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通用飞机结构耐撞性分析与设计关键技术研究

何欢  
【摘要】: 通用飞机耐撞性仿真分析与抗坠毁设计技术是飞机设计的重要内容。本文以实际工程研究为背景,以瞬态非线性有限元分析技术为手段,研究了飞机结构耐撞性仿真和设计中的若干关键问题。具体可归纳为如下几点: 1)文章首先讨论了飞机结构坠撞分析建模所涉及到的基本理论和关键技术,总结了飞机结构坠撞试验和仿真分析数据处理方法。 2)引入全局近似模型构造了结构耐撞性优化目标函数、约束函数与设计变量之间的响应面方程,利用遗传算法对响应面进行了优化分析。提出了全局近似模型迭代和优化分析的混合算法,提高了分析效率。 3)引入子结构综合技术对分析模型进行自由度减缩。构造了一种与保留模态加权正交的向量集,通过这组向量集容易实现自由-自由结构的剩余柔度矩阵的计算。在此基础上,结合飞机结构坠撞问题的特点,提出了相应的有阻尼结构的自由界面子结构综合法。文章随后还给出了一种具有普遍意义的实系数解耦变换方法,构造了与这种变换方法相适应的左、右加权正交向量集,并且在此基础上提出了实数域内的有阻尼结构自由界面子结构综合法。给出了与瞬态非线性有限元分析中广泛采用的中心差分计算格式相容的子结构综合方程。算例分析表明,利用本文方法进行结构碰撞分析,能够大幅提高计算效率,也具有很好的计算精度。 4)建立了带油箱的机身框段坠撞分析模型。模型中考虑了燃油与油箱结构的液/固耦合作用。通过仿真分析,揭示了坠撞环境下燃油量对机身各部分结构的坠撞响应和损伤的影响,研究了机身框段各部分结构的能量吸收情况。给出了在应急着陆或可生存坠撞条件下飞行员所应采取的应急措施。 5)开展了50%的Hybrid III型标准假人模型与我国普通乘员体格差异性研究,通过仿真分析算例比较了相同输入条件下不同百分位的Hybrid III型假人模型头部响应数据,评价了50百分位的Hybrid III型标准假人模型的适用性,并给出了相应的建议。 6)为了评价飞机结构抗坠毁性能对乘员的保护作用,建立了带标准假人模型的全机坠撞有限元模型。比较了材料应变率敏感性对分析结果的影响,给出了建立材料模型时所需遵循的准则。利用仿真分析评价了某轻型飞机的抗坠毁性能,找到了不利于乘员生命安全的因素,提出了相应的设计修改方案。利用仿真分析手段,通过比较研究验证了设计修改的可靠性。为仿真分析技术辅助飞机结构抗坠毁设计提供了指导依据。


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