寬體客機機身框段適墜性仿真分析與評估

張曉敏，馬驄瑤，霍雨佳，牟浩蕾

（中國民航大學a.工程技術訓練中心；b.天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

寬體客機機身框段適墜性仿真分析與評估

張曉敏a，馬驄瑤b，霍雨佳b，牟浩蕾b

（中國民航大學a.工程技術訓練中心；b.天津市民用航空器適航與維修重點實驗室，天津 300300）

針對寬體客機機身結構適墜性設計、驗證及適航審定需求，分析機身框段不同破壞模式下的吸能特性。建立雙層寬體客機機身框段有限元模型，分析其在9.14 m/s墜撞速度下的動態(tài)響應特性。針對兩種不同的寬體客機機身框段下部結構變形破壞模式，研究得到兩種情況下座椅與地板連接處加速度響應和機身各部件吸能情況。仿真結果表明，不同破壞模式下寬體客機客艙空間都得到較好維持，座椅與地板連接處的加速度在人體耐受極限范圍內，相同機身部件吸能量不同，其適墜性能可通過改善貨艙下部吸能能力得到進一步提升，可為寬體客機結構適墜性設計、分析及評估提供參考。

寬體客機；適墜性；有限元法；失效模式；加速度響應；吸能特性

運輸類飛機結構適墜性能對于航空乘員安全具有重要影響。飛機結構適墜性設計的主要目標是限制傳遞給乘員的墜撞沖擊力，維持機身結構完整性，并防止機身結構穿透，確保乘員的可生存空間[1]。新設計、新結構、新材料、新技術的大量應用，給中國即將研制的寬體客機機身結構的適墜性設計、驗證及適航審定提出了新的要求。

歐美針對寬體客機結構適墜性開展了大量研究工作。2006年7月起，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）先后發(fā)布了寬體客機結構適墜性相關專用條件SCs（special conditions），包括 25-321-SC（A380-800）、25-537-SC（A350-900）、25-362-SC（B787-8）等，明確了寬體客機適墜性要求及其墜撞安全水平[2-4]。

2007年起，波音公司對B787進行了3次試驗[5-6]：客艙地板下部結構（帶貨物箱）的壓縮試驗；客艙地板下部結構倒置沖擊試驗；10 ft（3 m）長的機身下部結構30 ft/s（9.14 m/s）的墜撞試驗。同時，F(xiàn)AA聯(lián)合華盛頓大學采用積木式研究方案，針對B787貨艙地板下部吸能結構開展了大量試驗、仿真及結構優(yōu)化分析研究，目前已經完成了LS-DYNAMAT54仿真分析工作[7]、方管/C型梁/L型梁試驗與仿真研究[8]、貨艙下部支撐桿鋪層優(yōu)化設計研究[9]，以及部件級、整機級仿真分析研究[10]等，為B787的驗證及適航審定提供了重要技術支持。國內目前主要針對窄體客機進行了機身框段適墜性試驗及仿真研究工作[11-12]，寬體客機適墜性相關研究工作幾乎未開展。

針對寬體客機機身結構設計特點，開展寬體客機機身結構適墜性研究工作具有重要意義。本文首先分析機身框段墜撞不同破壞模式，然后建立雙層寬體客機機身框段的有限元模型，利用LS-DYNA求解其在9.14m/s墜撞速度時的動態(tài)響應特性，針對不同寬體客機機身框段墜撞變形破壞模式，分析研究座椅與地板連接處的加速度響應以及機身各部件的吸能情況等。

1 機身框段墜撞破壞模式

針對飛機結構適墜性設計、驗證及適航審定需求，歐美等國開展了大量飛機機身框段墜撞試驗研究[13-17]。

圖1給出了幾種不同型號窄體客機機身框段墜撞試驗變形情況。

圖1 機身框段墜撞后結構變形Fig.1 Deformation of impacted fuselage section

圖 1（a）和圖 1（b）分別為 B707 和中國進行的典型民機機身框段墜撞后變形圖，其破壞模式為機身下部結構向上彎曲斷裂，機身框也向內彎曲，整個機身框段呈三鉸式破壞。圖 1（c）和圖 1（d）分別為 B737 和 A320機身框段墜撞后變形圖，其破壞模式為機身下部結構壓平，機身框向內彎曲形成兩個塑性鉸。這兩種不同的機身框段墜撞破壞模式可為寬體客機適墜性設計及分析提供參考，本文基于這兩種破壞模式開展研究。

2 寬體客機適墜性仿真模型

2.1 寬體客機有限元模型

以A380的機身結構為參考，建立雙層寬體客機機身框段有限元模型，如圖2所示。機身框段截面形狀近似為橢圓形，高度為8 410 mm，寬度為7 142 mm，機身框段總長2 600 mm，有限元模型中包括5框4段、上下兩層客艙，每層客艙3排座椅，框與框之間的距離為600 mm。機身段模型包括蒙皮、隔框、桁條、上部客艙地板梁及座椅導軌、下部客艙地板梁及座椅導軌、下部客艙地板支撐桿、貨艙地板梁及地板導軌以及貨艙支撐桿等結構。

圖2 機身結構有限元模型Fig.2 Finite element model of aircraft fuselage section

2.2 參數(shù)及邊界條件設置

模型左右對稱，座椅和假人以集中質量的形式附在座椅與地板連接處。參考CCAR25.562要求[18]，每個座椅和假人的質量為88 kg，下層客艙左右兩邊的外側為三聯(lián)座椅，其余為兩聯(lián)座椅，因此有限元模型共有48處座椅與地板連接點，乘員與座椅總重為4 224 kg。輸出中間一排的16個座椅與地板連接處的加速度響應，如圖2所示。機身框段蒙皮采用Al-2024鋁合金，其他結構采用Al-7075鋁合金，力學性能參數(shù)如表1所示，采用材料模型MAT_24_PLASTIC_KINEMATIC。有限元模型采用二維BT殼單元，共包括237 212個殼單元、246 475個節(jié)點。

表1 鋁合金力學性能參數(shù)Tab.1 Parameters of aluminum mechanical properties

機身框段模型以9.14 m/s的速度垂直撞擊剛性地面。機身各部件之間、機身框段與地面之間用CONTANT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE定義接觸。靜摩擦因數(shù)0.2，動摩擦因數(shù)0.1。

3 寬體客機適墜性能仿真分析

3.1 變形模式

圖3、圖4分別給出50 ms和150 ms兩種不同失效模式下的機身框段變形圖和應力云圖。

圖3 機身框段模型在50 ms時變形圖Fig.3 Deformation of fuselage model at 50 ms

從圖3可看出，機身框段撞擊剛性地面時，受到較大的初始面內擠壓載荷作用，在50 ms時，機身框受壓變形，蒙皮產生輕微褶皺，貨艙地板支撐桿開始變形，地板梁也開始向上彎曲變形，情況2變形情況基本一致，但在貨艙地板梁中間出現(xiàn)較大的集中應力。

圖4 機身框段模型在150 ms時變形圖Fig.4 Deformation of fuselage model at 150 ms

在150 ms時（如圖4所示），對于情況1來說，機身框下部及蒙皮向上彎曲，貨艙地板梁向客艙地板方向發(fā)生較為嚴重的隆起，承受拉伸和彎曲載荷作用。機身框段呈三鉸式變形，這3處塑性鉸分別位于最外側貨艙地板支撐桿與機身框連接區(qū)域（2個）和機腹中部位置（1個）。情況2的破壞模式與情況1不同，機身下部結構壓平，機腹中間嚴重褶皺，貨艙地板梁向上彎曲，承受拉伸和彎曲載荷作用，并在中間位置出現(xiàn)最大的集中應力。機身框在其與客艙地板支撐桿連接處向內彎曲，形成兩個塑性鉸。

兩種情況下，機身框段內部結構連接均得到較好維持，貨艙下部結構發(fā)生嚴重屈服變形，客艙地板支撐桿未貫穿地板，能夠保證乘員-座椅系統(tǒng)及撤離通道。在墜撞過程中，兩層客艙地板梁變形較小，有足夠的可生存空間，滿足客艙最大變形量（墜撞前后客艙空間變化）不超過15%的要求。機身結構完整性得到有效維持，從而為保證客艙乘員安全提供了空間條件。

3.2 加速度響應特性

圖5給出了下部客艙DR1和DR3以及上部客艙UL2和UL4共計4處的座椅與地板連接處加速度-時間歷程曲線。表2給出了兩種情況下的峰值加速度（包括正向和負向加速度）及出現(xiàn)時間。

從表2看出，正向峰值加速度為21 g，負向峰值加速度為-14 g。人體承受的正向加速度（眼球向下）幅值不超過25 g，負向加速度（眼球向上）幅值不超過15 g?？梢妰煞N情況下加速度均在人體耐受極限范圍內。

3.3 結構吸能特性

圖6給出了情況1的機身框墜撞能量-時間歷程曲線。墜撞過程中總能量基本保持不變；墜撞動能平穩(wěn)轉化為結構內能。情況2的能量-時間曲線變化基本一致。兩種情況下，能量曲線光滑平穩(wěn)過渡，沒有發(fā)生突變，且沒有明顯能量增加，仿真結果合理。

圖5 座椅與地板連接處加速度-時間歷程曲線Fig.5 Acceleration-time curve of seat-floor connection

表2 峰值加速度及其對應時間Tab.2 Peak acceleration and its corresponding time

機身框段在墜撞過程中，主要通過機身各結構件的變形來吸收墜撞動能。圖7給出了主要部件能量吸收情況隨時間變化曲線，表3給出了機身框段各部件吸能量及吸能百分比。

圖7 機身各部件吸能-時間歷程曲線Fig.7 Energy aborption-time curve

表3 機身框段各部件吸能特性Tab.3 Energy absorption characteristics of components

兩種情況機身框段結構按吸能量由多到少的次序均為機身框、桁條、貨艙地板梁、蒙皮、貨艙支撐桿，但相同部件的吸能量有所不同。相對于情況1來說，情況2的機身框吸能量增加10 kJ，增加1.1%；貨艙地板梁吸能量增加22 kJ，增加4.7%；而桁條、蒙皮以及貨艙支撐桿的吸能量都相應減少。對于寬體客機來說，寬體客機機身截面直徑的加大，貨艙地板下部結構將在墜撞過程中起到更重要的吸能作用。情況2貨艙地板下部結構（貨艙地板梁和貨艙支撐桿）的吸能量比情況1的吸能量多9 kJ，增加1.8%。

4 結語

1）雙層寬體客機機身框段在墜撞過程中兩種結構變形情況下破壞過程都較為穩(wěn)定，客艙生存空間得到有效保障，變形量不超過15%，為保證乘員安全提供了必要條件。

2）寬體客機墜撞過程兩種破壞模式下，上、下部客艙座椅與地板連接處的正向加速度和負向加速度幅值均在人體耐受極限范圍內，能滿足乘員生存需求。

3）兩種情況下，寬體客機機身框段結構吸能量由多到少依次為機身框、桁條、貨艙地板梁、蒙皮、貨艙支撐桿，但同一部件的吸能量有所不同。另外，寬體客機機身結構中，貨艙地板下部結構在墜撞過程中起到更重要的吸能作用，日后可通過優(yōu)化設計，進一步提升貨艙地板下部結構的吸能能力，提高結構適墜性。

[1]張 弘，魏榮祥.通用飛機抗墜撞設計指南[M].北京:航空工業(yè)出版社,2009.

[2]FAA.25-321-SCSpecialConditions:AirbusModelA380-800Airplane,Crashworthiness[S].2006.

[3]FAA.25-362-SC Special Conditions:Boeing Model 787-8 Airplane；Crashworthiness[S].2007.

[4]FAA.25-537-SC Special Conditions:Airbus A350-900 Airplane Crashworthiness,Emergency Landing Conditions[S].2014.

[5]Boeing performs crash test on 787 fuselage section[EB/OL].(2007-08-22)[2017-04-20].http://komonews.com/archive/boeing-performs-crashtest-on-787-fuselage-section.

[6]Boeing performs key 787 dreamliner crash test[EB/OL].(2007-08-24)[2017-04-20].http://www.manufacturing.net/news/2007/08/boeing-performs-key-787-dreamliner-crash-test.

[7]FERABOLI P,WADE B,DELEO F,et al.LS-DYNA MAT54 modeling of the axial crushing of a composite tape sinusoidal specimen[J].Composites:Part A,2011,42(11):1809-1825.

[8]FERABOLI P.Development of a corrugated test specimen for composite materials energy absorption[J].Journal of Composite Material,2008,42(3):229-256.

[9]FERABOLI P.Development of a modified flat plate test and fixture specimen for composite materials crush energy absorption[J].Journal of Composite Material,2009,43(19):1967-1990.

[10]FERABOLI P,DELEO F,WADE B,et al.Predictive modeling of an energy-absorbing sandwich structural concept using the building block approach[J].Composites:Part A,2010,41(6):774-786.

[11]劉小川,周蘇楓,馬君峰,等.民機客艙下部吸能結構分析與試驗相關性研究[J].航空學報,2012,33(12):2202-2210.

[12]鄭建強,向錦武,羅漳平,等.民機機身下部結構耐撞性優(yōu)化設計[J].航空學報,2012,33(4):640-649.

[13]FASANELLA E L,ALFARO-BOU E.Vertical Drop Test of a Transport Fuselage Section Located Aft of the Wing,NASA-TM 89025[R].1986.

[14]FASANELLA E L,JACKSON K E.Crash Simulation of a Vertical Drop TestofaB737FuselageSectionWithAuxiliary Fuel Tank[R].US Army Research Laboratory,Vehicle Technology Center,Langley Research Center,2000.

[15]ABRAMOWITZ A,SMITH T G,VU T.Vertical Drop Test of a Narrowbody Transport Fuselage Section with a Conformable Auxiliary Fuel Tank Onboard[R].FAA,2000.

[16]ABRAMOWITZ A,SMITH T G,VU T,et al.Vertical Drop Test of a Narrow-body Transport Fuselage Sction with Overhead Stowage bins[R].FAA,2002.

[17]LEPAGE F,CARCIENTE R.A320 Fuselage Section Vertical Drop Test,Part2:Test Results[R].CEAT test report S95 5776/2,European Community funded research project‘Crashworthiness for commercial aircraft’,1995.

[18]CCAR-25-R4,中國民用航空規(guī)章:第25部-運輸類飛機適航標準[S].北京:中國民用航空局,2011.

（責任編輯：劉智勇）

Crashworthiness simulation analysis and evaluation of wide-body aircraft fuselage section

ZHANG Xiaomina,MA Congyaob,HUO Yujiab,MOU Haoleib
（a.Engineering Techniques Training Center;b.Civil Aircraft Airworthiness and Maintenance Key Lab of Tianjin,CAUC,Tianjin 300300,China）

For the requirements of crashworthiness design,verification and certification of wide-body aircraft,different failure modes of fuselage sections are analyzed.Finite element model of double decks wide-body aircraft fuselage section is developed and the dynamic responses of wide-body fuselage section subjected to vertical impact velocity of 9.14 m/s are analyzed.The failure modes,acceleration responses and energy-absorbing characteristics are obtained and analyzed.Simulation results show that the cabins of wide-body aircrafts are well maintained for the two different cases,and the acceleration responses of junctions between seats and floor are within the limits of human tolerance.The energy absorbed by the same fuselage structures are different for two cases,the energy-absorbing capability of cargo floor structures can be improved by optimizing design,and thus the wide-body aircraft crashworthiness performance can be enhanced,which has a certain reference value for crashworthiness design,analysis and evaluation of wide-body aircraft fuselage section.

wide-body aircraft;crashworthiness;finite element method;failure mode;acceleration response;energy absorbing characteristics

V223

：A

：1674－5590（2017）04－0036－05

2017-03-03；

：2017-04-10

中央高校基本科研業(yè)務費專項（3122017020）；中國民用航空局科技基金項目（MHRD20140207）

張曉敏（1985—），男，河北滄州人，助教，碩士，研究方向為航空事故分析、飛機結構修理.