直升机抗坠毁吸能结构设计、分析与优化

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1、中图分类号：V223论文编号：102870117-B039学科分类号：082501博士学位论文直升机抗坠毁吸能结构设计、分析与优化研究生姓名周华志学科、专业飞行器设计研究方向直升机腹部结构抗坠毁设计指导教师王志瑾教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一七年十二月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringDesign，AnalysisandOptimizationoftheAnti-C

2、rashandEnergyAbsorptionSubfloorStructureofHelicopterAThesisinFlightVehicleDesignbyZhouHuazhiAdvisedbyProf.WangZhijinSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyDecember,2017承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外

3、，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要直升机腹部结构不仅是直升机机身结构的组成部分，还是直升机抗坠毁结构的重要组成部分，与起落架系统和座椅一起起到保护乘员及设备安全的作用。在直升机因各种各样的原因坠落时，起落架可能无法及时放出，而直

4、升机客舱中的座椅能够起到的保护作用有限。在这种情况下，直升机腹部结构是最能起到缓冲吸能作用的结构。在直升机抗坠毁结构中使用轻质的具有高吸能能力和缓冲能力的吸能元件，是提升直升机乘员及设备安全性的重要手段。而褶皱芯材夹层板就是一种吸能效率高，缓冲效果好的轻质结构。本文以直升机腹部的节点结构为研究对象，采用褶皱芯材夹层板以及波纹腹板梁，提高了直升机腹部结构的缓冲吸能能力。褶皱芯材夹层板属于夹芯板结构的一种，具有夹芯板结构比强度高、比刚度高、承弯性能好等优点。但其结构复杂，几何参数多，成型时不可避免会出现缺陷。本文根据缺陷形成原因，

5、将褶皱芯材的缺陷分为壁板形状缺陷和壁板局部缺陷两种，并提出了随机节点偏移法来对缺陷进行仿真。在此基础上，建立了褶皱芯材夹层板吸能性能的数值仿真模型，在模型中考虑了褶皱芯材缺陷、材料屈服及屈曲导致的材料非线性、褶皱芯材自接触及与面板接触导致的边界非线性及褶皱芯材自身大变形导致的几何非线性等问题。通过将数值仿真结果与试验结果进行对比，验证了该模型的准确性和可靠性。然后，对褶皱芯材的吸能能力进行了研究。与同材料、同面密度的蜂窝芯材相比，褶皱芯材表现出了更好的缓冲吸能性能。采用褶皱芯材夹层板替换典型节点结构中的蒙皮和地板，设计了褶皱芯

6、材夹层板+交叉薄壁梁型式的节点结构，并对其进行了坠撞仿真研究。经研究发现，褶皱芯材夹层板的采用提升了直升机腹部结构的缓冲吸能性能。为在缓冲吸能性能满足要求的前提下，尽量降低结构质量，需对直升机腹部节点结构进行褶皱芯材夹层板几何参数优化设计。针对多组不同褶皱芯材夹层板几何参数，完成了节点结构的坠撞仿真，并在此基础上建立了节点结构坠撞过程中峰值载荷、参考点速度最大值与各几何参数之间的代理模型。在代理模型精度满足要求的前提下，以结构吸能能力不低于典型节点结构为约束条件，对节点结构中的褶皱芯材夹层板几何参数进行优化，以获得最轻的结构质

7、量。经优化，结构质量下降了11%。在最优褶皱芯材夹层板的前提下，将节点结构中的交叉薄壁梁结构替换为交叉波纹梁结构，进一步降低了节点结构的结构质量，提高了结构的吸能性能。本文中所有结构的建模和分析都使用ABAQUS有限元软件完成。采用Python语言编写了大量的ABAQUS有限元前处理及后处理程序，实现了节点结构的参数化建模和后处理，极大地提高了仿真分析的效率。此外，通过这些程序将modeFRONTIER优化软件与ABAQUS有限i直升机抗坠毁吸能结构设计、分析与优化元软件集成，实现了节点结构的批量建模分析，在此基础上进行了敏感

8、度分析和代理模型的建立，并进行了优化。关键词：褶皱芯材夹层板，抗坠毁结构，缓冲吸能性能，优化设计，波纹腹板梁结构ii南京航空航天大学博士学位论文ABSTRACTThesubfloorstructureofahelicopterisnotonlyapartofthehelico