CN112373672A - 一种飞机货舱地板下部结构的吸能结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞机货舱地板下部结构的吸能结构，该吸能结构包括中空的管状立柱，管状立柱包括上端部以及沿其纵向延伸方向与上端部相对的下端部。所述管状立柱包括平面状部分和弧形部分。其中，平面状部分被构造成能够在装配时通过紧固件将上端部贴合固定在货舱地板横梁的腹板，将下端部贴合固定在机身框的腹板上，并且所述管状立柱在上端部的连接强度大于在下端部的连接强度。本发明的吸能结构吸能效果良好，且结构简单。

Description

一种飞机货舱地板下部结构的吸能结构

技术领域

本发明涉及飞机吸能结构领域，尤其涉及一种飞机货舱地板下部结构的吸能结构。

背景技术

适坠性，或者抗坠毁性能，是指飞行器结构在坠落时保持乘员周围保护性壳体的完整性以及将施加在乘客身上的加速度最小化的能力。飞机适坠性的提升通常是以减小飞机的有效载荷为代价的，因此采用吸能性能好的轻质材料和缓冲吸能结构是飞机适坠性设计中平衡飞机有效载荷和适坠性的常用设计方法。

近年来，复合材料因其杰出的材料特性被大量应用在飞机机身、翼面等重要部位。与金属材料相比，飞机采用先进的复合材料可以减轻重量、减少零件数量以及装配工时来减少制造费用，还可以提高抗坠毁能力。但复合材料很多都是弹脆性材料，塑性区段较短，这就大大增加了复合材料飞机的适坠性设计难度。

对于复合材料飞机而言，在不考虑起落架的情况下，货舱地板下部支撑结构所处的位置决定了它在坠撞时最有可能先与地面发生接触。货舱地板支撑立柱不仅可以支撑货舱地板，也是货舱下部结构坠撞吸能的关键元件，因而其缓冲吸能能力就成为了机身结构的适坠性设计中非常重要的一部分。

复合材料机身通常为C型复合材料立柱。这种类型的立柱具有制造和装配简单的优点，然而，该类型的立柱的压溃失效方式不可控，无法实现有效的渐进压溃。此外，该类型的立柱在坠撞冲击载荷下很容易出现欧拉失稳断裂，这会导致整个吸能结构的能量吸收能力有限。

为了提高吸能结构的吸能能力，现有技术中设计了各种吸能结构。例如，文献CN108860563A公开了一种涉及一种飞机地板下抗坠撞吸能支柱。该吸能支柱由左右对称的两根复合材料管组成。每根复合材料管的一端通过关节轴承及支座连接飞机地板的横梁，另一端通过关节轴承及接头连接机身框。其中，复合材料管与机身框8的连接端套设内翻连接帽。初始时两根复合材料管分别与竖直方向呈一定角度。在发生坠撞的情况下，复合材料管由内翻连接帽的翻转曲面的作用下内翻而实现缓冲作用。然而，对于该类型的吸能立柱，为了保证在坠撞情况下复合材料管不会穿过内翻连接帽的翻转曲面，翻转曲面需要由抗剪切强度较高且厚度较大的材料制成。这会导致该内翻连接帽的重量较重，同时，该类型的吸能结构的连接结构、装配工艺相对复杂。

文献US8376275B2公开了一种货舱地板下部吸能结构。该吸能结构使用了铺层递减的碳纤维增强复合材料立柱来产生稳定渐进式的压溃失效。然而，该文献中的铺层递减的立柱结构在冲击载荷下，容易在铺层变化的位置处产生断裂，这会导致能量吸收能力大幅减弱。

发明内容

针对吸能结构的上述现状，本发明的目的之一在于提供一种飞机货舱地板下部结构的吸能结构，其具有结构稳定、吸能效果好的特点。

该目的通过本发明以下形式的设备来实现。其中，所述吸能结构包括中空的管状立柱，管状立柱包括上端部以及沿其纵向延伸方向与上端部相对的下端部。所述管状立柱包括沿周向彼此对接的平面状部分和弧形部分。其中，平面状部分被构造成能够在装配时通过紧固件将上端部贴合固定在货舱地板横梁的腹板，将下端部贴合固定在机身框的腹板上，并且所述管状立柱在上端部的附接强度大于在下端部的附接强度。

管状立柱能够通过自身的平面状部分方便地固定在对应的支撑结构的腹板上，管状立柱的连接结构得以明显被简化。管状立柱的这种连接方式还可以有效减轻吸能结构的整体重量。

管状立柱在下端部的附接强度低于在上端部的附接强度，在飞机触地后，管状立柱的下端部的紧固件会首先发生剪切失效。管状立柱的下端部始触及机身框及壁板，保证立柱压溃触发可控。

根据本发明的一种优选实施方式，所述管状立柱的下端面被斜切成斜面，使得所述斜面与所述平面状部分之间的夹角为锐角。

将管状立柱底端通过切角的方法改变了立柱底端结构截面，削弱了立柱底端的强度。管状立柱触地后，管状立柱在轴向压缩过程中能够进入有效的渐进压溃阶段，避免了立柱在较大的坠撞载荷下出现欧拉失稳而直接折断。

根据本发明的一种优选实施方式，所述管状立柱通过第一螺栓与所述货舱地板横梁的腹板侧面连接，并且通过第二螺栓与机身框的腹板侧面连接，所述第二螺栓的结构强度低于所述第一螺栓的结构强度。

根据本发明的一种优选实施方式，所述吸能结构还包括L形支架，其中L形支架包括顶壁、侧壁以及加强筋板，其中所述顶壁和侧壁互成弯折关系，所述顶壁能够贴合于所述货舱地板横梁的顶面，所述侧壁能够贴合于所述管状立柱的平面状部分，所述加强筋板分别连接所述顶壁和侧壁。

根据本发明的一种优选实施方式，穿过管状立柱的上端部的第一螺栓的数量不少于穿过管状立柱的下端部的第二螺栓的数量。

根据本发明的一种优选实施方式，所述管状立柱的顶面形成为与所述平面状部分垂直的平面。

根据本发明的一种优选实施方式，所述管状立柱竖直布置或倾斜布置，且当倾斜布置时，所述管状立柱和竖直方向形成的夹角θ为：0°≤θ≤30°的范围内。

根据本发明的一种优选实施方式，所述管状立柱成对地设置在所述货舱地板横梁和机身框之间，并且成对的管状立柱的顶部在所述货舱地板横梁上彼此紧邻。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选实施方式，可任意组合，即得本发明各较佳实例。通过阅读下列的附图和详细描述本领域技术人员可理解本发明的其他***、方法、特征和优点。目的是所有这种额外的***、方法、特征和优点包括在本说明书中和本发明内容中，且包括在本发明的范围内，并被所附权利要求保护。

附图说明

为了更好地理解本发明的上述及其他目的、特征、优点和功能，可以参考附图中所示的优选实施方式。附图中相同的附图标记指代相同的部件。本领域技术人员应该理解，附图旨在示意性地阐明本发明的优选实施方式，对本发明的范围没有任何限制作用，图中各个部件并非按比例绘制。

图1是根据本发明的优选实施方式的吸能结构的结构示意图。

图2是根据本发明的优选实施方式的吸能结构的上端部的结构示意图。

图3是根据本发明的优选实施方式的吸能结构的部分结构示意图。

具体实施方式

接下来将参照附图详细描述本发明的发明构思。这里所描述的仅仅是根据本发明的优选实施方式，本领域技术人员可以在所述优选实施方式的基础上想到能够实现本发明的其他方式，所述其他方式同样落入本发明的范围。在以下的具体描述中，例如“上”、“下”、“内”、“外”、“纵”、“横”等方向性的术语，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。

参见图1，其示出了用于飞机货舱地板下部结构的吸能结构10。该吸能结构10主要由中空的管状立柱12等组成。管状立柱12具有上端部以及沿其纵向延伸方向与上端部相对的下端部。管状立柱12的上端部固定在货舱地板横梁20的腹板22上，下端部固定在机身框30的腹板上。

机身框30为大致呈圆形构造的环形结构，其构成飞机机身的***框架。机身框30和附接在机身框30***的壁板构成飞机外形的基本构型。货舱地板横梁20大致水平布置，其两端架设在机身框30上。货舱地板横梁20用作货舱的地板支撑结构，其设置在用作乘客舱舱室地板的下方。货舱地板横梁20和机身框30的最底端之间设置如图1之间的吸能结构10，用于在飞机发生坠撞的情况下吸收撞击的能量。

参见图1，管状立柱12的横截面由弧形段部分以及直线段部分组成，也即，管状立柱12由沿周向彼此对接的平面状部分S1和弧形部分S2组成。在装配完毕的状态下，管状立柱12的平面状部分S1通过紧固件分别将上端部贴合固定在货舱地板横梁20的腹板22，将下端部贴合固定在机身框30的腹板上。

在图1、2的实施方式中，管状立柱12的弧形部分S2为半圆柱面部分，也即，在管状立柱12的横截面示意图中，该弧形部分S2展示为半圆形。在飞机发生不同角度的坠撞情况下，半圆形的弧形部分S2可使得吸能结构10具有同等的吸能效果。

可选地，紧固件可以是能够穿过管状立柱12的平面部分以及对应的货舱地板横梁20的腹板22或机身框30的腹板的螺栓(含铆钉)或板材等。对于平板式的板材，该板材的厚度方向被设置成与飞机高度方向一致。紧固件优选地设为便于拆装的螺栓。

根据本公开，管状立柱12在上端部的连接强度大于在下端部的连接强度。管状立柱12在上端部、下端部的不同连接强度可以通过螺栓的数量、螺栓的材质、螺栓的直径等给予调节。例如，在一些实施例中，管状立柱12在上端部的第一螺栓的结构强度高于位于下端部的第二螺栓的结构强度。在另一些实施例中，吸能结构10的第一螺栓数量多于第二螺栓数量，并且第一螺栓的结构强度高于第二螺栓的结构强度。可以理解，在满足管状立柱12在上端部的连接强度大于在下端部的连接强度的前提条件下，第一螺栓、第二螺栓的数量、材质、直径等可以根据安装环境等适当调整。

飞机发生坠撞而冲击地面后，位于管状立柱12下端部的第二螺栓出现剪切破坏或者第二螺栓对应的钉孔附件的机身框30的腹板出现剪切破坏，管状立柱12底部首先撞击到机身下部框以及壁板上。第二螺栓的剪切破坏或者第二螺栓对应的钉孔的切切破坏将为飞机提供一定的缓冲距离，实现吸能效果。

优选地，沿管状立柱12的轴线方向，第一螺栓、第二螺栓各自布置至少两行，用于防止在飞机坠撞的情况下，管状立柱12绕货舱地板横梁20的腹板22转动，从而使得吸能结构10的吸能效果被减弱。例如在管状立柱12的轴线方向上，第一螺栓、第二螺栓被设置为两行，在管状立柱12的横向方向上，第一螺栓、第二螺栓被设置为两列。此时，管状立柱12在上端部、下端部分别通过4个螺栓与对应的机构连接。

进一步参见图1，在一些优选实施方式中，管状立柱12的下端面被斜切成斜面S3，使得斜面S3与平面状部分S1之间的夹角为锐角。该锐角可取自35°-60°范围内的任意角度，例如45°、55°等等。

与管状立柱12的下端面不同的是，管状立柱12的顶面形成为与平面状部分S1垂直的平面，其可以防止管状立柱12的上端在坠撞情况下穿透货舱地板横梁20。

将管状立柱12的底端设置为斜面S3的方式改变了管状立柱12底端结构截面，其可以削弱了管状立柱12底端的强度。管状立柱12触地后，管状立柱12在轴向压缩过程中能够进入有效的渐进压溃阶段，避免了管状立柱12在较大的坠撞载荷下出现欧拉失稳而直接折断。斜面S3和平面状部分S1之间的35°-60°范围锐角可使得管状立柱12在为货舱地板横梁20提供足够的支撑强度的基础上，为吸能结构10提供良好的吸能效果。

管状立柱12可以竖向布置。优选地，管状立柱12被倾斜布置。具体而言，管状立柱12和竖直方向形成的夹角在0°至30°范围内的任意角度，例如10°、15°、30°等等。

管状立柱12成对地设置在货舱地板横梁20和机身框30之间，并且成对的管状立柱12的顶部在货舱地板横梁20上彼此紧邻。成对的管状立柱12形成顶角在货舱横梁地板的三角形结构。成对的管状立柱12优选地设置成相对于飞机的横向对称面彼此对称。

参见图2、3，其中图2示出了吸能结构10的上端部，图3示出了隐去了图2的一个管状立柱12的吸能结构10。在一些实施例中，管状立柱12的上端部通过图2、3所示的L形支架14固定在货舱地板横梁20上。L形支架14具有顶壁15、侧壁16以及加强筋板17。其中，L形支架14的顶壁15和侧壁16互成弯折关系，例如，顶壁15和侧壁16成垂直关系。L形支架14的顶壁15能够贴合于货舱地板横梁20的顶面24，侧壁16能够贴合于管状立柱12的平面状部分S1。加强筋板17被设置在L形支架14的横向两侧，其分别连接顶壁15和侧壁16，用于防止飞机在坠撞情况下L形支架14的顶壁15和侧壁16相对弯折。

安装时，L形支架14的侧壁16被附在管状立柱12的平面状部分S1的内侧面。L形支架14的侧壁16、顶壁15可通过第一螺栓固定在分别附接在货舱地板横梁20的腹板22以及顶面24上。通过L形支架14，吸能结构10的上端面和货舱地板横梁20之间有较大的接触面积，飞机发生坠撞的情况下，管状立柱12穿透货舱地板的风险将被降低。

根据本发明的上述吸能结构10可知，半圆型薄壁管,这种截面形式既提高了立柱的稳定性，使得立柱不易折断，又充分利用了圆管型薄管良好的力学性能和能量吸收特性。与常见的圆型薄壁管不同，半圆型薄壁管的腹板为平板状型面，这便于管状立柱12与货舱地板横梁20以及下部机身框30的连接，因此本发明的吸能结构10具有装配便利，无需额外连接设备的特点。此外，根据本发明的吸能结构10的附件较少且结构简单，因此能够有效的降低货舱下部支撑结构的整体重量。

本发明的保护范围仅由权利要求限定。得益于本发明的教导，本领域技术人员容易认识到可将本发明所公开结构的替代结构作为可行的替代实施方式，并且可将本发明所公开的实施方式进行组合以产生新的实施方式，它们同样落入所附权利要求书的范围内。

附图标记说明：

吸能结构：10。

货舱地板横梁：20。

机身框：30。

管状立柱：12。

L形支架：14。

L形支架的顶壁：15。

L形支架的侧壁：16。

L形支架的加强筋板：17。

货舱地板横梁的腹板：22。

货舱地板横梁的顶面：24。

管状立柱的弧形部分：S1。

管状立柱的平面状部分：S2。

管状立柱的斜面：S3。

Claims (8)

1.一种飞机货舱地板下部结构的吸能结构，所述吸能结构包括中空的管状立柱，管状立柱包括上端部以及沿其纵向延伸方向与上端部相对的下端部，其特征在于，所述管状立柱包括沿周向彼此对接的平面状部分和弧形部分，其中平面状部分被构造成能够在装配时通过紧固件将上端部贴合固定在货舱地板横梁的腹板，将下端部贴合固定在机身框的腹板上，并且

所述管状立柱在上端部的附接强度大于在下端部的附接强度。

2.根据权利要求1所述的吸能结构，其特征在于，所述管状立柱的下端面被斜切成斜面，使得所述斜面与所述平面状部分之间的夹角为锐角。

3.根据权利要求2所述的吸能结构，其特征在于，所述管状立柱通过第一螺栓与所述货舱地板横梁的腹板侧面连接，并且通过第二螺栓与机身框的腹板侧面连接，所述第二螺栓的结构强度低于所述第一螺栓的结构强度。

4.根据权利要求3所述的吸能结构，其特征在于，所述吸能结构还包括L形支架，其中L形支架包括顶壁、侧壁以及加强筋板，其中所述顶壁和侧壁互成弯折关系，所述顶壁能够贴合于所述货舱地板横梁的顶面，所述侧壁能够贴合于所述管状立柱的平面状部分，所述加强筋板分别连接所述顶壁和侧壁。

5.根据权利要求1所述的吸能结构，其特征在于，穿过管状立柱的上端部的第一螺栓的数量不少于穿过管状立柱的下端部的第二螺栓的数量。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的吸能结构，其特征在于，所述管状立柱的顶面形成为与所述平面状部分垂直的平面。

7.根据权利要求6所述的吸能结构，其特征在于，所述管状立柱竖直布置或倾斜布置，且当倾斜布置时，所述管状立柱和竖直方向形成的夹角θ为：0°≤θ≤30°的范围内。

8.根据权利要求7所述的吸能结构，其特征在于，所述管状立柱成对地设置在所述货舱地板横梁和机身框之间，并且成对的管状立柱的顶部在所述货舱地板横梁上彼此紧邻。

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