题目：民用飞机机身能量吸收结构研究与设计

耐撞性是飞机等交通工具在可生还的坠撞事故中通过自身结构变形来保护乘员安全的一种能力。民用飞机机身结构耐撞性设计是目前国内发展大型民用飞机过程中必须解决的关键问题，而能量吸收结构的研究与设计是耐撞性最重要的问题之一。论文结合国内外民机耐撞性研究的最新进展，以实际民用飞机机身结构为研究对象，采用非线性有限元数值模拟方法，围绕薄壁开剖面和闭剖面结构冲击动力学特性、典型民机机身段结构耐撞性、客舱地板下部撑杆结构耐撞性设计和客舱地板下部能量吸收结构及其布局设计等问题进行研究，主要包括以下四个方面：（1） 薄壁闭剖面和开剖面结构的耐撞性能 薄壁结构在民机结构设计中被广泛采用，这里针对薄壁闭剖面和开剖面结构冲击动力学特性进行了系统研究。首先通过研究不同冲击速度、冲击质量和冲击模式情况下薄壁结构耐撞性能，得到冲击质量和冲击模式对冲击动力学特性的影响很小，而冲击速度的影响较大。其次探讨了不同截面形状薄壁闭剖面结构的冲击动力学特性，发现圆形截面管件具有最佳的耐撞性能。然后对圆管的准静态压缩和动力学冲击特性进行了研究，得到圆管随着径厚比的增加由低的吸能破坏模式向高的转变，而随着长径比的增加会由轴对称模式向屈曲模式变化。最后对作为机身客舱地板下部撑杆结构的薄壁开剖面结构进行了研究，结果表明虽然开剖面结构具有不对称性，但是初始载荷峰值、能量吸收、平均载荷和破坏模式关于几何尺寸的变化依然遵循一定的规律。 （2）客舱地板下部撑杆结构的刚度对机身耐撞性性能的影响 民机简化模型的建立是耐撞性研究的关键。考虑到实际机身结构极其复杂，给出了合理的简化方法，能够较好的模拟实际机身结构的坠撞特性。撑杆结构位于客舱地板下部，可能会对机身结构耐撞性产生较大影响。论文针对一类具有客舱地板下部撑杆结构的民机进行了研究，给出了此类民机结构在不同刚度客舱地板下部撑杆情况下的民机机身耐撞性能。得到了民机机身结构的破坏模式、能量吸收和加速度特性随着客舱地板下部撑杆结构刚度变化的规律。结果表明存在合适刚度的撑杆结构，使得该类型机身结构具有良好的耐撞性能，而增加或者减小刚度均可能产生多次高过载。（3）民用飞机客舱地板下部能量吸收结构设计 能量吸收结构设计是民机耐撞性研究的主要问题之一。对民用飞机客舱地板下部的能量吸收结构进行了研究，给出了在进行民机机身结构耐撞性设计时刚性结构和能量吸收结构的特点以及波纹梁、泡沫和圆管等结构在民机机身能量吸收中的不同设计方式。通过合理设计撑杆结构，可以改善民机耐撞性能且不必过多改变原有机身结构。对比了作为客舱地板下部撑杆结构的复合材料圆管和经过改进的薄壁开剖面结构的设计特点。然后针对在某一种特定布局情况下，提出了采用方管作为撑杆结构以改善机身能量吸收特性的方案。依据冲击动力学特性，这种布局情况下的机身结构可以分为两类情况。分析了将触发引入到方管撑杆结构中改善撑杆能量吸收能力的方案，并对比了分别采用方管和开剖面结构作为撑杆结构时民用飞机机身耐撞性能的特点。结果表明采用方管和在方管撑杆结构上引入触发虽然不能使撑杆结构得到理想的破坏模式，但是均能在一定程度上改善民机机身结构的耐撞性能。（4）民用飞机机身能量吸收结构的布局设计 能量吸收结构布局设计是关系到耐撞性设计成败的关键因素之一。对比了大中型民用飞机和如轻型固定翼飞机和直升机之类的小型飞机能量吸收结构布局设计的特点。并研究了泡沫和波纹梁结构在民机耐撞性设计中的不同布局方式。采用高能量吸收效率的撑杆结构很重要，但其布局方式同样会直接影响机身结构的耐撞性能。给出了应用于现役飞行器中的不同客舱地板下部撑杆结构的布局方式和客舱地板下部布置多组撑杆结构的设计方案。然后将撑杆结构的布局方式量化为两个角度，研究了撑杆结构分别开剖面和方管时，机身结构的破坏模式、能量吸收和加速度特性关于撑杆布局的变化规律。结果表明通过合理设计客舱地板下部撑杆和泡沫等机身能量吸收结构的布局方式能够改善机身结构耐撞性能。