● 摘要
耐撞性是指飞行器或者其他交通工具在发生事故时，其结构能够以可控的方式来耗散碰撞中的动能，并对乘员提供必要的保护，使其免受伤害的能力。就航空工业而言，随着各类飞机飞行架次的增加，发生坠毁事故的次数也相应的增加了，并导致了乘员伤亡数量的剧增，因此人们对飞行安全防护方面的需求也变得越来越强烈。由于这个问题的重要性，对耐撞性的研究、结构冲击分析以及乘员动态响应研究受到了工业界和学术界的广泛的关注。目前，飞行器结构耐撞性已经成为各类飞机和直升机设计的基本要求之一，起落架、机身和座椅结构必须设计成具有高能量吸收能力的结构，以提高飞行器在硬着陆、软土和水上迫降时的抗坠毁性能。本文中采用实验和数值模拟相结合的方法对飞行器耐撞性相关问题进行了研究，主要贡献有： 1. 进行了直升机乘员/座椅系统的全尺寸的抗坠毁实验。实验在坠毁实验台上进行，通过液压装置产生FAA标准所要求的减加速度脉冲，作用于抗坠毁座椅和FAA 所认可的50百分位Hybrid III航空假人上，从而研究了座椅结构和人体的响应过程，并对座椅性能进行了评定。实验结果表明：座椅结构在坠毁过程中保持完整，翻卷管能量吸收系统正常工作，并耗散了冲击时的动能，假人响应低于人体耐受限，可以认为该型座椅满足相关要求。2. 采用了数值模拟的方法对座椅系统进行了数值模拟，并与实验结果进行比较。在数值模拟中，采用MADYMO软件建立了三维全尺寸座椅/乘员多体动力学模型，并结合非线性动力学有限元分析程序LS-DYNA，对乘员/座椅的抗坠毁实验过程进行了数值模拟。研究重点着重于乘员/座椅系统的动态响应过程，包括乘员的运动（人体的甩动）、与人体耐受限相关的加速度、腰椎载荷以及翻卷管能量吸收特性等。结果表明了数值结果与实验结果符合良好。3. 将实验与仿真相结合，对某改进型飞机水上迫降问题性能进行了研究，重点考察飞机水上迫降的运动过程、压力和加速度的实验数据。根据实验观测，可以将着水过程分为三个典型阶段，比较了静水前重心、静水后重心、波浪情况下的结果，发现波浪情况下压力载荷明显大于另外两种情况；三种情况中，严重载荷集中在机身后部，应当着重考虑。在此基础上，利用MSC.PATRAN/DYTRAN软件平台，建立全机有限元模型，包括全尺寸机身、机翼和尾翼结构，并导入具体参数，对13种工况条件进行了动力学数值仿真计算。预测了飞机撞击水面过程中结构的瞬态应力分布，对飞机机身下部蒙皮进行了强度分析，表明飞机在着水过程中蒙皮不会发生损坏。模型实验和仿真分析结果为该机通过适航审定，取得适航许可证可提供了有力技术支持，并且为该飞机设计水上迫降操作程序提供参考。