一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构

本发明涉及航空器吸能结构，具体为一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构。

背景技术：

1、安全是永恒的主题，航空安全是国家战略和国家安全的重要组成部分，而坠撞安全又是航空安全的重要组成部分。航空器飞行事故总是难以完全避免的，严重威胁着机上人员的生命安全。为了提高在应急着陆情况下机上乘员的生存能力，避免乘员受到致命伤害，必须采用合理的设计，使得在航空器坠撞过程中传递给乘员的冲击过载降低到人体耐受极限范围内。航空器地板下部立柱结构较先接触地面，通过地板下部立柱结构的渐进式破坏来吸收大量坠撞冲击能量，其吸收能量的量值将直接影响机身整体结构的坠撞安全。

2、随着复合材料在航空器机身结构中的大量应用，地板下部开剖面立柱结构也普遍采用复合材料，c型立柱元件为地板下部典型的开剖面立柱结构。相比于闭口复合材料立柱结构，开剖面复合材料立柱结构的吸能能力有所下降，在坠撞冲击过程中，其初始峰值载荷过高，且易于发生整体屈曲失稳。同时，开剖面复合材料立柱结构主要通过两端的螺栓继续连接并传递载荷，在该连接处应力集中较为严重。已有的机身框段坠撞试验及数值模拟表明，机身地板下部开剖面复合材料c型立柱元件易发生局部屈曲等不稳定的失效情况，开剖面复合材料c型立柱元件总体吸能较少，没有最大限度发挥吸能作用，必须通过合理的设计来引导开剖面复合材料c型立柱元件产生渐进式破坏和失效，进而提升开剖面复合材料c型立柱元件的吸能能力。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构，解决了螺栓连接的复合材料立柱结构在螺栓孔处会产生较大应力集中问题，以及开剖面复合材料立柱结构在冲击过程中易于发生局部屈曲、脆性断裂、整体失稳等不理想吸能方式的问题。通过帽状连接结构内置的剪切装置可以使得开剖面复合材料立柱结构以稳定的渐进剪切形式失效，增加开剖面复合材料立柱结构在坠撞过程中的吸能量。改进后的连接结构不仅改进了传统的传力路径，而且相比于传统的螺栓连接增大了连接的作用范围，加强了开剖面复合材料立柱结构的轴向稳定性，使得开剖面复合材料立柱结构在坠撞冲击过程中更不易发生失稳现象。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构，包括地板下部横梁，所述地板下部横梁下侧壁通过螺栓与地板下部帽状连接结构固定连接，所述地板下部帽状连接结构包括机身地板下部地板梁连接区、c型立柱元件上端连接区，所述c型立柱元件上端连接区固定连接在c型立柱元件上端，所述c型立柱元件下端设置有机身框帽状连接结构，所述机身框帽状连接结构包括机身框连接区、剪切销、碎片释放区、剪切装置、碎片导向槽、c型立柱元件下端连接区，所述c型立柱元件下端套入c型立柱元件下端连接区内部并通过剪切销固定连接，所述机身框连接区通过螺栓与机身框固定连接，所述机身框下部和长桁均与机身蒙皮固定连接，所述剪切装置设置于机身框帽状连接结构内壁。

3、优选的，所述剪切装置靠近c型立柱元件一端边缘处采用尖角切割结构。

4、优选的，两个所述的c型立柱元件的放置角度范围为0-120°，且对称布置。

5、优选的，所述地板下部帽状连接结构、机身框帽状连接结构的结构强度大于c型立柱元件的结构强度。

6、优选的，所述机身地板下部地板梁连接区为实体结构，c型立柱元件上端连接区为内层与c型立柱元件同尺寸的薄壁空心结构。

7、优选的，所述机身框连接区为实体结构，碎片释放区、c型立柱元件下端连接区为内层与c型立柱元件同尺寸的薄壁空心结构。

8、优选的，所述c型立柱元件采用薄壁空心结构，所述c型立柱元件位于c型立柱元件上端连接区一端设置有内倒角。

9、优选的，所述机身地板下部地板梁连接区与c型立柱元件上端连接区接触区域增设圆角引导布置。

10、优选的，所述c型立柱元件采用纤维增强复合材料结构。

11、工作原理：在民机可生存坠撞过程中，坠撞载荷通过机身框连接端的螺栓连接部位传递到机身框连接区帽状连接结构，再通过帽状连接结构均匀施加给复合材料c型组合立柱。随着载荷的不断增加，c型立柱元件下部对于剪切保护区的作用力提升达到阈值后，剪切销失效断裂，c型立柱元件与剪切装置接触，并被尖角切割结构进行切割，切割的复合材料c型立柱元件碎片通过碎片引导槽进入碎片释放区。通过复合材料c型立柱元件的切割失效，进一步增强结构轴向稳定性，且引导c型立柱元件整体发生渐进失效，吸收大量能量。

12、本发明提供了一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构。具备以下有益效果：

13、本发明在现役民机地板下部立柱结构的原有基础上进行了同尺寸的改进，易于工程实践的应用；与已投入使用的机身地板下部立柱结构相比，改善了地板下部复合材料立柱结构在冲击过程中易于发生局部屈曲、脆性断裂、整体失稳等不理想吸能方式的问题，增强了结构的整体性能与吸能能力。改进后的连接结构不仅改进了传统的传力路径，而且相比于传统的螺栓连接增大了连接的作用范围，加强了复合材料立柱结构的轴向稳定性，使得复合材料立柱结构在坠撞冲击过程中更不易发生失稳现象。

技术特征：

1.一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构，包括地板下部横梁(1)，其特征在于：所述地板下部横梁(1)下侧壁通过螺栓与地板下部帽状连接结构(2)固定连接，所述地板下部帽状连接结构(2)包括机身地板下部地板梁连接区(201)、c型立柱元件上端连接区(202)，所述c型立柱元件上端连接区(202)固定连接在c型立柱元件(3)上端，所述c型立柱元件(3)下端设置有机身框帽状连接结构(4)，所述机身框帽状连接结构(4)包括机身框连接区(401)、剪切销(402)、碎片释放区(403)、剪切装置(404)、碎片导向槽(405)、c型立柱元件下端连接区(406)，所述c型立柱元件(3)下端套入c型立柱元件下端连接区(406)内部并通过剪切销(402)固定连接，所述机身框连接区(401)通过螺栓与机身框(5)固定连接，所述机身框(5)下部和长桁(6)均与机身蒙皮(7)固定连接，所述剪切装置(404)设置于机身框帽状连接结构(4)内壁。

2.根据权利要求1所述的一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构，其特征在于：所述剪切装置(404)靠近c型立柱元件(3)一端边缘处采用尖角切割结构。

3.根据权利要求1所述的一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构，其特征在于：两个所述的c型立柱元件(3)的放置角度范围为0-120°，且对称布置。

4.根据权利要求1所述的一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构，其特征在于：所述地板下部帽状连接结构(2)、机身框帽状连接结构(4)的结构强度大于c型立柱元件(3)的结构强度。

5.根据权利要求1所述的一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构，其特征在于：所述机身地板下部地板梁连接区(201)为实体结构，c型立柱元件上端连接区(202)为内层与c型立柱元件(3)同尺寸的薄壁空心结构。

6.根据权利要求1所述的一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构，其特征在于：所述机身框连接区(401)为实体结构，碎片释放区(403)、c型立柱元件下端连接区(406)为内层与c型立柱元件(3)同尺寸的薄壁空心结构。

7.根据权利要求1所述的一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构，其特征在于：所述c型立柱元件(3)采用薄壁空心结构，所述c型立柱元件(3)位于c型立柱元件上端连接区(202)一端设置有内倒角(8)。

8.根据权利要求7所述的一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构，其特征在于：所述机身地板下部地板梁连接区(201)与c型立柱元件上端连接区(202)接触区域增设圆角引导布置。

9.根据权利要求7所述的一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构，其特征在于：所述c型立柱元件(3)采用纤维增强复合材料结构。

技术总结
本发明提供一种航空器机身地板下部吸能立柱组合结构，涉及航空器吸能结构技术领域。该航空器机身地板下部吸能立柱组合结构，包括地板下部横梁，所述地板下部横梁下侧壁通过螺栓与地板下部帽状连接结构固定连接，所述地板下部帽状连接结构包括机身地板下部地板梁连接区、C型立柱元件上端连接区，所述C型立柱元件上端连接区固定连接在C型立柱元件上端，所述C型立柱元件下端设置有机身框帽状连接结构。通过帽状连接结构内置的剪切销触发装置，改善了原有复合材料C型立柱结构在冲击过程中易于发生局部屈曲、脆性断裂、整体失稳等不理想吸能方式的问题，使得其以稳定的渐进剪切形式失效，增加复合材料C型立柱结构的吸能能力，进而提升机身结构整体抗坠撞性能。

技术研发人员：牟浩蕾,陈英实,解江,冯振宇
受保护的技术使用者：中国民航大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13