摘 要

飞机坠撞情况下，机身段的过载和变形，是研究飞机适坠性的重要指标。本文建立了民机复合材料机身段有限元模型，该模型包括复合材料蒙皮、客舱、货舱、机身框等组件，并以集中质量点的形式考虑了乘员和座椅的影响。为了研究不同材料机身段的坠撞特征，论文首先选取T300复合材料蒙皮机身段作为研究对象，以1.5m/s、1.8m/s、2.0m/s三种垂直撞击速度分别与5°、8°两种仰角进行组合的六种触地条件为计算工况，利用数值模拟的方法计算得到了T300复合材料机身段在不同坠撞情况下结构的变形过程和各座椅处的加速度载荷响应；然后又对T300和T800复合材料蒙皮机身段的坠撞特征进行对比研究。通过研究获得了复合材料蒙皮机身在以上六种坠撞情况下变形和加速度的规律，研究表明上述坠撞情况下，所研究的机身段都能满足乘员生存要求；同时T800复合材料蒙皮机身的适坠性要优于T300复合材料蒙皮机身段。

关键词：复合材料；机身段；坠撞；有限元模型

Abstract

In the case of aircraft crash, the overload and deformation of the fuselage is an important index to study the crashworthiness of aircraft. In this paper, a finite element model of composite fuselage of civil aircraft is established, which includes composite skin, cabin, cargo hold, fuselage frame and other components, and the influence of crew and seat is considered in the form of concentrated mass points. In order to study the crash characteristics of the fuselage structure, T300 composite skin fuselage is selected as the research object firstly. Six kinds of ground-touching conditions, i.e. 1.5m/s, 1.8m/s and 2.0m/s vertical impact velocities combined with elevation angles of 5 degree and 8 degree respectively, are used to calculate the junctions of T300 composite fuselage sections under different crash conditions by means of numerical simulation. The deformation process and the acceleration response at the seat of T300 composite fuselage under different crash conditions are simulated by numerical calculation method; Then, the acceleration response at the seat and crash characteristics of T300 and T800 composite skin fuselage were compared. The rules of deformation and acceleration of composite skin fuselage under the above six crashes are obtained. The final results show that the deformation and acceleration of the composite skin fuselage under the above six crash conditions have certain regularity, and all meet the passenger survival requirements. At the same time, it is found that the crashworthiness of the T800 composite skin fuselage is better than that of the T300 composite skin fuselage.

Key Words：Composite；Fuselage section；Crash；Finite element model

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外试验及仿真进展 2

1.2.1 国内外坠撞试验概况 2

1.2.2 国内外坠撞仿真概况 5

第2章 飞机坠撞问题有限元分析方法 7

2.1 飞机坠撞问题 7

2.2 针对坠撞问题的有限元技术 7

2.3 本文研究方法 8

第3章 机身段的有限元模型 10

3.1 分析软件 10

3.2 几何模型及网格划分 10

3.3 机身段材料属性 12

3.4 初始条件以及求解设置 14

3.5 典型金属机身段模型可靠性验证 15

第4章 民机复合材料机身结构坠撞特征研究 17

4.1 T300/QY8911复合材料蒙皮机身段坠撞特征分析 17

4.1.1 参考点选择 17

4.1.2 蒙皮机身段仿真结果与结构变形特征分析 17

4.1.3 机身段仿真结果与冲击载荷特征分析 22

4.2 不同复合材料蒙皮机身段坠撞特征分析 28

4.2.1 机身段变形特征分析 28

4.2.2 机身段加速度响应特征分析 30

第5章 总结与展望 35

5.1 全文总结 35

5.2 研究展望 36

参考文献 37

致谢 38

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

随着人们生活水平的提高和民用航空业的快速发展，航空出行受到了越来越多人的欢迎。众所周知，飞机虽然是安全系数最高的出行工具，但是一旦飞机出现故障，将会对乘员的安全造成巨大的威胁。近年来，多起触目惊心的航空事故频繁出现，使得相关部门出台的条例对民机安全性的要求也在不断提高。适坠性是飞机在结构计时必须要考虑的一个重要因素。适坠性是指在飞机坠撞时保护乘员的一种能力。国内外对大型飞机的适坠性展开了较多的研究，这些研究的主要目的是为了搞清楚影响飞机适坠性的因素，进而提出对飞机结构的改进方法，为乘员的安全提供更多的保障。结果发现，飞机机身货舱部分构件的变形特征对飞机的适坠性有着直接的影响。因此，坠撞研究的第一步是要明确目前飞机在坠撞过程中各结构部件的变形和失效形式。为此，国内外在过去进行了一些全机和舱段的坠撞实验^[1-4]，但是利用试验的方法不仅成本高昂，而且较难捕捉到坠撞过程中各结构的失效变化过程等。

随着有限元的发展，数值模拟的方法逐渐成为飞机坠撞研究的一种主流方法。近年来，国内外开展了大量民机坠撞仿真研究，而进行飞机坠撞仿真分析的最终目的是为了评判飞机坠撞一瞬间的动态响应特征，以及机身结构的破坏形式和特征。虽然现在大部分的有限元模拟坠撞的计算结果和试验结果相比比较合理，但是还并不够精确，相关的模拟准则和方法还需要建立，计算结果的精度也有待提高。截至目前，国内外对飞机机身段的仿真仍以较大初速度（9.14m/s）的垂直撞击为主，尚未对较小速度和存在仰角的坠撞情况进行研究。因此，飞机坠撞的有限元模拟方法仍需进一步的研究。

截至目前，对民机坠撞的仿真中，主要还是集中在典型民机机身段的坠撞研究上，即地板上方是客舱，地板下方是货舱的典型机身段模型的研究。近年来复合材料正在飞速发展，由于纤维增强复合材料是可设计材料，且具有比强度和比刚度较高、抗疲劳性能良好、耐高温和比吸能大等优点，越来越多的复合材料被应用到民机上。例如波音787和空客A350机型的复合材料占比更是超过了50%，可以预见在以后的飞机设计中金属材料的主导地位将会被复合材料所取代。到目前为止，国内针对民机复合材料蒙皮机身坠撞特征研究较少，并且复合材料机身在坠撞过程中的变形和破坏形式未知，关于复合材料机身的机身坠撞的有限元计算方法急需研究。

目前民机坠撞问题一般可分为三类：第一类为一般或轻度坠撞。这类事故发生的次数比较多，此类问题坠撞速度较低，一般低于2.0m/s，属于可控坠撞，对飞机结构造成的损坏不严重，而且一般都是局部性的损坏。现有飞机上的设备（如肩带、安全带等）可以对乘员的安全提供一定程度的保护，此时乘员有较大的生存概率；第二类为严重坠撞。由于发生坠撞时，飞机的坠撞状态和撞击条件比较严重（如飞机以一定的倾角和较大的纵向速度撞击到较坚硬的障碍物上），导致很大的撞击力，并使机体结构有严重的塌陷和损坏，此类问题坠撞速度较大，一般高于2.0m/s且低于9.14m/s，属于不可控坠撞，乘员生存概率较低。但是，如果在设计飞机时采用了适当的保护措施，考虑了结构的抗坠毁设计，则这类事故基本上仍可以做到保护乘员的安全，使之成为可生存事故；第三类坠撞十分严重，属于不可生存事故。这类坠撞是属于飞机的坠撞状态和撞击条件都十分严重的空难事故（如空中碰撞，或者在30m以上的高度坠落，或者以很大纵向速度撞击到坚硬的障碍物等）。这类坠撞由于撞击能量过大，会造成机体结构大范围的损坏，并产生乘员难以忍受的大过载，使乘员几乎不可能生存。

本文将模拟民机复合材料机身因起落架故障而不能打开时，进行应急着陆过程中机身结构的变形特征以及客舱导轨处加速度响应特征，此类问题垂直速度较小，低于2.0m/s属于第一类坠撞问题。通过本文的研究，可以为民机复合材料机身的改进方式和结构的优化提供参考，对保障乘员的安全具有重要的意义。

1.2 国内外试验及仿真进展

1.2.1 国内外坠撞试验概况

NASA在十九世纪末对波音707飞机进行了3次机身段垂直撞击试验^[4]，垂直撞击试验即机身舱段从一定高度自由落体（偏航角、俯仰角和翻转角都为0°），然后与地面撞击。后机腹部分的舱段试验结果如图1.1所示，地板下部的机身结构坍塌了大约两英尺；机身上部、客舱地板、座位没有产生明显破坏；机身两侧框架的弯曲失效发生在从机身底部到地板大约三分之一高度处；左舷弯曲失效处蒙皮发生皱褶；行李舱地板向内、向上弯曲，地板边缘处固定地板的一排螺栓孔发生剪切失效；机身下部的圈梁发生拉伸失效。

图1.1 波音707舱段坠撞试验结构失效图

在1999年，在美国国家航空航天局Langley研究中心的撞击动力学研究设施（IDRF）对一架ACAP直升机进行了全尺寸坠撞试验^[5]，坠撞试验结果显示发动机支撑梁的地板下被破坏，造成结构失效，试验结果如图1.2所示。

图1.2 ACAP 复合材料直升机地板变形损伤图

美国联邦航空局（FAA）在1999年和2000年以波音737飞机机身段为研究对象，分别对飞机机身段进行了两次垂直撞击试验，两次试验的撞击速度都是9.14m/s。其中一个机身段在客舱内安装了两种不同类型行李箱，在客舱地板下部放置了行李^[6]，试验结果如图1.3所示；另一个是在地板下部安装了副油箱^[7]，试验结果如图1.4所示。两个机身段进行撞击试验时均安装了座椅和假人，测试了撞击过程中假人响应、典型部位的加速度以及载荷等数据。同时，他们还建立了机身段的有限元模型，并通过试验结果验证了分析模型和分析方法，并研究了行李对能量吸收过程的影响和行李架在冲击载荷下的响应。除此之外，FAA还开展了水平冲击状态下行李架连接件的动态响应特性研究。

图1.3 波音737舱段（带行李）坠撞试验结构失效图

图1.4 波音737舱段（带副油箱）坠撞试验结构失效图

日本航空院以YS-11飞机机身段为对象进行了坠撞试验和分析研究，对机翼前后段分别进行了坠撞试验^[2]。前段撞击速度为7.6m/s，后段撞击速度为6.1m/s，撞击姿态均为垂直正撞，结果表明前段机身下部变形较为平整，后段机身下部框架变形为典型的“W”形，变形特征与波音737型飞机类似，试验结果如图1.5所示。

图1.5 YS-11舱段坠撞实验结构失效图（左为前段、右为后段）

2003年，美国联邦航空局对ATR42飞机进行了30英尺/秒的垂直撞击试验^[8]，撞击平面为混凝土表面。这次试验的目的是评估飞机在受到严重但可存活的撞击时的动态结构响应。坠撞结果表明机身下部严重变形，支撑结构严重倒塌和失效，导致客舱地板可以在机身舱内垂直移动，从而破坏了上部结构。试验结果如图1.6所示。

图1.6 ATR42飞机结构破坏图

1.2.2 国内外坠撞仿真概况

Fasanella等人^[7]曾利用MSC.Dytran软件模拟了波音737带有辅助油箱的舱段的坠撞试验，由于缺少机身和油箱的工程图纸，有限元计算对结构做了许多简化假设，比如大量的开口、接头、紧固件等被忽略，机身蒙皮上的开口处代表窗户，窗户周围的加强件用梁单元模拟，燃油箱的外表面用壳单元建模（调整单元厚度来使得油箱重量和实验相符合），油箱中的水用集中质量来代替。在冲击平面和机身下部结点间定义了主平面和从节点的接触方式，还定义了燃油箱和货仓下部地板之间、燃油箱和客舱地板之间的接触方式。机身绝大部分的材料都是铝合金2024-T3或者铝合金7075-T6。座椅和假人以集中质量的形式加在客舱地板的座椅导轨梁上，计算结果显示机身的结构变形和地板加速度响应都与实验结果较为吻合。

Kumakura I等人^[2]曾使用LS-DYNA3D模拟了YS-11型飞机的舱段垂直坠撞实验，计算模型中机身蒙皮、机身框架的腹板、剪力梁、地板梁和支柱采用壳单元；纵向的长桁、窗户周围的加强筋和结构单元的翼缘用梁单元模拟。为了使几何尽量简单，许多开口处、铆钉和连接件被忽略。计算结果显示货仓在坠撞过程中可以起到吸收能量的作用。运用此模型已经能够比较精确的计算出坠撞时机身的响应。

苟仲秋等人^[9] 为了考察地板高度、地板支柱位置、刚度和角度的变化对复合材料机身适坠性能的影响，将典型金属民机机身段模型利用刚度等代的方法得到了复合材料民机机身段模型，然后利用LS-DYNA3D对该模型仿真模拟。最终结果表明地板以下部分构件参数的变化对金属机身段和复合材料机身段的影响是不同的，即复合材料机身段在坠撞时地板的最大加速度要小于金属机身段，适坠性更优。

Feng等人^[10]利用Hypermesh软件建立了复合材料蒙皮机身段模型，通过改变铺层数和铺层角度来改变复合材料蒙皮的力学性能，利用LS-DYNA进行仿真，计算得到了具备不同蒙皮的机身段坠撞失效模式和加速度响应，对比分析了复合材料蒙皮对复合材料机身坠撞性能的影响。结果表明选择合适铺层数和铺层角度的复合材料蒙皮能够显著减小座椅的加速度峰值。

王跃全等人^[11]建立了含货舱门的大型民机机身框段有限元模型，然后对有限元模型施加9.14m/s的垂直速度，采用动力学软件MSC.Dytran对其进行了坠撞仿真，最终计算得到机身框段结构的变形特征和测量点处加速度响应特征。通过与试验数据的对比，验证了所建模型的可靠性。在此模型的基础上，又对不同的滚转角坠撞情况进行了仿真并得出了相关结论。

刘小川等人^[12]为改善机身结构的吸能特性，将客舱地板支撑与地板梁和机身框之间的连接由螺栓连接改为为销钉连接，这种做法的好处是将地板支撑变成了二力杆，只承受轴向载荷，其在机身框平面内可以自由转动。通过改变构件之间的连接方式，控制地板支撑的变形模式，使其产生压缩变形，充分利用材料的特性，以此来提高结构吸能效果。为此，他们还设计了全尺寸的吸能结构试件并进行了坠撞试验，将试验结果与有限元模拟结果进行对比，突出显示了细节处理对提高机身结构吸能效果的重要性。

第2章 飞机坠撞问题有限元分析方法

2.1 飞机坠撞问题

民机的坠撞问题是一个瞬态而又极其复杂的一个过程，在坠撞过程中，客舱地板以下部分结构构件常常伴随着屈服、撕裂、压溃等破坏失效形式。由于机身结构最终的破坏形式具有不确定性，相对于机身结构的初始形态会发生较大的变化，所以机身结构构件也会发生极大的扭曲或变形。民机坠撞问题本身就是一个以大变形、大位移、大应变和大转动为特征的一个几何非线性、以材料弹塑性变形为特征的材料非线性和以接触摩擦为特征的边界非线性问题^[13]。这些错综复杂的非线性使得民机坠撞仿真变得困难起来，这就意味着在民机坠撞过程中的变量既是空间坐标(x,y,z)的函数，也是时间t的函数。因此，在建模时需要运用基于有限元方法的空间域离散技术，在求解时需要利用基于有限差分法的时间域离散技术。

2.2 针对坠撞问题的有限元技术

自上世纪八十年代起，非线性有限元理论和方法得到了飞速的发展，许多大型非线性分析软件被成功地开发出来并走向了市场，实现了从理论到实际应用的跨越，并解决了大量复杂的实际问题，在行业内引起了极大的反响。美国的波音公司的第一架波音777型飞机从最初的设计到最后的试飞成功，仅用了三年半的时间。这一伟大的创举源于在设计和制造中新技术的应用，新技术的关键是CAD/CAM（Computer Aided Design and Computer Aided Manu-facture），而有限元分析技术和软件是其中的核心。

近年来，有限元技术的理论仍在不断发展，逐渐变得完善和成熟。有限元法凭着对于复杂几何结构的适应性、对于各类物理问题的可应用性、建立于严格理论基础上的可靠性、适合计算机实现的高效性四大优点，逐渐成为进行飞机坠撞仿真最有效的分析方法。如今，国际上主流的通用大型瞬态非线性有限元分析软件有LS-Dyna3D、MSC.Dytran等，这些有限元分析软件大都采用显示解法。

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