(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211002085.8 (22)申请日 2022.08.20 (71)申请人 中国民航大 学 地址 300300 天津市东 丽区津北公路2898 号中国民航大 学 (72)发明人 牟浩蕾　冯振宇　解江　 (74)专利代理 机构 广州中粤知识产权代理事务 所(普通合伙) 44752 专利代理师 杨毅宇 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/02(2020.01) G06F 113/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于数值分析的航空器结构适坠性适 航评估方法 (57)摘要 本发明涉及航空器适航技术领域， 且公开了 一种基于数值分析的航空器结构适坠性适航评 估方法， 包括： 利用已有材料的准静态基础力学 性能数据， 初步进行航空器典型机身框段坠撞仿 真分析， 确定坠撞载荷传递路径及机身结构失效 情况， 识别航空器典型机身框段结构中发生失效 的材料及结构， 设计并规划包含不同层级的适坠 性“积木式”试验方案， 覆盖载荷传递路径上的主 要承力结构， 并获取每一层级的试验结果， 本发 明精确预测了机身结构整体动力学响应， 以及压 溃、 弯曲和失效等大变形， 关键结构位置处的应 变和加速度， 反映了假人头部及腰椎承受载荷情 况， 在航空器 设计初期考虑抗坠撞设计可以提升 航空器坠撞后乘员的生存率。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 115374537 A 2022.11.22 CN 115374537 A 1.一种基于数值分析的航空器结构适 坠性适航评估方法， 其特 征在于： 包括以下步骤： S1、 选取航空器典型机身框段， 利用已有材料的准静态基础力学性能数据， 初步进行机 身框段坠撞仿真分析， 并初步确定坠撞载荷传递路径及机身结构失效情况， 识别航空器典 型机身框段结构 中发生失效的材料及结构； 进而规划并设计包含不同层级的适坠性 “积木 式”试验方案： 第一层级为材料级、 第二层级为元件级、 第三层级为连接件级、 第四层级为子 部件级、 第五层级为部件级， 覆盖载荷传递路径上的主要承力结构， 并获取每一层级的试验 结果。 S2、 材料级试验及仿真分析(第一层级)： 进行狗骨试验件准静态及动态拉伸力学试验， 不同缺口试验件准静态拉伸试验， 确定材料应力－应变曲线， 对材料属性进行表征， 并确定 材料本构及失效模型参数， 建立与第一层级试验状态相同的材料级有限元模型， 并利用第 一层级试验结果对有限元模型进 行修正， 进 行不同紧固件在不同加载角度下的准静态及动 态力学性能试验， 确定紧固件失效判据， 通过第四强度 理论准则， 建立紧固件有限元模型， 并利用第一层级试验结果对有限元模型进行修 正； S3、 元件级试验及仿真分析(第二层级)： 进行货舱地板下部立柱结构压缩试验、 客舱地 板下部立柱结构 压缩试验、 机身框三点弯曲试验、 货舱地板横梁三点弯曲试验， 确定元件失 效模式、 载荷特性及吸能能力， 并利用第一层级 试验验证的材料本构及失效模型， 建立与第 二层级试验状态相同的元件级有限元模型， 并利用第二层级 试验结果和不确定性分析对有 限元模型进行 校准与修 正； S4、 连接件级试验及仿真分析(第三层级)： 进行单搭接/双搭接拉伸失效试验、 拉伸试 验、 L型剥离试验， 以及考虑不同紧固件种类和数量的搭接试验件拉伸失效试验， 确定某些 细节设计特征 的失效模式， 并利用第一层级试验验证的材料本构、 失效模型以及紧固件失 效判据， 建立与第三层级试验状态相同的连接件级有限元模型， 并利用第三层级试验结果 对有限元模型进行 校准与修 正； S5、 子部件级试验及仿真分析(第四层级)： 进行航空器货舱地板下部结构冲击试验， 确 定结构吸能能力、 失效顺序和失效模式， 利用前三层级 试验验证的材料本构、 失效模型以及 紧固件失效判据， 建立与第四层级试验状态相同的子部件级有限元模型， 并利用第四层级 试验结果对有限元模型进行 校准与修 正； S6、 部件级试验及仿真分析(第五层级)： 进行航空器客舱地板下部结构坠撞试验， 利用 前四层级试验验证的材料本构、 失效模型以及紧固件失效判据， 建立与第 五层级试验状态 相同的部件级有限元模型， 并利用第 五层级试验结果对有限元模型确认与验证； 如无法进 行航空器客舱地板下部结构坠撞试验， 也可利用前四层级试验验证的材料本构、 失效模型 以及紧固件失效判据， 间接验证机身框段有限元模型。 S7、 基于验证的机身框段有限元模型， 建立完整的乘员－座椅－机身段坠撞分析有限 元模型， 考虑不同坠撞速度、 坠撞姿态、 坠撞环境， 进 行不同工况下的机身框段坠撞仿 真， 对 结构和乘员伤害进行分析和评估， 进而实现基于数值分析的航空器结构适坠性分析与评 估。 2.根据权利要求1的一种基于数值分析的航空器结构适坠性适航评估方法， 其特征在 于： 所述“积木式”试验方案包括五个层级的验证， 即试样级模型验证、 元件级模型验证、 连 接件级模型验证、 子 部件级模型验证、 部件级/整机模型验证。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115374537 A 23.根据权利要求1的一种基于数值分析的航空器结构适坠性适航评估方法， 其特征在 于： 所述材料级有限元模型采用全积分Belytschko ‑Tsay壳单元， 采用Hartley ‑Srinivasan 本构模型及Johnson ‑Cook本构模型， 通过材料真实应力－真实应变曲线进行本构表征； 所 述材料级有限元模 型采用Johnson ‑Cook失效模型及GISSMO损伤模 型， 基于材料在不同应力 状态下的失效特征， 进行不同失效模型在 复杂应力状态下 的材料失效仿真对比， 进而建立 一套精准的材 料本构及失效模型。 4.根据权利要求1的一种基于数值分析的航空器结构适坠性适航评估方法， 其特征在 于： 所述对铆钉等紧 固件采用8六面体簇的实体单 元建模， 并采用基于力的失效准则， 如下： T( α )＝Fcosα， N( α )＝Fsinα， T( α )和 N( α )分别为沿拉伸方向的分量和沿剪切方向的分 量， 即为最大拉伸载荷和最大剪切载荷， F为紧固件在拉伸过程中的实际载荷， α为加载角 度， 即拉伸方 向与钉杆之间的夹角， T( α )和N( α )。 a和b的值可以根据30度复合加载、 45度复 合加载、 60度复合加载试验数据通过数值拟合得到。 根据试验结果得到的失效面和失效面 参数， R2值接近1， 该回归方程效果显著， a和b值 为2。 当基于拉伸载荷和剪切载荷计算得到的失效准则大于1， 则模拟紧固件的实体单元发 生失效。 与传统梁单元相比， 采用8六面体簇的实体单元的仿 真失效载荷与试验 结果吻合较 好， 仿真精度较高。 5.根据权利要求1的一种基于数值分析的航空器结构适坠性适航评估方法， 其特征在 于： 所述元件级模 型采用全积分Belytschko ‑Tsay壳单元建模， 对比分析不同材料本构和失 效模型的仿真准确 性及适用性， 结合元件级结构冲击响应及失效结果， 对建立的材料与失 效模型进行修 正。 6.根据权利要求1的一种基于数值分析的航空器结构适坠性适航评估方法， 其特征在 于： 所述连接件级模型的母材采用全积分Belytschko ‑Tsay壳单元建模， 紧固件采用8六面 体簇的实体单元建模， 基于验证的材料本构和失效模型以及采用峰值载荷的失效判据， 对 紧固件连接结构进行仿真分析， 通过对失效载荷等结果进行对比验证， 验证和修正材料本 构、 失效模型以及紧 固件失效判据。 7.根据权利要求1的一种基于数值分析的航空器结构适坠性适航评估方法， 其特征在 于： 所述子部件级或部件级模型采用全积分Belytschko ‑Tsay壳单元建模， 紧固件采用8六 面体簇的实体单元建模， 基于验证的材料本构和失效模型以及采用峰值载荷的失效判据， 对子部件级或部件级进 行仿真分析， 通过对变形模式、 冲击载荷、 加速度等结果进 行对比验 证， 验证和修 正材料本构、 失效模型以及紧 固件失效判据。 8.根据权利要求1的一种基于数值分析的航空器结构适坠性适航评估方法， 其特征在 于： 所述部件级模型包括乘员－座椅/约束系统， 建立完整的乘员－座椅－机身段坠撞分析 有限元模型， 通过进行坠撞仿真分析， 对比机身结构变形模式、 乘员假人的运动姿态、 乘员 假人头部及腰椎承受载荷等进 行模型修正， 进行不同土壤地面、 水面等工况下的坠撞仿 真， 实现对机身结构坠撞响应和乘员伤害的分析及评估。 9.根据权利要求1的一种基于数值分析的航空器结构适坠性适航评估方法， 其特征在 于： 所述仿真结果与试验结果的相关性分析采用曲线的峰值误差、 幅值误差、 相位误差、 形权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115374537 A 3