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[摘要]采用PAM-CRASH瞬态非线性分析软件对斜支撑和无支撑两种不同地板支撑结构形式的机身段进行坠撞仿真分析，通过对机身变形情况及地板滑轨加速度响应结果的对比分析研究，并给出了相关结论。
[关键词]坠撞民用飞机地板支撑结构仿真PAM-CRASH
中图分类号：V215.2 文献标识码：V 文章编号：1009―914X（2013）31―0282―02
引 言
乘员安全性是民用飞机重要的设计指标之一[1]，民用飞机适航条例[2]和飞机设计规范[3]都对此提出了具体的严格要求。民用客机事故主要发生在飞机起飞与着陆阶段，但大多数情况下乘员都能存活，主要原因是对飞机机体结构和座椅系统采取了抗坠撞措施。从民机机身结构适坠性研究历史来看，国外在理论研究和试验验证方面已经积累了丰富的经验，因此在民机设计初期就考虑了抗坠撞设计。坠撞时飞机的动能由多种方式吸收，其中包括飞机结构本身的变形来吸收，不同的结构形式的差异必然对飞机抗坠撞能力有着一定的影响。本文针对两种不同的民用飞机地板支撑结构进行了坠撞分析对比研究。
1、地板支撑结构形式
不同民用飞机有着不同的地板支撑结构形式，常见的几种有斜支撑、无支撑及直撑的结构形式，这三种支撑形式广泛运用于波音、空客等系列客机上，示意图如图1所示。本文主要针对斜撑及无支撑形式进行了对比分析研究。
图1不同地板支撑形式：斜撑（左）、无支撑（中）、直撑（右）
2、分析模型的建立
本文选取了两种不同地板支撑形式（其他结构均一致）的典型机身段结构为分析对象，该机身段总长1m，包含了3个框段和一排座椅。
2.1 有限元网格
有限元模型在Hypermesh及PAM-CRASH前处理软件中完成，所有的框、长桁、蒙皮均以壳元进行模拟，座椅及乘员质量通过集中质量分配到座椅滑轨上。重要区域的铆接、螺接通过PLINK单元[4]模拟，建立的有限元模型如图2及图3所示。其中，带有斜支撑形式的机身框有限元模型包括了173207个节点，90255个壳单元，2822个铆钉单元；无支撑形式的机身框有限元模型包括了167912个节点，85720个壳单元，2744个铆钉单元。
图2带有斜支撑形式的机身框段有限元模型
图3无支撑形式的机身框段有限元模型
2.2 材料本构模型
机身结构采用铝合金材料。由于铝合金的力学性能对应变率的敏感性较小，因此不需要考虑应变率的影响，本构关系选取各向同性、带有塑性硬化的弹塑性材料模型，这种模型的单向拉伸试验的应力-应变关系如图4所示。材料失效准则为最大塑性应变失效准则。
图4各向同性、随动及混合硬化弹塑性材料[5]
3、分析结果对比
两种结构形式的机身段均以9m/s的下沉速度进行仿真分析，分析软件选取PAM-CRASH软件，仿真分析时长共200ms。通过对比这两种支撑形式的机身段变形情况及座椅处的加速度情况来研究支撑形式对机身段抗坠撞的影响。
图5给出了两种支撑形式的机身段坠撞变形图。图6给出了不同支撑形式下内外滑轨上各一个节点的加速度响应。为了避免混叠效应，分析采样频率选取10000Hz。对分析得到的加速度响应进行Butterworth低通滤波，滤波截止频率的选取方法采用Edwin L[6]等人提出的数据处理方法。
斜支撑形式100ms变形图 斜支撑形式200ms变形图
无支撑形式100ms变形图 无支撑形式200ms变形图
图5 两种支撑形式的机身段坠撞变形图
内侧滑轨加速度响应对比曲线外侧滑轨加速度响应对比曲线
图6 两种支撑形式的机身坠撞下加速度响应对比曲线
从图5可以看出：1）在9m/s下沉速度的坠撞下，两种支撑形式的机身段地板以上结构变形均较小，都能满足乘员有足够的生存空间；2）两种支撑形式的机身段坠撞后下部框结构均发生了折损现象；3）无支撑形式的机身段在坠撞发生后，下部变形比斜撑形式更为严重；4）从最终200ms变形图可见斜撑形式机身段在坠撞后较早发生弹性回复。
从图6可以看出：无支撑形式的机身段滑轨上的加速度峰值明显小于斜支撑形式的加速度峰值。
4、结 论
从对两种结构形式初步坠撞分析来看，可得出以下几项结论：
1）两种支撑形式的机身段坠撞后地板以上结构的变形均能满足乘员生存空间的要求；
2）无支撑形式的机身段坠撞后地板以下结构的变形更为严重，有利于能量的充分吸收；
3）机身采用无支撑形式设计可以降低客舱过载水平。
因此，不同结构形式对民用飞机抗坠撞能力有一定的影响，在保证结构正常工况强度满足的条件下，可考虑采用无地板支撑形式的结构来提高飞机的抗坠撞能力。
参考文献
[1] 张弘，魏榕祥.通用飞机抗坠撞设计指南[M].航空工业出版社，2009
[2] CCAR-25-R3.中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准[S].中国民用航空总局，1985
[3] 飞机设计手册第九册[M]，航空工业出版社，2001
[4] 刘军，李玉龙.PAM-CRASH应用基础[M].西北工业大学，2008
[5] MSC.DYTRAN Theory Manual[M]，MSC SOFTWARE，2002
[6]Karen E.Jackson and Edwin L.Fasanella，Best Practices for Crash Modeling and Simulation [J]，NASA/TM-2002-211944，2002
作者简介
朱晓东（1982-），男，工程师，研究方向：动强度分析与试验。
汪洋（1988-），女，助理工程师，研究方向：动强度分析与试验。
[关键词]坠撞民用飞机地板支撑结构仿真PAM-CRASH
中图分类号：V215.2 文献标识码：V 文章编号：1009―914X（2013）31―0282―02
引 言
乘员安全性是民用飞机重要的设计指标之一[1]，民用飞机适航条例[2]和飞机设计规范[3]都对此提出了具体的严格要求。民用客机事故主要发生在飞机起飞与着陆阶段，但大多数情况下乘员都能存活，主要原因是对飞机机体结构和座椅系统采取了抗坠撞措施。从民机机身结构适坠性研究历史来看，国外在理论研究和试验验证方面已经积累了丰富的经验，因此在民机设计初期就考虑了抗坠撞设计。坠撞时飞机的动能由多种方式吸收，其中包括飞机结构本身的变形来吸收，不同的结构形式的差异必然对飞机抗坠撞能力有着一定的影响。本文针对两种不同的民用飞机地板支撑结构进行了坠撞分析对比研究。
1、地板支撑结构形式
不同民用飞机有着不同的地板支撑结构形式，常见的几种有斜支撑、无支撑及直撑的结构形式，这三种支撑形式广泛运用于波音、空客等系列客机上，示意图如图1所示。本文主要针对斜撑及无支撑形式进行了对比分析研究。
图1不同地板支撑形式：斜撑（左）、无支撑（中）、直撑（右）
2、分析模型的建立
本文选取了两种不同地板支撑形式（其他结构均一致）的典型机身段结构为分析对象，该机身段总长1m，包含了3个框段和一排座椅。
2.1 有限元网格
有限元模型在Hypermesh及PAM-CRASH前处理软件中完成，所有的框、长桁、蒙皮均以壳元进行模拟，座椅及乘员质量通过集中质量分配到座椅滑轨上。重要区域的铆接、螺接通过PLINK单元[4]模拟，建立的有限元模型如图2及图3所示。其中，带有斜支撑形式的机身框有限元模型包括了173207个节点，90255个壳单元，2822个铆钉单元；无支撑形式的机身框有限元模型包括了167912个节点，85720个壳单元，2744个铆钉单元。
图2带有斜支撑形式的机身框段有限元模型
图3无支撑形式的机身框段有限元模型
2.2 材料本构模型
机身结构采用铝合金材料。由于铝合金的力学性能对应变率的敏感性较小，因此不需要考虑应变率的影响，本构关系选取各向同性、带有塑性硬化的弹塑性材料模型，这种模型的单向拉伸试验的应力-应变关系如图4所示。材料失效准则为最大塑性应变失效准则。
图4各向同性、随动及混合硬化弹塑性材料[5]
3、分析结果对比
两种结构形式的机身段均以9m/s的下沉速度进行仿真分析，分析软件选取PAM-CRASH软件，仿真分析时长共200ms。通过对比这两种支撑形式的机身段变形情况及座椅处的加速度情况来研究支撑形式对机身段抗坠撞的影响。
图5给出了两种支撑形式的机身段坠撞变形图。图6给出了不同支撑形式下内外滑轨上各一个节点的加速度响应。为了避免混叠效应，分析采样频率选取10000Hz。对分析得到的加速度响应进行Butterworth低通滤波，滤波截止频率的选取方法采用Edwin L[6]等人提出的数据处理方法。
斜支撑形式100ms变形图 斜支撑形式200ms变形图
无支撑形式100ms变形图 无支撑形式200ms变形图
图5 两种支撑形式的机身段坠撞变形图
内侧滑轨加速度响应对比曲线外侧滑轨加速度响应对比曲线
图6 两种支撑形式的机身坠撞下加速度响应对比曲线
从图5可以看出：1）在9m/s下沉速度的坠撞下，两种支撑形式的机身段地板以上结构变形均较小，都能满足乘员有足够的生存空间；2）两种支撑形式的机身段坠撞后下部框结构均发生了折损现象；3）无支撑形式的机身段在坠撞发生后，下部变形比斜撑形式更为严重；4）从最终200ms变形图可见斜撑形式机身段在坠撞后较早发生弹性回复。
从图6可以看出：无支撑形式的机身段滑轨上的加速度峰值明显小于斜支撑形式的加速度峰值。
4、结 论
从对两种结构形式初步坠撞分析来看，可得出以下几项结论：
1）两种支撑形式的机身段坠撞后地板以上结构的变形均能满足乘员生存空间的要求；
2）无支撑形式的机身段坠撞后地板以下结构的变形更为严重，有利于能量的充分吸收；
3）机身采用无支撑形式设计可以降低客舱过载水平。
因此，不同结构形式对民用飞机抗坠撞能力有一定的影响，在保证结构正常工况强度满足的条件下，可考虑采用无地板支撑形式的结构来提高飞机的抗坠撞能力。
参考文献
[1] 张弘，魏榕祥.通用飞机抗坠撞设计指南[M].航空工业出版社，2009
[2] CCAR-25-R3.中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准[S].中国民用航空总局，1985
[3] 飞机设计手册第九册[M]，航空工业出版社，2001
[4] 刘军，李玉龙.PAM-CRASH应用基础[M].西北工业大学，2008
[5] MSC.DYTRAN Theory Manual[M]，MSC SOFTWARE，2002
[6]Karen E.Jackson and Edwin L.Fasanella，Best Practices for Crash Modeling and Simulation [J]，NASA/TM-2002-211944，2002
作者简介
朱晓东（1982-），男，工程师，研究方向：动强度分析与试验。
汪洋（1988-），女，助理工程师，研究方向：动强度分析与试验。