CN102556333B - 一种机身底部波纹梁结构吸能方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种民用飞机机身底部波纹梁结构吸能方案，采用波纹梁结构作为能量吸收结构，并布置在机身底部改善民用飞机耐撞性能，此结构包括了机身隔框、蒙皮和波纹梁。将常规的民用飞机机身结构隔框下部的上框缘和下框缘上抬，隔框底部成为一个平底结构，波纹梁结构布置在隔框下部与机腹蒙皮之间，波纹梁上下分别与支撑板和机腹蒙皮铆接。所提出的波纹梁结构保持了机身结构原有的气动外形，满足气动、强度和刚度等要求，并且不会影响民用飞机的使用和维护。本发明能够减小冲击过程中的初始载荷峰值，改善乘员座椅位置处的加速度历程曲线，提高机身结构的能量吸收能力，较大的改善了机身结构的耐撞性能。

Description

一种机身底部波纹梁结构吸能方案

技术领域

本发明属于民用飞机机身结构设计技术领域，具体涉及民用飞机机身能量吸收结构的研究与设计。

背景技术

耐撞性是指民用飞机等交通工具在发生坠撞事故时，通过自身的变形或破坏吸收冲击动能以达到保护乘员安全的目的。虽然民用航空工业在不断的发展，但是在起飞降落等过程中发生的事故的概率并没有减小，事故发生次数也在不断的增加。因此设计耐撞性能良好的机身结构成为现在民用飞机设计中必须解决的关键问题。

保持碰撞过程中乘员的生存空间和限制传递到乘员身上的载荷是民用飞机耐撞性设计的目的。而民用飞机主要是通过起落架系统、机身结构和乘员座椅系统三个方面来达到保护乘员安全的目的，机身结构作为主要的能量吸收结构，在耐撞性设计过程中具有不可替代的作用。

不同民用飞机的耐撞性设计原则，小型民用飞机和直升机由于客舱地板下部空间较小，主要用来布置能量吸收结构。而大中型民用飞机客舱地板下部货舱空间较大，在坠撞过程中具有较大的压溃距离，因此对于金属/复合材料框架和蒙皮的组合而成的民用飞机机身结构，在坠撞事故中依靠金属材料的塑性变形或者复合材料的破坏吸收冲击动能。

能量吸收结构在民用飞机耐撞性设计中具有极其重要的作用。而机身底部是最先与地面或水面等发生接触的区域，因此底部区域的能量吸收结构设计非常重要。

发明内容

本发明在保证民用飞机结构具有基本的性能要求情况下，在对目前民用飞机机身结构耐撞性研究的基础上，通过对波纹梁结构和民用飞机机身结构的大量仿真实验，提出了一种采用波纹梁作为机身底部结构的民用飞机结构设计方案，所提出的结构方案使机身具有良好的耐撞性能。

本发明提出的民用飞机机身底部结构是在传统的民用飞机机身结构基础上，将机身隔框下部的上框缘和下框缘上抬，然后在隔框下部与机腹蒙皮之间布置波纹梁。本发明提出的民用飞机机身底部波纹梁结构具有如下特征：机身隔框下部的上框缘和下框缘上抬，成为一个平底结构，每个隔框下部和机腹蒙皮之间布置金属/复合材料的波纹梁结构。波纹梁结构和机身隔框之间布置上部支撑板为波纹梁的压溃提供支撑，波纹梁和机腹蒙皮以及上部支撑板之间采用铆接的方式，并且波纹梁结构上部可以采用开口等触发机制以引导其发生吸能效率更高的破坏模式。

本发明提出的机身底部波纹梁结构符合民用飞机设计的强度、刚度、气动和重量等要求，不会对飞机的使用和维护产生不利影响，并且结构简单、重量轻。最为重要的是，此结构能够大大改善机身结构的耐撞性能。

附图说明

图1是改进前的机身结构图；

图2是底部布置波纹梁后的机身结构图；

图3是机身底部波纹梁结构局部放大图；

图4是机身底部隔框上抬结构图；

图5是波纹梁结构与隔框中心线位置关系图；

图6是波纹梁结构与下部机腹蒙皮和上部支撑板结构图；

图7是波纹梁结构图；

图8是波纹梁结构大变形模式图；

图9是波纹梁结构大变形模式图；

图10是改进前后的机身结构乘员位置处的加速度曲线对比。

图中:

1、波纹梁      2、隔框         3、撑杆       4、客舱地板

5、客舱地板梁  6、外轮廓       7、上框缘     8、下框缘

9、货舱地板    10、上部支撑板  11、机腹蒙皮  12、机身中心线

13、隔框轴线

具体实施方式

下面通过附图来对本发明提出的民用飞机机身底部布置波纹梁结构的吸能方案进行详细说明。

现有的民用飞机的机身结构如图1所示，由隔框2、客舱地板4、客舱地板梁5、货舱地板9、机腹蒙皮11和撑杆3等结构组成，在进行机身结构耐撞性设计时，不同的结构部件具有不同的功能，首先需要满足各个部件的正常使用功能，然后需要综合考虑各个部件的作用进行综合设计，使得各个部件组合之后机身结构的能量吸收效率达到最大。耐撞性设计中最为重要的参数是初始载荷峰值、能量吸收效率、破坏模式和加速度峰值，这几个参数并不是孤立的，而是彼此相关的。初始载荷峰值是结构耐撞性设计的一个重要参数，常规的民用飞机机身结构底部为机身隔框2，并且主要依靠隔框2产生塑性铰或者复合材料破坏来吸收冲击动能，造成初始载荷峰值较大。本发明为了改善机身结构坠撞特性，采用了波纹梁结构布置于机身底部，能够降低初始载荷峰值并提高机身结构的能量吸收效率。

本发明采用的高吸能效率的波纹梁结构应用于机身底部结构设计。如图1所示，对于大中型民用飞机而言，机身隔框2的下部是圆弧形状，这种布局结构使得机身隔框2是最先与地面发生碰撞的结构，要使波纹梁1达到既能吸收较大部分的能量，又能达到降低初始载荷峰值的目的，必需将波纹梁1布置在机身底部，如图2～图4所示，并使其最先与地面发生碰撞，因此本发明中将机身隔框2下部的上框缘7和下框缘8上抬，机身隔框2下部成为了一个平底结构，然后将波纹梁1布置在机身隔框2与机腹蒙皮11之间，上抬后的机身结构如图2所示，底部机身隔框2与波纹梁1的相对位置如图4所示，如图5所示，波纹梁1分布在隔框轴线13两侧，并且波纹梁的截面中心线与隔框轴线在同一个竖直平面内。如图6所示，波纹梁1分别与上部支撑板10和机腹蒙皮11铆接，两者对波纹梁1产生支撑作用，保持机身外轮廓6不变，能够保证不破坏机身结构的气动外形。如图3所示为布置波纹梁1后的机身底部局部放大图，由图可知各个部件的相对位置，波纹梁1位于机身隔框2与机腹蒙皮11之间，波纹梁1由上部支撑板10和机腹蒙皮11提供支撑，上部支撑板10紧贴机身隔框2上，采用铆接的方式连接，机身隔框2仍然是主要的承力结构，货舱地板9位于机身隔框2上部。机身隔框2在制造中整体加工成型，在波纹梁1端部连接处均匀过度，即机身隔框2的水平底部与圆弧侧面是圆滑过渡；波纹梁1端部具有一定的高度，并不是尖角形状，并与机身隔框2的端部是配合设置。所述的上部支撑板10为平板结构，采用铆接方式连接在机身隔框2的下部，用于连接固定波纹梁1，上部支撑板10的宽度大于波纹梁波幅的两倍。机身隔框2下部的下框缘8上抬的高度，等于上部支撑板10的厚度与波纹梁的高度之和，上框缘7水平直线长度小于波纹梁长度，下框缘8与波纹梁1长度相等。优选的，将波纹梁1的设置按照长度对称分布在机身中心线12的两侧，如图2所示，波纹梁在机身中心线12的两侧的长度是相等的，并且在每一个机身隔框下部布置一个波纹梁结构。

若需要在机身结构底部，即波纹梁1下部布置纵向加强件、管道或者电缆时，可以在波纹梁1上打孔，并不会因此显著影响波纹梁1的耐撞性能。机身隔框2可以采用“Z”、“I”、“C”或者“J”型截面。波纹梁1结构可以采用金属或者复合材料结构，其中复合材料波纹梁1具有更加优良的冲击特性。此外，还可以在波纹梁1上布置开口等触发机制，引导其发生能量吸收效率更高的破坏模式。

实施例

本例中给出了一种具体的底部布置波纹梁结构的民用飞机结构方案。

本例中给出一种具体的改进后的机身底部波纹梁结构的结构尺寸，波纹梁1采用金属铝合金材料，上部机身隔框2的高度为40mm，波纹梁结构的波幅为20mm，长度为975mm，波宽为125mm，波纹梁结构1中间部分的高度为105mm，而侧部的高度为26mm，中间与侧部之间圆滑过渡均匀变化。上部支撑板10结构的厚度为0.8mm。机身隔框2的截面形状采用“Z”型结构形式。优选的，波纹梁的上部为直线结构，下部为与机腹蒙皮相配合的弧线结构。

采用LS-DYNA软件对改进前后的机身结构在一定的冲击速度下的坠撞特性进行数值仿真实验。图7为此例中的波纹梁结构的有限元模型，图8和图9为碰撞过程中的变形图，由图可知，波纹梁结构发生了弯曲变形模式，首先在波纹梁结构中部下端产生塑性破坏，然后其围绕中部旋转运动，产生了弯曲的变形模式。图10为改进前后的机身结构座椅位置处的加速度时间历程曲线，改进前的初始加速度峰值为19g，采用波纹梁结构改进后的初始加速度峰值为16g，改进后的结构比原结构降低了约15%。此外，改进后的加速度历程曲线前100ms除了初始加速度峰值外仅出现了一个较小的加速度，而原机身则出现了两个较大的峰值，虽然碰撞后期出现的一个较大加速度峰值相对原机身结构并没有改善，但是持续时间相对较短。改进后的机身结构显著改善了加速度特性，减小了传递到乘员身上的载荷，从而能够更好的保证乘员的安全。波纹梁结构1能够吸收1247J的能量，占机身结构吸收总能量的8.6%，证明波纹梁结构1具有一定的能量吸收能力。

通过算例表明，本发明提出的波纹梁机身底部结构在坠撞过程中能够吸收一定的能量，减小传递到乘员身上的载荷，能够改善机身结构的耐撞性能。

Claims (3)

1.一种民用飞机机身底部波纹梁结构吸能结构，包括了机身隔框和机腹蒙皮，其特征在于：还包括波纹梁和上部支撑板，改变现有机身隔框底部形状，即将机身隔框底部上框缘和下框缘上抬变成平底结构，将波纹梁布置在机身隔框下部和机腹蒙皮之间，波纹梁的上下部分分别与上部支撑板和机腹蒙皮铆接，所述的上部支撑板与机身隔框下部连接；所述的波纹梁沿隔框轴线分布，波纹梁的截面中心线与隔框轴线在同一个竖直平面内；所述的民用飞机机身隔框底部上框缘和下框缘均为水平结构，下框缘上抬高度等于波纹梁高度与其上支撑板厚度之和，上框缘水平直线长度小于波纹梁长度，下框缘与波纹梁长度相等；所述的上部支撑板为平板结构，上部支撑板分别与机身隔框和波纹梁结构铆接，宽度大于波纹梁波幅的两倍；波纹梁的设置按照长度对称分布在机身中心线的两侧，波纹梁在机身中心线的两侧的长度是相等的，并且在每一个机身隔框下部布置一个波纹梁结构；波纹梁的上部为直线结构，下部为与机腹蒙皮相配合的弧线结构；波纹梁上设置触发机制以诱导其发生高能量吸收率的变形模式。

2.根据权利要求1所述的一种民用飞机机身底部波纹梁结构吸能结构，其特征在于：所述的波纹梁的材料选用金属或者复合材料。

3.根据权利要求1所述的一种民用飞机机身底部波纹梁结构吸能结构，其特征在于：所述的机身隔框截面形状近似为“Z”、“I”、“C”或者“J”型。