题目：民用飞机机身结构耐撞性分析与设计

民机耐撞性是指在可生还坠毁或撞击情况下，飞机结构所能保护乘员安全的能力。坠撞事故发生时民机机身结构产生大变形，并且伴随着很强的过载脉冲。通过拉长碰撞持续时间，“拉平”过载脉冲，降低脉冲峰值，同时为乘员提供必要的生存空间，是机身耐撞性设计的主要指导思想。随着航空产业竞争的升温，以及适航当局对航空安全要求的提高，民机结构耐撞性逐渐成为各国航空工业界和学术界的研究热点。本文结合国内外民机耐撞性研究现状与关键技术的最新进展，主要针对民机机身结构耐撞性分析与设计中的相关问题进行了研究。研究内容具体包括以下四个方面：（1）民机结构坠撞分析技术与建模原则研究阐述了坠撞仿真分析的主要技术——瞬态动力学有限元的基本原理，并结合民机机身结构坠撞特征，就机身结构建模中的材料应变率本构模型、壳单元计算格式选择、单元划分尺度与方式、沙漏控制技术等四方面展开分析，归纳总结民机结构坠撞分析中的建模原则。（2）典型民机机身结构耐撞性分析与坠撞速度等参数对耐撞性的影响研究对典型民机机身段在可生还坠撞环境下的机体耐撞性进行研究，从机身结构的破坏模式、主要部件的吸能特性和客舱地板的加速度响应三方面详细分析了典型民机机身段的耐撞性。并且进一步建立了简化机身段模型，对机体坠撞速度、乘员质量、滚转角度对耐撞性的影响进行分析。分析表明：客舱地板上部结构完整性较好，下部结构呈三铰式破坏，是主要吸能区域；在坠撞过程中客舱地板下部的框是主要吸能部件，左右座椅–乘员系统过载峰值最高约17g；当机体坠撞初始速度提高，或座椅–乘员系统质量增加时，会造成客舱地板的加速度初始峰值降低，峰值出现时间提前，机腹下部结构压溃行程提高，并产生较高的二次冲击过载峰值；机体滚转角度的增大会对乘员的安全产生不利影响。（3）典型民机机身结构耐撞性设计方案研究提出采用波纹板与Polymer泡沫（ROHACELL-31泡沫）作为机身下部吸能结构的设计方案。分别对波纹板与Polymer泡沫吸能结构的不同布置方式和几何特征对耐撞性的影响进行分析，从而确定了两种吸能结构的最佳设计方案。研究表明：采用波纹板作为吸能部件的设计方案中，将波纹板布置于货舱地板下部隔框与机腹蒙皮之间时，框的破坏模式较稳定，有效降低了客舱地板的初始过载峰值与过载脉宽，能够提高机体耐撞性；将Polymer泡沫布置于机腹隔框下端和蒙皮之间时，泡沫几何特征对机体破坏模式有一定影响，机身下部结构呈三铰或四铰式破坏，适当的泡沫长度对典型民机机身结构的破坏模式较稳定，能够有效降低客舱地板初始过载峰值，对机体耐撞性能有利。（4）民机机身结构耐撞性优化设计方法研究立足于工程需要，提出基于Kriging代理模型对坠撞响应预测，利用非支配排序遗传算法，以过载峰值与吸能大小为优化目标，对关键参数优化，进而由Nash-Pareto策略获得最优方案的民机机身结构耐撞性优化设计方法。文章提出了最大化期望提高与最大化预测方差同步加点作为代理模型的加点准则，对EGO优化算法改进。采用该设计方法，以典型民机机身下部结构为研究对象，对关键部件的几何参数进行优化。通过对最终设计方案耐撞性分析，结果表明：新设计方案的客舱地板的加速度峰值相对均值明显降低，验证了该优化设计方法的有效性。