起降（eVTOL）飞行器可以在城市内提供便捷的点对点飞行，有望革命性地改变城市居民的出行方式。然而与常规飞机相比，它在耐撞性设计方面存在诸多新挑战。对此，对滑橇式起落架和吸能元件进行了适坠性优化设计，并将其应用于整机适坠性分析。同时，开展了多角度、多速度的离轴坠撞仿真研究。鉴于坠撞仿真耗时多、不利于优化设计的问题，提出了使用机器学习技术预测滑橇式起落架应力、吸能元件吸能效率的方法，并且开发了与遗传算法相结合的优化方法。本研究提高了滑橇式起落架、吸能元件、以及eVTOL整机的适坠性能，初步掌握了各离轴坠撞参数对乘员安全的威胁程度，并能在误差可接受范围内实时预测滑橇式起落架应力和吸能元件的吸能效率。

关键词: eVTOL, 能量吸收, 适坠性, 机器学习, 离轴坠撞

Abstract:

Electric Vertical Take-Off and Landing （eVTOL） vehicles could transform urban transportation by enabling convenient point-to-point flights. However， their crashworthiness design presents unique challenges compared to conventional aircraft. This study optimized the crashworthiness of the skid landing gear and energy-absorbing components， followed by comprehensive analysis， including multi-angle， multi-speed off-axis crash simulations. Considering the time-consuming nature of crash simulations， which limits optimization， we introduce a machine learning method to predict stress on the skid landing gear and the energy absorption efficiency of the energy absorber. An optimization method incorporating genetic algorithms is developed. The results show a significant enhancement in the crashworthiness of the skid landing gear， energy absorber， and the whole eVTOL. Moreover， the preliminary threat level of various off-axis crash parameters to passenger safety is identified and real-time prediction tools for stress and energy absorption efficiency are introduced， maintaining accuracy within acceptable margins.

Key words: eVTOL, energy absorption, crashworthiness, machine learning, off-axis crash

中图分类号:

V214

丁梦龙, 李道春, 周尧明, 冯传宴, 邵浩原, 向锦武. eVTOL适坠性分析及优化[J]. 航空学报, 2025, 46(11): 531282.

Menglong DING, Daochun LI, Yaoming ZHOU, Chuanyan FENG, Haoyuan SHAO, Jinwu XIANG. Crashworthiness analysis and optimization for eVTOL vehicles[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(11): 531282.

图/表 26

图 1

表1

图 2

表 2

图 3

表 3

图 4

表 4

表 5

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

表 6

吸能元件主要材料参数取值情况

参数	$ρ$ /（kg·m^-3）	$E$ /GPa	$σ$ /MPa	$E t /$ MPa	$ε f$ /%
范围	2 680~2 840	50~80	180~380	42~62	6~15
步长	160	10	50	5	3
个数	2	4	5	5	4

表 6

图 12

图 13

图 14

图 15

图 16

表 7

图 17

表 8

图 18

参考文献 26

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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

参数	编织布	单向带
ρ/（kg·m^-3）	1 500	1 500
E₁/GPa	70	135
E₂/GPa	70	10
E₃/GPa	10	10
v₁₂	0.1	0.3
G₁₂/GPa	5	5
G₁₃/GPa	3.8	5
G₂₃/GPa	3.8	3.8
X_T/MPa	600	1 500
X_C/MPa	570	1 200
Y_T/MPa	600	50
Y_C/MPa	570	250
S/MPa	90	70

方案	厚度/mm								破坏模式	吸能率/%	加速度/g
方案	梁分段1	梁分段2	梁分段3	梁分段4	梁分段5	梁分段6	连接段	撬	破坏模式	吸能率/%	加速度/g
1	3	3	3	2	1.5	1.5	1.5	1	弯管处折断	33.9	3 286
2	3	3	3	2.5	1.5	1	1.5	1	渐进破坏	89.3	541
3	3	3	3	3	1.5	1.5	2	1.5	中段两侧折断	33.9	3 031
4	5	5	5	3	2	2	2.5	1	中段两侧折断	37.2	3 082
5	5	5	5	3	2	1	2	1	渐进破坏	95.4	24
6	5	5	5	3	2	1.5	1.5	1	弯管处折断	44.7	1 194
7	5	5	5	4	2	2	2.5	1	斜管处折断	76.9	2 684
8	5	5	5	4	3	2	2.5	1	中段两侧折断	67.2	495
9	7	7	7	5	3	2	2	1.5	渐进破坏	93.8	34
10	7	7	7	5	3	2	2.5	1.5	渐进破坏	94.9	41
11	5	7	7	7	3	2	2.5	1.5	渐进破坏	98.9	29

性能	原起落架	新起落架	优化/%
质量/kg	8.5	9.3	-9.4
峰值接触力/kN	7 200	109.3	98.5
残余速度/（m·s^-1）	8.26	0.96	88.4
吸能量/kJ	0.1	17.8	17 700.0
能量吸收率/%	0.6	98.9	17 700.2
加速度/（m·s^-2）	19 000	288.0	98.5
过载/g	1 937	29	98.5

区域	厚度/mm	铺层方案
梁分段1	5	［0/45/（0）₁₂］s
梁分段2	7	［0/45/（0）₂₀］s
梁分段3	7	［0/45/（0）₂₀］s
梁分段4	7	［0/45/（0）₂₀］s
梁分段5	3	［0/45/（0）₄］s
梁分段6	2.5	［0/45/0/45/0］
连接段	2.5	［0/45/0/45/0］
撬	1.5	［0/45/0］

序号	总质量/kg	腰椎受力/kN	HIC
适航标准要求		<6.7	<1 000
原始设计	423.7	26.4	2 491
起落架优化	426.6	9.7	233
加入吸能元件	426.9	5.2	166

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适航要求	固定翼飞机	直升机	eVTOL
无动力着陆能力	强	中	弱
结构轻量化要求	低	中	高
座舱底部空间	大	中	小
复合材料使用率	中	中	高

系列	实例	垂直速度V_z /（m·s^-1）	水平速度V_x /（m·s^-1）	侧倾角θ/（°）	俯仰角α/（°）	偏航角β/（°）	地面摩擦系数μ	腰椎受力/kN	头部损伤判据HIC	座舱完整性情况
1	A	9.1	0	0	0	0	0.4	7.62	206.9	完整
	B	6.0	0	0	0	0	0.4	6.02	185.8	完整
	C	12.0	0	0	0	0	0.4	10.31	574.3	完整
2	D	9.1	0	10	0	0	0.4	7.22	200.7	完整
	E	9.1	0	0	10	0	0.4	4.14	189.1	完整
	F	9.1	0	0	-10	0	0.4	10.91	233.1	完整
3	G1	9.1	6	0	0	0	0.4	6.31	207.7	完整
	G2	9.1	12	0	0	0	0.4	9.00	1 192	座舱压溃
	H1	9.1	6	10	0	0	0.4	8.31	199.9	完整
	H2	9.1	12	10	0	0	0.4	4.08	636.4	座舱压溃
	I1	9.1	6	0	10	0	0.4	3.20	211.1	完整
	I2	9.1	12	0	10	0	0.4	2.81	416.7	完整
	I3	9.1	6	0	-10	0	0.4	7.61	533.2	完整
	I4	9.1	12	0	-10	0	0.4	20.78	508.1	完整
	J1	9.1	6	0	0	10	0.4	6.83	257.7	完整
	J2	9.1	12	0	0	10	0.4	2.78	260.3	座舱压溃
	K1	9.1	6	10	10	10	0.4	4.52	186.8	座舱压溃
	K2	9.1	12	10	10	10	0.4	3.36	257.3	座舱压溃
4	L1	9.1	6	10	10	10	0	4.04	189.9	完整
	L2	9.1	12	10	10	10	0	3.59	208.9	完整
	M1	9.1	6	10	10	10	0.8	3.13	267.2	座舱压溃
	M2	9.1	12	10	10	10	0.8	10.43	998	座舱压溃

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