航空安全带织带拉伸力学特性研究

航空安全带是保障乘员安全的关键部件,为研究航空安全带织带的拉伸力学性能,利用电子万能实验机,开展了AM SAFE安全带织带在6.35 mm/min、30 mm/min、152.4 mm/min加载速率、160 mm、254 mm标距段尺寸、以及考虑二次加载影响下的拉伸性能实验,并基于实验结果,采用区段式、有限元、混合式3种安全带建模方法,模拟并对比了安全带织带的拉伸过程。结果表明:安全带织带迟滞效应明显,耗能作用显著;其拉伸力学特性受加载速率影响很小,受标距段尺寸影响较大,与加载次数密切相关;3种建模方式均能较好地表征安全带织带的拉伸力学性能。

薄壁方管轴向压溃的相似性研究

薄壁方管由于其几何特性导致相似性研究中,厚度无法与长度、宽度按照同一比例进行结构缩放,从而产生几何畸变,造成传统的相似律失效。为了解决这一问题,基于轴压冲击问题的响应方程、能量守恒方程,采用方程分析和量纲分析,推导了受轴压冲击作用下理想弹塑性薄壁方管几何畸变时动态响应的相似律。讨论了缩比模型与原型选取同种和不同种材料时的速度比例因子,并在理想弹塑性材料的基础上进一步修正了考虑应变率、应变硬化效应时的速度比例因子。建立有限元模型验证了畸变模型相似律的有效性。结果表明,缩比模型在采用提出的受轴压冲击薄壁方管的相似律进行缩放后,能够准确预测原型的载荷、能量等动态响应,相似性较好。

高锁螺栓连接件动态拉伸响应与失效机理

飞机坠撞过程中结构的变形模式和吸能对乘员保护具有重要意义,而连接结构的载荷传递和失效形式是影响飞机结构变形的重要因素之一。为了获取航空高锁螺栓连接件在坠撞载荷下的动态响应和失效机理,基于抗剪型平头高锁螺栓设计了2种材料(2024-T3和7050-T7451)的单钉单搭接连接件,利用高速液压伺服材料试验机进行4种速度(0.01、0.10、1.00和3.00 m/s)下的拉伸测试,得到连接件的动态响应、极限载荷、能量吸收和失效模式随速度的变化规律,并分析了连接件的失效机理。结果表明,连接件的失效模式受母材和高锁螺栓/螺母材料强度影响较大,而受加载速度影响较小;当速度从0.01 m/s增加到3.00 m/s时,2024-T3连接件的极限载荷和能量吸收分别增加了2.17%和34.43%,7050-T7451连接件的极限载荷和能量吸收分别增加了5.53%和6.58%。

金属材料的中低应变率动态拉伸试验方法研究与应用

基于高速液压伺服试验机的金属材料动态拉伸试验是获得中低应变率力学性能的主要手段,但如何获得材料的动态拉伸载荷、动态应变,以及失效过程的热耗散数据是试验测试的关键。本文总结了金属材料的中低应变率动态拉伸试验方法,编制了可视化试验数据处理软件,提高了试验数据处理效率。应用本文方法获得了2024-T42、2A16-O两类典型金属材料的动态本构参数,并对下一步技术发展进行了展望。

2024-T42铝合金低中应变率力学性能及本构关系

为研究2024-T42铝合金的低中应变率力学性能和本构关系,采用电子万能实验机和高速液压伺服材料实验机,进行常温下2024-T42铝合金准静态、低中应变率拉伸实验,得到材料在不同应变率下的应力-应变曲线。考虑颈缩对真实应力-真实应变的影响,采用仿真反演方法对颈缩后的真实应力-真实应变曲线进行修正,并基于Johnson-Cook本构模型进行拟合。结果表明:2024-T42铝合金在低中应变率范围的率敏感性较弱;但具有较强的应变硬化效应;基于仿真分析的反演修正方法能较好重构材料颈缩点后的真实应力-真实应变曲线;并通过铝管压溃实验和仿真分析,验证了反演修正方法的合理性和所获本构模型参数的准确性。

复合材料结构用高锁螺栓的动态复合加载失效特性

为研究复合材料结构用高锁螺栓的动态复合加载失效特性,基于高速液压伺服材料实验机设计专用的实验支持装置,提出碰撞式实验加载方法。实现中国商用飞机有限责任公司紧固件工艺标准CFBL1001-6-6/CFNT1003CY6抗剪型高锁螺栓在0.01m/s、0.10m/s、1.00m/s加载速度及纯拉伸、30°拉伸-剪切耦合、45°拉伸-剪切耦合、60°拉伸-剪切耦合、纯剪切状态下的失效测试,并基于实验结果拟合得到高锁螺栓的失效参数。结果表明:提出的测试方法能够有效获取高锁螺栓的动态失效参数;CFBL1001-6-6/CFNT1003CY6高锁螺栓的失效模式和失效载荷受加载方式影响较大,受加载速度影响较小;拟合获得的失效方程可较好地表征高锁螺栓的失效特性。

薄板在冲击载荷下线弹性理想塑性响应的相似性研究

对于比例模型和原型使用不同弹塑性材料的冲击相似性问题,由于弹性和塑性阶段材料特性的差别及其在不同变形阶段的弹性塑性共存现象,将导致原有的结构冲击相似性理论失效。基于薄板冲击问题的理论模型,采用方程分析方法重新推导了材料线弹性以及理想刚塑性共存时的冲击响应的相似律。提出了一种能够同时考虑弹性变形和塑性变形的结构缩放响应相似性分析的厚度补偿方法,并利用数值分析验证了提出方法的适用性。分析结果表明,使用厚度补偿方法得到的比例模型结构响应能够准确地预测原型结构的冲击响应。

中低应变率下7075-T7351铝合金本构与失效模型对比

为了标定航空铝合金材料本构并对比分析不同失效模型,以7075-T7351铝合金平板试样为研究对象,分别进行准静态拉伸试验和动态拉伸试验,获得其在100 s^-1以内中低应变率下的力学性能。采用Johnson-Cook本构模型、Swift本构模型、Hartley和Srinivasan本构模型对材料塑性应变强化力学行为进行表征,并采用最大塑性应变失效准则、Johnson-Cook失效模型与表格式Johnson-Cook失效模型进行动态拉伸仿真,对比分析不同失效模型的仿真精度。结果表明,在100 s^-1内的中低应变率下,7075-T7351铝合金的流动应力存在较弱的应变率效应,失效应变最大增量为16.8%;三种本构模型均可准确表征铝合金塑性应变强化力学行为;表格式Johnson-Cook模型的动态拉伸仿真结果与试验吻合最好,其塑性失效应变误差均小于4%。

航空结构冲击动力学技术的发展与展望

航空结构冲击动力学主要关注军民机服役或运营过程中可能遭遇的典型冲击问题。按冲击场景分,主要包括飞机正常着陆/非正常着陆、飞鸟与冰雹等离散源撞击、发动机包容性、战斗损伤或客舱内的最小风险炸弹位置等;从研究对象分,主要包括材料级的动态力学性能、结构件级的能量耗散和动态响应、整机级的动态载荷与应力波传递等;从研究方法分,主要有理论建模方法、数值计算方法和试验研究方法等。航空结构冲击动力学专业主要研究结构在冲击载荷作用下的运动、变形和破坏规律,考虑这些载荷和结构耦合效应的动态响应分析方法,以及减缓或控制冲击损伤的设计方法,同时开发在实验室内再现这些冲击现象或验证结构设计的试验装置和试验方法。本文对结构冲击动力学航空科技重点实验室近年来的专业发展情况和主要研究工作进行总结,梳理了主要领域的研究热点,并展望了未来的发展重点。

二维非线性离散声子晶体色散摄动分析

弹性波在声子晶体中的传播方式可由其色散关系决定,从二维无限周期结构的波动方程出发,通过引入Bloch理论与小参数摄动展开法,提出了一种分析非线性离散型声子晶体色散关系的一阶近似摄动法。得到了一阶近似的色散关系与频散曲线,以分析不同方向上的阻抗配置与非线性系数对频散及群速度的影响。分别以二维单原子网格、二维双原子二自由度网格和二维双原子四自由度网格为例,得到了它们的一阶频散曲线,色散结果显示带隙及传播方向与波幅相关。同时结合数值积分解验证了其在有限波幅谐波激励下解的精度。

受轴向冲击薄壁圆管的几何畸变相似律研究

对于受轴向冲击载荷作用的薄壁圆管动态响应的相似律问题,由于圆管的薄壁特性导致厚度无法与高度和半径按相同的比例进行结构缩放,从而产生模型的几何畸变,此时传统的相似律已无法描述原型与畸变模型之间的动态响应规律。基于薄壁圆管轴向冲击问题的控制方程,通过能量守恒和量纲分析,推导了考虑几何畸变条件下轴向冲击载荷作用的理想弹塑性薄壁圆管动态响应的相似律。通过在给定应变与应变率区间上建立比例模型预测的流动屈服应力与原型流动屈服应力的最佳逼近关系,将几何畸变相似律进一步推广至包含应变率和应变硬化的材料。通过数值方法验证了提出的几何畸变模型相似律的适用性。分析结果表明,提出的考虑厚度畸变的受轴向冲击薄壁圆管的相似律可用于预测原型结构的冲击动态响应,并显著降低比例模型与原型结构平均载荷和能量的偏差。

Impact of Crash Environments on Crashworthiness of Fuselage Section

In order to study the crash resistance of the civil aircraft structure in different crash environments,two environmental models of soft soil and water are established to analyze the dynamic response of the fuselage section subjected to the vertical at the impact velocity of 7 m/s.Simulation results show that the soft crash environment can have a certain cushioning effect on the structure crash,but it will prolong the crash time and change the energy absorption mode.This work suggests that soft environment may not be suitable for forced landing.

典型民用飞机全机坠撞实验研究

民机全机坠撞实验是评价民用飞机适坠性的最直接手段,也是民机适坠性领域的世界性技术难题。提出全机坠撞实验高精度提升控制与高可靠投放方法,给出了结构响应、假人响应等关键物理量的测试方法,引入了分布式多目相机全场大变形连续测试方法。构建了全机坠撞动响应测试系统,使用统一时间基准触发,对坠撞后地面撞击载荷、结构加速度响应、假人响应以及飞机破坏变形进行了分析,获得了机体不同部位的响应分布规律;提出了修正的适坠性综合评估指数ICI。结果表明:全机坠撞实验测试数据完整可信,实验飞机在5.71 m/s垂直坠撞后,客舱地板下部结构变形严重,机翼的惯性效应导致中央翼区域机身上部结构产生明显变形;不同机身段的刚度差异造成该部位坠撞载荷和动响应的显著差异,刚度越大变形越小加速度响应越大;坠撞后乘员受载在安全范围内,客舱座椅结构完好,舱门可正常打开,乘员生存空间足够,乘员撤离通道畅通。实验飞机在给定状态下具有较好的适坠性,相比原始ICI指数,修正后的评估结果具有更好的工程适用性。

结构修理对民机机身耐撞性的影响

为研究结构修理对民机机身耐撞性的影响,以典型含损伤民机金属机身结构为对象,通过机身段结构的坠撞实验与仿真分析,对其修理后机身结构耐撞性进行了分析,进一步基于经实验验证的仿真分析模型研究了不同修理位置和修理面积对机身结构耐撞性的影响规律。结果表明:建立的含修理机身结构坠撞动力学模型分析结果与实验一致性较好,变形模式一致,坠撞载荷峰值误差为2.4%,机身横梁标记点最大位移误差为9.3%,机身横梁标记点速度降为零的时间误差为13.2%;蒙皮修理和机身框修理均对结构的变形模式有一定影响;蒙皮和机身框对称修理对坠撞中后期载荷有显著影响;蒙皮修理对机身结构吸能影响显著,机身框修理对机身结构吸能影响较小;对于进行过大面积修理的飞机,应对机体结构耐撞性进行评估。

典型金属民机机身结构坠撞特性试验

为验证典型金属飞机机身结构的适坠性,开展了机身等直段结构在5.91 m/s下的垂直坠撞试验,得到了地面撞击载荷、机身结构变形及机身结构典型位置和假人的动态响应数据,分析了坠撞过程中机身结构的变形失效机理、载荷传递规律及能量吸收特性,提出了提高机身结构适坠性的设计方法。试验研究表明,在坠撞冲击载荷作用下,客舱地板横梁以下结构出现较为严重的变形,机身结构呈现非对称的破坏模式。在坠撞过程中,由于机身框和横梁变形吸收了大部分冲击能量,因此,相较于立柱处加速度峰值,传递至乘员处加速度峰值减小了90%左右。由综合适坠性评估指数可知,机身结构在5.91 m/s的坠撞速度下,具有良好的适坠性。

一种复合材料结构的坠撞吸能特性分析

本文主要研究一种碳纤维复合材料立柱组合件的坠撞吸能特性。提出立柱组合件的坠撞试验方法,对组合件实施9.14m/s速度下的垂直坠撞试验,获得组合件的坠撞过程及其垂向力时间历程,试验表明组合件中的C型立柱发生了较小程度的压溃,其吸能效率较低。基于线性退化损伤模型和三维Hashin失效准则,对该组合件进行坠撞数值仿真分析,数值模拟的垂直力和变形模式与试验结果较为吻合,验证数值仿真分析方法有效可行。此外。提出组合件结构的改进思路以提高立柱的吸能效率,为复合材料机身抗坠撞设计提供重要的数据支持和参考。

考虑坠撞环境影响的民机应急撤离实验

民机可生存坠撞事故中的环境因素对乘员撤离具有重要影响。本文基于典型民机可生存坠撞事故场景特点,提出了可模拟典型坠撞事故环境的乘员应急撤离实验方法,介绍了机体姿态、环境声/光、客舱障碍物、舷窗视效环境的模拟方法以及人员撤离轨迹的高精度测量方法,并通过志愿者实验分别研究了机体倾斜姿态、事故声/光环境、过道障碍物等坠撞环境因素对民机乘员应急撤离的影响规律。结果表明:本文提出的考虑坠撞环境影响的应急撤离实验方法和坠撞环境模拟方案可行,获得了有效的实验数据;当机体姿态在俯仰角±5°以内变化时,对多乘员撤离的撤离总时间和撤离效率无显著影响,人群在过道区域上坡和下坡速度的差异随着俯仰角的增大而增大;坠撞事故声音和光照环境对乘员应急撤离有一定影响,事故背景声效会使撤离总时间减少,应急照明会使撤离总时间增加;客舱过道中存在障碍物时所需的撤离总时间总体增加,障碍物越靠近出口,撤离效率越低,而且相较于可移动型障碍物,固定型的障碍物会导致更低的撤离效率。