民用飞机机身剖面参数化设计分析.docx

1、民用飞机机身剖面参数化设计分析DesignandAnalysisofCrossSectionofCivilAirciaft曾超徐惠民/ZengChaoXuHuimin(上海飞机设计研究院，上海201210)(ShanghaiAircraftDesignandResearchInstitute,Shanghai201210,China)摘要：民用飞机机身剖面直接决定了飞机的装载能力和乘坐舒适性。首先介绍了民用飞机几种常见的剖面类型,然后应用CATIA通过参数化的设计方法得到了剖面设计中几个重要参数之间的关系,最后设定约束进行优化,得到最优的客舱剖面方案。使用参数化方法进行机身剖面参数设计可以极大

2、地降低工程师的工作量,提高设计效率和质量,缩短设计周期，降低研发成本。关键词:机身剖面;圆弧;剖面周长AbstractThecrosssectionofcivilairplanedirectlydeterminestheloadcapacityandcomfortofpassengers.Thearticleinterviewsmainlytypicaltypesofcivilairplaneatfirst,andthenanalysistherelationshipsofthemajorparametersofcrosssectionbyCATIAapplyingtheparameteriz

3、edesignmethod.Atlast,thearticlesetconstraintsandoptimizethedesignproposal.Thisdesignmethodisagoodwaytoreducetheworkintense,increasedesignefficiency,declinedesigncycleanddecreasedesigncost.KeywordsCrossSectionofFuselage；CircularArcs；PerimeterofCrossSection0引言现代民用客机机身剖面直接决定客舱的旅客乘坐舒适性以及货舱的装载能力。一个好的机身剖面

4、设计可提高机身内部空间利用率、降低飞行阻力、易于加工、降低制造和运营成本,是一架民用客机取得商业成功的基础。空客A330和A340飞机采用了相同的机身剖面设计，即经典的圆形剖面,只是对发动机进行调整，适应了不同航线不同市场的需求，取得了巨大的成功。目前飞机机身剖面的设计方法基本采用AUTOCAD软件进行作图，效率低，无法自动优化。本文介绍一种参数化的设计方法，可自动优化满足约束条件的设计方案,提高设计效率,降低成本,具有很高的工程应用价值。1典型机身剖面介绍客舱段机身剖面设计取决于机身舱内布置，包括客舱布置与货舱布置。大型民用飞机机身设计应遵循“由内向外”的原则，先根据经济舱载客量进行每排座数

5、和过道数安排,再考虑蒙皮的包容。蒙皮对载荷的包容应使机身在空气中的浸润面积最小,并尽可能避免气流过早分离，从而获得最小的机身宽度和最有效的载荷空间。机身剖面一般分为两种，圆形剖面与多圆弧剖面。圆形机身剖面由一个完整的圆构成，见图10具有受力特性好,结构轻，易于加工,生产成本低的优点。该类剖面适合于机身直径较大的飞机，如波音767、波音777.A330/340等均采用该类剖面。但其空间利用率较低。多圆剖面由多段圆弧和与其相协调的光滑过渡曲线组成，见图2,空间利用率高。该类剖面适合于机身直径较小的飞机或具有多层客舱的大型飞机，如MD-82、波音747及未来的超大型客机等。但是，其结构设计及加工性不

6、如圆形剖面好，生产成本较高。A300/A310/A330/A340MD11平线的夹角：A=arctan(D丫/。了)C为上段圆弧圆心距地板高度:4为中段圆弧圆心距上段圆弧圆心的水平距离:Dx2(RRQ&为中段圆弧半径:R)=Dx+R佑为下段圆弧半径:图1圆形机身剖面图2多圆形机身剖面+厂0)2H为剖面高度：(3) 变量参数R为上段圆弧半径(给定)；企为中段圆弧圆心距上段圆弧圆心的垂直距离(给定);(4) 目标参数HC为剖面周长：HC=2(ttR/2+4&+(7T/2-4)R)S为剖面面积：H=nR2/2+AR3+(tt/2-A)R：S.DY2客舱剖面的参数化分析民用飞机机身剖面

7、必须满足机身剖面客舱的内装饰层能包容所有的乘客，主要的设计约束尺寸为客舱过道宽度，座椅宽度，乘客的头顶、肩膀、客舱内饰的最小间隙，以及客舱地板高度；货舱的结构内表面在满足能容纳标准LD3集装箱的同时，满足相关的间隙的要求。本文介绍的参数化设计方法采用三段圆弧构成机身客舱剖面，机身剖面参数如图3所示。上段圆弧半径为R,经过靠近窗户乘客肩部的最外一点(图3中的J点)；下段圆弧半径R3经过集装箱下部的角点(图3中的K点)；中段圆弧半径R2与上、下圆弧相切过渡。截面参数之间的关系如下：(1) 已知参数人、心为靠近窗户乘客肩部最外一点的X、Y坐标(定义)，人=1774.7mm,Jy=1040mm0Kx、

8、Ky为集装箱下角点的X、Y坐标(定义),Kx=781mm,Ky=l397mm0(2) 计算参数A为中段圆弧与下段圆弧切点与圆心连线与水图3机身客舱截面参数(内表面)本文分析当剖面参数变化时，整个剖面周长与面积的变化规律。当剖面上圆弧半径R取某一定值时，剖面的周长HC与面积S的大小与下部两段圆弧比和用的切点角度4有关，若上圆半径R=1850mm时，整个剖面周长HC与面积S随切点角度4的变化的趋势如图4和图5所示。显然，当4变大时周长&C与面积S不断减小，当4为50多度时周长HC与面积S达到最小。1208。1207012060010图4剖面周长与切点关系|二新商12050120400300

9、201116212631364146S15661切点角度（度制而周长与切点关系乂r兰K朗tfiiJ貌与切点的关策图5剖面面积与切点关系(置2FiF«E当剖面下部两段圆弧叫和R2的切点角度4取某一定值时，剖面的周长HC及面积S的大小与上圆弧半径R有关,随着上圆半径R的增大，剖面周长HC与面积S逐渐减小，其变化规律如图6和图7所示。1211012090图6剖面周长与圆弧半径R及切点关系部面局长与上及bMMtS点的关系urn根与切点角欢»urn根与切点角欢»9jannt（jfD图7剖面面积与圆弧半径R及切点关系页尊昌K要使剖面周长减小，应增大上部圆弧的半径R,角4控制在

10、50。左右时最佳。当R不断变大，最后的极限是使整个剖面近似整圆。虽然周长随R的变大而变小，但由于客舱高度的要求，以及客舱内部布置需求的限制，上半圆半径&不能无限变大。客舱高度与剖面上部圆弧R的关系见图9。图8客舱高度与剖面上部圆弧R的关系机身剖面的设计应综合考虑重量、结构、内部布置、气动阻力等多方面的因素，权衡利弊最终取一个合理的满足飞机设计需求的剖面。3机身剖面参数优化利用CATIA的产品工程优化器对图3的机身剖面参数进行优化，首先定义优化参数:上部圆弧半径/?、中部圆弧的夹角4、座舱高度HZC、座舱截面弧长HC。以截面弧长最小为目标函数，以上部圆弧半径R和中部圆弧角度4为自由参数进

11、行优化。在CATIA的产品工程优化器界面中优化类型选Minimization,优化参数选HC,运算法则选“模拟退火算法”，收敛速度选"Fast”，按"Runoptimiza-tion”按钮开始优化。优化后的座舱截面弧长最短,截面形状接近于圆（与前面的结论一致）o在对机身剖面进行约束优化时,在优化对话框中将输入“客舱内饰内侧高度不小于2347mm”的约束条件。在优化类型框中选取Minimization,在优化参数框中选取HC,运算法则选“模拟退火算法”,收敛速度选"Fast”，按"Runoptimization”按钮开始优化。从优化结果可看到，截面弧长最短

12、截面形状与前面用参数分析的结论一致,R=1858.38mm.中段圆弧的角度为50.9。、剖面周长为12014.5mmo（下转第53页）的吸能方式，既可减少结构永久变形位移，又增加了能量吸收的效率，其兼顾了弹性和塑性变形吸能形式的优点，但对间距较近的前后排座椅可能会产生冲撞和回弹的影响。(2)前椅腿上端与前椅管钗接,后椅腿上端与后椅管钗接,支板组件与前、后椅管饺接，形成一个整体框架，有利于控制结构整体向下和向前变形,对确保座椅变形后的合适方位，起很大的作用。座椅吸能运动图示及人椅向前和向下的运动图示见图2、图3。5结论为提高飞机坠机时旅客的生存率,FAA多次颁发民机座椅新的性能标准。目前，最新的

13、标准是TSOC127A及其引用标准SAEAS8049Ao但是，对现行飞机座椅导轨的许用载荷而言，要满足新标准,对新座椅的设计要比9g老座椅更复杂、更细致°高强度、刚性座椅无法满足动态性能的要求，虽然其自身结构能承受16g动载而不损坏，但其传向飞机座椅导轨的载荷却会超过飞机座椅导轨的许用载荷，从而导致座椅导轨断裂。类似弹簧一样的弹性座椅，坠机时座椅有较大的位移，随后，其又可回弹复位，不会侵占旅客出口通道，但座椅的大位移将增加旅客与其他座椅及座舱设施撞击的危险，回弹复位也会增加旅客二次撞击和抽打损伤的可能。兼顾弹、塑性的整体变形吸能座椅的旅客机，只要能有效地控制座椅的变形方位，会是一种较

14、好的吸(上接第48页)如果在开始优化时按SaveOptimizationData选项,则优化结果口J在CompulationsResults选项卡中看到。优化完成后，程序自动将最优结果应用于截面参数中。4结论使用参数化方法进行民用飞机机身剖面设计可大大降低设计者的工作量，提高设计效率与设计水平。工程师只需修改CATIA中参数化模型的儿个参数，如过道宽度、座椅宽度、装饰层厚度、机身能座椅。一个满足安全适航新标准的最佳方案的民机座椅是以主结构塑性变形为主的吸能座椅。其座椅变形形式最好是向前向下平移，而不是旋转或扭转,产生影响应急撤离的方位。在座椅变形位移过程中，其变形载荷恒定的等效于飞机座椅导轨的

15、许用载荷，而使其吸能效率最高，人椅的位移冲程最小。竞争的民机座椅市场，需要一个成本低、重量轻，又能满足适航新标准的安全民机座椅，这是一个理想的目标，座椅设计者应该综合考虑，三者兼顾，但是，始终应该首先满足安全的适航标准。参考文献：1CCAR-25-R3,中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准S.中国民航总局,2001,5.2TSO-C127a.旋翼航空器、运输类K机、正常类和实用类飞机座椅系列技术标准S.3SAEAS8049B,PerformanceStandardforSeatsinCivelRo-trcraft,TransportAircraft,andGeneralAviationAircraft,2005.4jAC25.562-1B.DynamicEvaluationofSeatRestraintSystemsandOccupantProtectiononTransportAirplanes,2006.5SAEARP4101/1