（d）垂尾有限元模型
-4-
2006 年 MSC.Software 中国用户论文集
（e） 整机一维单元分布
（f）机身下船体壳单元
图 1 整机有限元模型
图 2 压力边界条件
图 3 机身各部分压力波形图
3 计算结果图
总共计算了13种情况，分别为1种三级波浪情况、6种静水前重心情况与6种静水后重心 情况，见表1。比较了这些工况，三级波浪情况的结果最为严重，图4中给出波浪情况下的计 算结果。
2006 年 MSC.Software 中国用户论文集
客机水上迫降动强度有限元分析
胡大勇
杨嘉陵
王赞平 童亚斌 魏教育
王浩伟
曾毅
西安飞机工业有限责任公司
-1-
2006 年 MSC.Software 中国用户论文集
客机水上迫降动强度有限元分析 Dynamic Finite element analysis for the
2 有限元模型的建立
根据提供的飞机结构图纸，在对结构进行必要简化的基础上，按照1：1的比例建立飞机 结构有限元模型，见图1。整机模型分为机身、机翼和平尾三部分。三个部分的模型情况如 下：机身整体结构尤其是下船体为关心部位，整个机身主要由50个隔框组成，机身框缘、地 板横梁、座椅地轨、转接梁地轨、登机门门框、货舱门门框和应急舱门门框简化为梁单元； 机身长桁、下半框框板上的型材由于惯性矩比较小，承弯扭能力有限，因而简化为杆单元； 蒙皮、框板、腹板简化为壳单元。机翼和平尾部分由于并非关心部位，而且其刚度比较大， 为了降低问题的计算时间，将这两个部分简化为刚体，只保留了它们的外形结构，由壳单元 构成（也可以直接用集中质量单元代替，采用rbe2与机身连接），同时材料属性则采用MSC. DYTRAN软件中的刚体材料，质量和惯性矩分别在材料属性中定义。飞机的电子设备、发动机、 商载、动力系统等，全部根据飞机质量报告，在有限元模型中采用集中质量单元代替，以保 证模型的总重量及重心位置与真实飞机一致。集中质量单元与机身采用刚度较大的杆元进行 连接。整个前处理过程在MSC.PATRAN软件中完成。
48.168
1
30
-10 688.1(ch5)
45.576
1

30
-12 1094.0(ch5)
47.628
1
30
-14 1195. 5(ch5)
49.59
1
30
-12 1087.8(ch6)
47.628
1.83
30
-14 1206.5(ch6)
50.94
1
30
-3 1297.2(ch5)
48.705
ditching of an airplane
胡大勇
杨嘉陵
王赞平 童亚斌 魏教育
王浩伟
曾毅
摘 要: 通过必要的简化在 MSC.PATRAN 中建立全机有限元模型，并导入水上迫降模
型试验数据，采用 MSC.DYTRAN 进行 13 种试验工况条件下的动力学计算。结果显示飞 机下船体蒙皮应力满足强度要求。
表 1 计算载荷情况
工况
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
攻角 °
5.98 6.5 7.972 9.956 9.043 9.995 8.012 9.004 9.995 9.995 9.995
水平速度 下降速度 襟翼角 升降舵 压力峰值
m/s
m/s
°
°
KPa
48.945
1
30
-9 660.3(ch7)
（2） 通过对计算结果的比较可以发现：静水前重心的应力水平高于静水后重心，而三级 波浪情况下的应力水平则高于静水前重心。波浪情况下比静水前重心与后重心情况 下的压力峰值更高，因而导致了在计算中应力水平高于静水前后重心情况。
（3） 三类工况都在机身中部形成较大的应力区，是需要着重关心的部位。 （4） 计算结果中，在集中质量单元与机体的连接部位存在应力集中，但部位在飞机地板
上，不影响对破坏的评估。 （5） 通过试验和仿真的分析，水上迫降发生时，维持一个好的姿态是十分重要的，攻角
在9度左右，获得了比较好结果。但由于试验手段的限制，气动力的变化无法得到， 在有限元模型中没有考虑气动力变化对结果的影响，而气动力却是姿态维持的必要 条件。
-6-
2006 年 MSC.Software 中国用户论文集
-3-
2006 年 MSC.Software 中国用户论文集
材料密度：2.7e +3kg/m3 泊松比：0.3 长度单位为：m m
2.2 边界条件及求解条件设定
(1)外载荷 经过水上迫降试验得到是作用于模型上载荷，需要进行转换得到真机上作 用的载荷。通过MSC.PATRAN的FIELD菜单读入csv后缀名的压力表格数据，并将压力分布到机 身部位，载荷分布见图2，施加的压力载荷波形见图3。
(3)求解设定 求解步长由程序自动算出，有限单元采用单点积分单元，计算过程设定 初始步长约为3.5E-3，最小步长设定为1E-4，最大步长设定为1，单位为毫秒。整个问题的 求解规模在DELL 双CPU至强3.0G主频工作站上为13个小时左右。
（a）整机壳单元分布
（b）机身壳单元构形
（c）机翼及发动机短舱构形
-2-
2006 年 MSC.Software 中国用户论文集
对飞行器硬着陆进行设计的，而对于水上迫降时所起的作用可能十分有限。在飞机硬着陆时， 机身与地面的接触是由点到面逐级接触，载荷集中在下底板部位，缓冲吸能部件在接触过程 中逐级压溃或破坏，其他非吸能部位如机身上部在其后才可能参与接触，这样能够使缓冲吸 能部件发挥最大效能，达到最好的吸能效果，同时能保障乘员有足够的生存空间；而水上迫 降时，飞机与水面接触瞬间就是面载荷，与地面撞击相比，撞击载荷又相对较小，导致常规 的缓冲吸能部件压溃较小，难以发挥效能，同时起落架也无法工作，因而未被吸收的能量很 可能造成机体结构的损坏，因此水上迫降可能导致比地面撞击更严重的伤害，如果造成下船 体蒙皮的破裂，那么水将流入机舱，乘员很难有充足的时间逃离。因此需要对飞行器水上迫 降时的力学特性进行分析，以评估飞行器是否满足强度要求。目前，由于水上迫降项目非常 复杂，涉及多个学科的耦合，研究开展的比较少（见文献 1），几乎没有可供借鉴的经验。 本文采用简单解耦的方法，在水上迫降模型试验成果基础上，利用测得的加速度、压力，对 真实尺寸飞机进行了有限元计算，以校合机身下船体蒙皮的应力是否满足要求。
飞机整机有限元模型的单元总数为26040个，其中壳单元数目为16112个、梁单元数目为 3999个、杆单元数目为5881个、集中质量单元为48个。
2.1 材料与属性
计算中所使用的材料参数如下： 硬铝（LY12）的材料参数：
弹性模量：70GPa 硬化模量：585MPa 屈服应力：300MPa 强度极限：392MPa
关键词: 水上迫降；有限元；模型；蒙皮；飞机；动力学；强度 Abstract The finite element model of an airplane is built by some reasonable
simplification in Msc.patran and the data of pressure and acceleration from the test of model ditching is imported. Thirteen dynamic loadcases are computed by Msc.dytran. The results show the strength of the skin on the bottom of fuselage will not break.
Key words: ditching, finite element, model, skin, airplane, dynamic, strength
1 概述
近海或跨海飞行的飞行器在出现故障时，只能选择水上迫降，此时需要保证两方面因素： 着水姿态与飞行器强度。通过水上迫降的模型试验，可以给出飞行器允许的着水姿态，从而 保证飞行器着水时不出现剧烈的“跳跃”、翻转等情况；在强度方面的指标是：在允许的着 水姿态下，需要保证机身下船体蒙皮不破裂，从而使得机舱内不会进水，可以保证机身能够 漂浮一段时间，为成员的安全撤离赢得时间。目前，飞机、直升机在设计时都进行抗坠毁设 计，在机身下底板处添加吸能缓冲材料如蜂窝泡沫、波纹梁、复合材料圆管等，通过结构的 压溃、破坏等过程达到缓冲吸能的目的，这些技术的采用很大程度上提高了飞机在迫降时的 生存概率。这方面已经开展了大量研究工作，其中包括机身部件如一段机身或者下底板的坠 毁试验以及整机的坠毁试验等，有比较成熟的经验可以借鉴。但是，由于上述技术往往是针
1
30
-4 1163.6(ch5)
46.656
1
30
-5 1133.3(ch6)
46.656
1.5
30
-5 1090.0(ch6)
46.656
1.83
30
-5 1115.7(ch5)
-5-
2006 年 MSC.Software 中国用户论文集
12 9.956 47.628
1.5
海浪波 10.0 47.628
-7-
客机水上迫降动强度有限元分析
作者： 作者单位：
胡大勇， 杨嘉陵， 王赞平， 童亚斌， 魏教育， 王浩伟， 曾毅 西安飞机工业有限责任公司
本文链接：/Conference_6453126.aspx
1
30
-14 1182.5 (ch6)
30
-14 1686.0(ch5)
（a）全机壳单元应力
（b）机身中部应力分布
（c）机身下船体应力
（d）舱门附近应力分布
图 4 三级波浪情况下应力分布