摘 要

大型客机应急着陆时的机身各个部位的动态响应的分析一直是飞机设计过程中重要的研究内容。在飞机的应急着陆的过程中，飞机的抗坠撞能力是提高这类事件中乘客的生还率的关键因素。美国从上世纪80年代开始进行了一系列的飞机可生还撞击下的动态响应，然而利用实体模型进行坠撞试验一般费用极高，耗时长，工程量大。随着计算机技术的发展，利用有限元软件来模拟飞机坠撞实验具有耗时相对较短、分析结果更全面、代价更低等优势，因此仿真模拟成了解决这类问题的重要手段。

本文采用分段式模型法来有效地计算民机在触地过程中由于触地载荷产生的响应。首先利用ANSYS中的DYNA模块计算后机腹触地部位10-12跨梁的载荷-位移曲线图（F-u）。之后利用ABAQUS软件将后机腹触地部位简化成一根非线性弹簧，并将得到的载荷-位移曲线施加到非线性弹簧上，最终计算得到后机腹触地部位在触地过程中的载荷-时间曲线（F-t）。最后将该载荷-时间曲线作为激励施加到PATRAN中的梁式模型中，计算得出飞机在应急着陆时各部位的载荷包线。根据得到的包线图分析飞机各个部位的危险点，并对飞机的设计做出相应的改善。

关键词：防坠撞；仿真模拟；分段模型法；有限元模型；梁式模型；动态响应

Abstract

The study of the civil aircraft emergency landing loads has been of vital important in the designing process. When a civil aircraft needs to land in emergency, the character of its crashworthiness can promote the survival rate of the passengers inside the plane significantly. Since 1980s, the USA army has started some projects of the study on the civil aircraft emergency landing loads. However, some disadvantages, like its high cost and long time consuming, are inevitable in real model experiment. In consequence, with the development of computer since, many kinds of finite element software have appeared and developed to solve problems like that. These computer aided methods have some advantages, they cost less time compared to the real model experiment, and cost less money, their results are more comprehensive. As a result, computer aided analysis has become an important method to solve problems like that.

In this essay, we discussed how to use segmented modeling method in non-linear finite element model to analysis the civil aircraft emergency landing loads. The process includes three parts. 1. Establish a non-linear finite element model of the rear of the plane in Hypermesh(10-12^th span); calculate the curve of load and displacement. 2. Establish a beam model using Abaqus; calculate the curve of time and load of a non-linear spring, which has the same load-displacement curve as the finite element model, in the circumstance when this beam model is pressing down this spring. 3. Set this time-load curve as a driving force, apply it in the touching point of a beam model, which was established in Patran, calculate the responding loads of each part of the plane during the whole crashing process.

Keywords：crashworthiness analysis; computer aided analysis; finite element model; segmented modeling method; beam model; time-load curve

目 录

摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究内容 3

第二章 载荷-位移曲线计算 4

2.1 有限元模型建立 4

2.1.1 梁单元的建立 5

2.1.1.1 框架模型 5

2.1.1.2地板结构模型 6

2.1.1.3 底部支撑结构 6

2.1.2 壳单元的建立 7

2.1.3 划分网格与参数设置 7

2.2 计算载荷-位移曲线 10

2.3 本章小结 13

第三章 载荷-时间曲线计算(F-t) 14

3.1 有限元模型建立 14

3.2 载荷-时间曲线(F-t) 15

3.3 本章小结 16

第四章 响应计算 17

4.1 有限元模型建立 17

4.2 非线性激励力的分解 17

4.3 得出每个单元上力随时间的响应 18

4.4 生成各部位的包线图 18

4.5 本章小结 30

第五章 总结与展望 31

5.1 全文总结 31

5.2 工作展望 31

参考文献 33

致 谢 34

第一章 绪论

1.1 引言

航空业已经在世界各个大型经济体中发展了数十年，而对比其他国家，我国的航空产业相对发达国家还是比较落后的，尤其是没有一架自主产权的飞机，导致在航空也一直受到发达国家的垄断，因此有句话说：“我们卖出1.8亿件衬衫所赚的钱才能换回一架波音737客机”。而如今，拥有我国自主产权的C919客机已经首飞成功，它的出现将改变我国航空业被垄断的局面，为我国航空史上留下浓墨重彩的一笔。

而在飞机的设计过程中，除了飞机的飞行性能之外，还有重要的一项就是飞机的安全性能。在飞行过程中，由于设备，人为，天气等问题，难免会出现应急着陆的需求，在这种情况下，不仅对飞行员的操控能力有着极大的要求，飞机本身的设计也是影响生还率的重要因素。根据美国陆军对1967年至1972年所发生的坠机事故的结果调查显示，在其中92.8%的飞机应急着陆事故中，若是在这些飞机设计中就将防坠撞性能作为重要的一项指标，这些事故都能成为可生还事故，这些事故的生还率就能显著提高。因此飞机的防坠撞设计是一项极为重要的指标，它对航空安全的影响至关重大。

为了提高飞机的抗坠撞指标，科研人员需要了解在飞机应急着陆时，飞机各个部位的受力情况，从而对其中的危险点进行改良，设计出抗坠撞能力更强的飞机。用机身后机腹着地部位的实体模型进行坠撞实验可有效且直接的观察各个构件的受力情况，进而对飞机的构造做出改正，从而达到强化飞机抗坠撞能力的目的。用实体飞机构建进行坠撞研究无疑是最直接的，但同时面临着耗费巨大，工程大，不可重复，难以追踪模型内部各个点应力状态的缺点。随着计算机行业的发展，有限元仿真模拟逐渐成为了代替实体坠撞实验的手段。

1.2 国内外研究现状

从1909年冯如驾驶的冯如一号试飞成功至今，我国的民航事业已经发展了100多年，已经成为了世界上名副其实的航空大国。民用飞机包括航线飞机和通用飞机，已经越来越成为人们日常生活中分不开的一部分。随着航空业的迅猛发展，民用飞机安全问题也越来越得到了人们的重视。飞机尽管被公认为最安全的交通工具之一，但是由于诸多原因，如自然灾害，飞机制造，维护，运行中的人为差错等，飞机的坠撞总是不可避免的，而事故一旦发生，带来的人员伤亡和财产损失是巨大的。

尽管每年都会发生飞机坠撞事件，但根据美国陆军对1967至1972年间的坠机事故的调查显示，如果那些飞机在设计之初就能将试坠性安全性能作为飞机设计的指标，那这些事故中92.8%都可能成为可生存事故[1]从而提高飞机撞击后乘客们的生存几率。因此，在飞机遭遇紧急情况应急着陆的过程中，除了驾驶员的操作之外，飞机本身的硬性指标也尤为重要。

飞机抗撞性方面的研究，从二十世纪70年代起，美国联邦航空局（FAA）和美国国家航空航天局（NASA）就对各类飞机进行了试验,并对飞机的坠毁动力学特性和坠撞安全性进行了大量的研究分析[16]。NASA Langley 研究中心利用 IDRF 动态撞击研究装置进行了许多的坠撞试验，包括 3 次B707 机身段垂直撞击试验、11 次贝尔和西科斯基的直升机撞击试验、41 次全尺寸的通用飞机撞击试验和 48 次军用直升机抗撞击性能测试等试验[17]。

研究人员为了分析真实情况下飞机的抗坠撞性能，采用对全尺寸飞机模型进行坠撞试验无疑是最直接有效的手段。但是由于此类试验的成本过于昂贵，通常一架飞机只够实验一次，试验只能针对较小的飞机，而大型飞机的试验无法进行，因此，利用计算机的有限元软件模拟坠撞情况成为了主要的分析手段。 1999 年，Langley 研究中心对西科斯基 ACAP 型直升机坠撞试验，试验的目的是验证有限元仿真的有效性，所采用的有限元模型分析使用了商业软件 MAC.Dytran。结果显示，该数值模拟的结果和坠撞试验结果相当的吻合，证明了有限元分析法在试坠性分析中的可行性。

在二十世纪，欧盟开展过目的为验证有限元法的有效性提供完整的机身段坠撞试验数据的“CRASHWORTHINESS”计划[18]。欧洲在复合材料机身段的抗坠撞性能及复合材料结构抗坠撞设计等方面开展了一系列研究，主要目标是研究在可生存坠撞条件下最大限度地保障乘客安全的复合材料飞机结构设计技术，并提出一套系统的飞机结构抗坠撞的试验方法[19]。

国内对民机坠撞的安全性研究不多，洪都航空工业集团在农林5A 型飞机的适航取证过程中进行了全机撞击动力学有限元仿真分析和全机坠撞试验，取得了宝贵的数据和实践经验[20,21]。张文宇等进行了 AC500 飞机坠撞仿真分析，并给出了 AC500 飞机结构抗坠撞改进建议[20]。国内的研究人员在设计直升机机身抗坠撞结构和抗坠撞起落架上进行过大量的研究工作，但主要是通过经验设计，通过试验验证，在仿真方面也只做过了部件的仿真工作，缺乏对全机分析的经验。而由于我国在很长一段时间里都没有自主研制的大型客机，因此直至目前为止，国内对于大型客机的坠撞分析还远远不够。

1.3 本文主要研究内容

在民机应急着陆的情况下，除了对飞行员操作的要求之外，事故能否成为可生还事故很大程度上取决于机身的抗撞性能。而对于民机的试坠性研究在国内尚处于起步阶段，缺乏对该类问题的研究成果和成套的研究方法。本文拟采用分段式模型方法计算得到应急着陆时机身响应，从而给飞机结构的设计提供参考标准，设计出应急着陆时抗撞性能更好的机身，以降低事故发生时的人身和财产损失。

本文主要考虑飞机由于起落架特殊原因导致无法正常打开，飞机后机腹首次触地这一情况。

本文的内容分为四章：

第一章绪论，主要介绍了本文研究问题的引出以及目前国内外的研究现状，以及本文所用研究方法的概括。

第二章利用hypermesh几何处理软件建立后机腹触地部位（10-12跨）的有限元详细模型，利用ANASYS中的DYNA模块计算匀速下降过程中此触地部位的载荷-位移曲线（F-u）。

第三章利用ABAQUS将整个飞机简化为梁式模型，模型以真是降落速度，1.52m/s下降。计算出飞机在应急着陆过程中触地部位所受到作用力的时间历程曲线，即载荷-时间曲线（F-t）。

第四章在PATRAN中建立飞机的简化梁式模型，并将计算得到的载荷-时间曲线作为激励力加载到该模型上，计算得出飞机各部位的响应，并将该过程中出现的最大值做成以机身各部分站位为横坐标的包线图。

第二章 载荷-位移曲线计算

2.1 有限元模型建立

本文进行坠撞分析的模型为某大型客机后机腹的10-12两跨结构，结构包括机身框架，蒙皮，地板，地板横梁，地板纵梁，地板竖支撑，以及机腹下部的支撑结构。考虑到座椅，乘客，行李架，地板下行李舱对飞机着陆时的破坏过程影响不大，同时也为了简化模型的计算过程，在该模型中省略了座椅，乘客，行李架与行李舱的部分。

如图3.1所示，为本文所使用的后机腹10-12跨的细节化几何模型。

图3.1 某大型客机后机腹10-12跨的几何模型

2.1.1 梁单元的建立

在该模型中，后机腹10-12跨的有限元模型是通过将实体模型导入到hypermesh中，在实体模型的基础上建立几何模型与有限元模型，并将网格和带有求解文件导入到ANSYS中的DYNA模块中进行计算。

在建立有限元模型的步骤主要通过点—线—面的顺序，主要分为三步。第一步为在实体模型中各部位连接点出建立节点，第二步为建立各个结构的线、面模型，如图3.2中的左图所示，最后在该模型基础上添加三维梁式或者壳式构件，如图3.2中的右图所示。此外，由于两侧的窗与门对坠撞时的结果影响较小，所以在模型省略了窗，门等结构，以简化整个模型的计算过程。