一种基于耐撞性设计的民用飞机机身底部结构

摘要

本发明公开了一种考虑耐撞性的民用飞机机身底部结构，包括隔框、蒙皮、长桁和泡沫，在圆弧形状机身隔框的基础上，保持机身外轮廓不变，将隔框的上框缘和下框缘上提，将隔框底部圆弧形改为平底隔框形状，每一个隔框下部对称布置了一块泡沫，泡沫两侧端部为具有一定的高度的非尖角结构，泡沫下部为机腹蒙皮支撑，泡沫上部和侧面采用蒙皮支撑，泡沫两侧端部和顶部蒙皮上设置有长桁结构起到纵向加强的作用。本发明提供的机身底部泡沫结构能够大大改善机身结构的耐撞毁性能，蒙皮和泡沫形成的新结构有利于承受分布载荷，不但在地面坠撞中具有较好的耐撞毁性能，在水面冲击事故中也具有较好的耐撞性。

说明书

技术领域

本发明属于民用飞机的机身结构设计技术领域，具体涉及一种基于耐撞性设计的民用飞机机身底部结构的设计。

背景技术

民用飞机机身结构耐撞性直接关系到发生坠撞事故时乘员的安全，是民用飞行器结构设计的一个重要方面。保持机身结构完整性和把传递到乘员身上的加速度限制在人所能忍受的范围内是民用飞机机身结构耐撞性设计的两个主要目标。

随着人们对航空安全的重视程度越来越高，越来越多的学者和科研机构开始研究各种改进民用飞机耐撞性的方法。目前对民用飞机的耐撞性的研究主要集中在机身结构、起落架系统和乘员座椅系统三个方面，其中机身结构耐撞性设计是最重要的方面之一。

传统民用飞机的圆形截面机身底部和常规的蒙皮/骨架金属薄壁结构，决定了民用飞机在坠撞条件下(地面冲击)依靠隔框产生塑性铰来吸收冲击动能的性质。货舱曲形剖面提供了抗坠撞曲面，并且货舱高度较大，当坠撞事件发生时可以为客舱提供较大的压毁行程。至于塑性铰的位置、铰的数量、以及铰的移行速度(若存在的话)等等，则与机身构件的整体布局、形状尺寸、材料性质以及冲击载荷的强度等等有关。

传统的民用飞机机身结构为典型的薄壁结构，由横向隔框和纵向长桁组成。在正常使用情况下，客舱地板和货舱地板通过地板梁将集中载荷传递到框上，再分散到蒙皮上去。当坠撞发生时，机身腹部受到冲击载荷作用，冲击载荷可以是集中载荷(地面冲击)，也可以是分布载荷(水面冲击)。对于地面冲击，由于框和蒙皮连接的部分与地面之间的初始接触刚度高，将导致机身结构冲击过程时，初始载荷峰值会比较高，高过载持续时间会比较长，并且机身结构不能很好的吸收冲击动能，因此传统的民用飞机机身结构耐撞毁性能较差。

发明内容

本发明针对传统民用飞机机身结构在耐撞性方面存在的不足，通过大量的有限元数值仿真计算，提出了一种采用泡沫改进民用飞机机身结构耐撞性的民用飞机底部结构设计方案。此泡沫方案在满足民用飞机机身结构基本性能要求的同时，使机身结构具有良好的耐撞性。

本发明提供的民用飞机机身结构基于传统机身结构底部隔框为圆弧形状的特点，先将传统机身结构的底部隔框上提，然后在隔框下部布置分段的泡沫结构。本发明提供的民用飞机机身底部泡沫结构具有如下特征：机身隔框底部为平底结构，每一个隔框下部对称布置了一块泡沫，泡沫材料选用Rohacell泡沫或者相近的轻质、高强的泡沫材料。泡沫下部为机身腹部蒙皮，泡沫上部和侧面的蒙皮起到支撑泡沫结构的作用。泡沫上部和侧面蒙皮以及机腹蒙皮形成一个闭室结构，可以起到承受和传递载荷的作用。泡沫四周有多根长桁结构起到纵向加强的作用，顶部中间位置有一根长桁，顶部两侧也分别至少有一根长桁，可采用的长桁截面形状为“Z”截面、近似倒“T”截面和倒“T”截面，泡沫两侧各采用一根异性长桁加强。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供的机身底部泡沫结构能够大大改善机身结构的耐撞毁性能。

(2)机身底部结构符合飞机结构设计的强度、刚度、气动、重量以及疲劳寿命等的要求，同时不对飞机的使用、维护性产生不利影响。

(3)机身底部结构具有重量轻和结构简单的特点。

(4)本发明中蒙皮和泡沫形成的新结构有利于承受分布载荷，不但在地面坠撞中具有较好的耐撞毁性能，在水面冲击事故中也具有较好的耐撞性。

附图说明

图1是机身底部结构泡沫布置位置示意图；

图2是机身底部结构泡沫布置位置的局部放大图；

图3是机身底部结构图；

图4是隔框两侧泡沫的布置关系图；

图5是图2中的A-A剖面图；

图6a是泡沫侧壁异型长桁示意图；

图6b是“Z”形长桁截面示意图；

图6c是近似倒“T”形长桁截面示意图；

图6d是倒“T”形长桁截面示意图；

图7a是传统机身结构座椅上的加速度时间历程；

图7b是采用泡沫改进机身底部结构后座椅上的加速度时间历程。

图中：

1、泡沫             2、隔框        3、中部长桁    4、侧长桁

5、异形长桁         6、上框缘      7、下框缘      8、外轮廓

9、顶部和两侧蒙皮   10、机腹蒙皮   11、隔框轴线   12、机身中心线

具体实施方式

下面结合附图对本发明提出的基于耐撞性设计的民用飞机机身底部结构进行详细说明。在机身结构耐撞性设计中，需要综合考虑货舱结构的吸能特性，机身各构件在坠撞发生时充分发挥各自作用，并保证在正常使用条件下各构件的正常功用，达到降低冲击过载的目的。具体实现需要采用冲击减缓、塑性铰调配、刚度匹配等技术，以实现破坏模式控制。为了满足适坠性要求，本发明采用泡沫填充结构来改善机身底部结构的冲击特性，降低初始接触刚度，有利于减小初始冲击载荷，改善机身结构的吸能特性。

传统民用飞机机身结构包括隔框、蒙皮和长桁，客舱地板以下的机身隔框2为圆弧形状，如图1所示，本发明在机身隔框2圆弧形状的基础上，保持机身外轮廓8不变，将隔框2的上框缘6和下框缘7上提，将隔框2底部圆弧形改为平底隔框2形状，将泡沫1设置在隔框2的下方。如图2所示，其中泡沫1下部为机腹蒙皮10支撑，上部和侧面采用顶部和两侧蒙皮9支撑，机腹蒙皮10、顶部和两侧蒙皮9形成了一个闭室结构，所述泡沫1就位于该闭室结构内部。所述机腹蒙皮10、顶部和两侧蒙皮9不但可以支撑泡沫1结构，还能起到传递载荷的作用。

如图2，所述隔框2在泡沫1上方的高度要大于其余部分的隔框2高度，隔框2下框缘7上提的高度等于泡沫1的高度和泡沫顶部蒙皮厚度9之和，上提后的隔框2上框缘6为水平直线形状，水平直线长度大于泡沫1的长度；而下框缘7分为三段，中间为水平直线段，与上框缘6平行，两侧为向下倾斜直线段，三段直线与泡沫1紧密贴合，并且所述倾斜直线段都与泡沫1两侧端部上缘相连。泡沫1下轮廓紧贴机腹蒙皮10，与机腹蒙皮10协调一致；泡沫1顶部轮廓与隔框2下框缘7协调一致。考虑到制造上的方便，泡沫1两侧端部为具有一定的高度的非尖角结构。如图3，泡沫1对称分布于机身底部隔框2下方的两侧，不同隔框2下方的泡沫1之间有一定的间隔。如图4所示，各隔框2下方的泡沫1关于机身中心线12和隔框轴线11对称，每个泡沫1的宽度为每两个相邻隔框2间距的一半。

如图2所示，泡沫两侧蒙皮外侧采用异形长桁5加强，该异型长桁5的截面形状如图6a所示，该异形长桁5可用一根“Z”型型材和一根角材组合构成，或者用一根槽型材与一根角材组合构成。

在所述泡沫1顶部采用中部长桁3和侧长桁4进行固定，如图3所示，泡沫1顶部中间的中部长桁3的截面形状可采用如图6b所示的“Z”形截面或如图6d所示的倒“T”形截面。而泡沫1顶部中间两侧由水平直线到倾斜直线过渡处采用的长桁截面形状为如图6c所示的近似倒“T”形截面，侧长桁4的截面形状与泡沫1外轮廓协调一致，近似倒“T”形侧长桁4由缘条与腹板组成，缘条401与腹板402的夹角一个为90°，但另一个角度大于90°。泡沫1顶部和两侧采用至少5根长桁加强，其中泡沫1两侧端部采用异形截面长桁5加强，顶部由水平直线段到倾斜直线段过渡部分长桁结构的截面形状为近似倒“T”形截面，而顶部中间和其他位置的长桁结构截面形状为“Z”形截面或倒“T”形截面。

当有管道、电缆要通过地板下部时，可以在泡沫1上开孔，并且在开口表面蒙上复合材料蒙皮。泡沫1材料可采用Rohacell泡沫或者轻质、高强的其他泡沫材料代替，而Rohacell泡沫材料本身还具有防热的功能。图5是图2中的A-A剖面图，显示了隔框2的截面形状，隔框2截面为近似“Z”形截面。本发明所采用隔框2所具有的特殊形状，不可能用型材整体弯曲成型，但可采用分段制造再铆接的办法解决。本发明的隔框2和长桁的结构，不会削弱机身纵向承受总体载荷的能力，可以保证原框的截面特性不变，同时也不会影响隔框2的传力特性。

实施例

本例中给出一种改进后的机身底部泡沫结构的尺寸，泡沫1顶部隔框2中间位置的高度为70mm，而泡沫1两侧隔框2高度为50.01mm，泡沫横向半宽为352mm，泡沫1侧面高度为22mm。泡沫1顶部中间位置为“Z”形截面长桁，顶部两侧为近似倒“T”形截面长桁，并距机身中线距离为150mm。相邻隔框2下泡沫1间隔为两个隔框2距离的一半，即泡沫1纵向长度为隔框2间距的一半。泡沫1顶部蒙皮9厚度采用1mm，而机腹蒙皮10为0.8mm。隔框2截面形状等均与传统机身结构保持一致。

将改进前后的机身结构采用有限元方法计算得到在7m/s冲击速度情况下的冲击响应特性。图7a和图7b分别为改进前后，传统机身结构和机身底部采用泡沫结构的客舱地板上座椅位置处的加速度时间历程曲线。由图中可以看出，改进前座椅上的初始加速度峰值为18.5g(g为重力加速度值)，采用泡沫改进机身底部结构后，初始加速度峰值峰值为15g，初始加速度峰值降低了19％。并且原机身结构在75ms范围内出现了连续三个较高的加速度峰值，而改进后的除了第一个初始加速度峰值较高外，其余的加速度峰值均较小，加速度值衰减较快，50ms以后的加速度保持在较低的水平。传统机身结构在碰撞过程中，货舱地板与客舱地板发生了碰撞，在200ms后再次出现一次较高的加速度峰值；而采用泡沫改进后并未发生碰撞，与改进前的机身结构相比，本发明提出机身底部泡沫结构方案在冲击过程中产生了更小的变形。

本实例中，本发明提出的采用泡沫改进机身底部结构在冲击过程中，能够更好的保持结构完整性，并大大的降低了传递到座椅位置处的加速度值，改善机身结构的耐撞毁性能。