基于MSC飞机运送伤员辅助器材有限元分析(20121217).doc

基于MSC.PATRAN的飞机运送伤员
辅助器材有限元分析
张 印 汤 丽 （军事交通运输研究所）

摘要：根据《中国民用航空规章（第25部）》相关规定，利用MSC.Patran有限元分析软件，对飞机运送伤员辅助器材（单元护理型、单层担架支撑装置、双层担架支撑装置）主体结构以及与机体重要的连接件导轨锁，在五种载荷工况下进行静强度分析，校核其设计强度，结果表明其设计强度满足要求。
关键词： 民用飞机 伤员输送 辅助器材 有限元分析
Finite Element Analysis of Accessorial Equipments for Carring the Wounded by Airliners Based on MSC.PATRAN
Zhang Yin Tang Li (Institute of Military Transportation)

Abstract:According to the design criterias refered to 《CCAR-25》,the static strengths of accessorial equipments (single stretcher-supporting equipment,double layer stretcher -supporting equipment and nursing-type unit) and the track-mounting mechanism applied to fix the accessorial equipments to the seat tracks of the airliner are analyzed under five loads by using the software MSC.PATRAN. Based on the analysis results ,the strengths of the accessorial equipments will be checked , the structures can satisfy the requiment of strength.
Key words:airliner carry the wounded Accessorial Equipment finite element analysis

一、 概述
利用飞机运送伤员具有速度快，机动性强，运输效率高等特点，有利于争取抢救时间、救护伤员，减少伤残率和死亡率，有着其他运输方式不可比拟的优势，因此，利用民用飞机实施伤员运送是目前世界各国实现战时和紧急情况下伤员远距离运送的主要手段。伤员类型总体上可分为坐姿和卧姿伤员，坐姿伤员可直接安置在飞机座椅上，而卧姿伤员即担架伤员，则必须通过辅助器材进行担架的支撑固定。通过初步论证，辅助器材设计为三种型式，单层担架支撑型（见图1）、双层担架支撑型（见图2）和单元护理型（见图3），其中，单元护理型主要用于远程、伤员肢体另有要求以及后送伤员数量少且不需要对飞机进行座椅拆装的情况，这三种型式器材在装机时均通过导轨锁（见图4）与飞机座椅导轨连接固定。

担架

导轨锁
转接轨
支腿
铺框
挂帘支架
铺垫
铺框
支腿
转接轨
导轨锁
支撑管
支撑管

图1 护理单元型器材 图 2单层担架支撑型器材
担架
立柱
铺框
支撑臂
底梁
导轨锁

导轨锁体
锁舌手柄
锁舌
定位销

图 3 双层担架支撑型器材 图 4 导轨锁
二、有限元模型的建立
（一）辅助器材主体结构
从图1~图3可以看出，器材构成比较复杂，为便于对辅助器材的主体结构进行有限元分析，将上述三种器材上相关的辅助结构与部件去掉，如挂帘支架、担架、铺垫、安全带等，其主体结构如下图。

背部支撑杆
腿部支撑杆

图5 护理单元型器材主体结构 图6单层担架支撑型器材主体结构

图7双层担架支撑型器材主体结构
（二）有限元模型的简化
有限元模型简化方法：
a.简化对主体结构强度分析无影响或影响很小的结构
一是将铺框上用于支撑担架的固定支座去掉，二是将铺框与支腿间的支撑管去掉，三是将图5中用于调整折叠铺架位置的背部与腿部支撑杆去掉。
b. 将总成部件之间的销连接简化为刚性连接
在上述三种器材中，部件总成之间均采用插销连接形式，局部结构相对复杂，鉴于对主体结构强度分析影响不大，连接局部均简化刚性连接。
c. 通过载荷置换简化结构
图6与图7中，铺框中间均采用了铺板结构，铺板可沿铺框上设置的轨道滑动，边界条件设置比较困难，为此，将铺板上承受载荷置换到铺框上，将铺板去掉。
（三）有限元模型的建立
通过结构简化后，三种型号器材有限元模型如下：

图8 护理单元型器材有限元模型 图9 单层担架支撑型器材有限元模型

图10 双层担架支撑型器材有限元模型
（四）强度分析工况与状态
1、强度分析工况
根据飞机应急着陆惯性载荷要求[1]，向前极限载荷系数9、向下极限载荷系数8.6、向上极限载荷系数5.4、侧向极限载荷系数4、向后极限载荷系数3。在确定与机体的连接强度时，必须再乘以系数1.33[2]。为全面系统校核器材设计强度，按照不同方向极限载荷系数分为五种工况进行有限元分析，详见表1。
表1 工 况 分 类
工况编号
1
2
3
4
5
载荷方向
向前
向下
向上
侧向
向后
极限载荷系数
9
8.6
5.4
4
3
2、强度分析状态
伤员运输辅助器材在装机时需要满足不同的装机尺寸要求，根据对确定的适用飞机统计分析，飞机座椅导轨安装间距主要为527mm和503mm两种，因此，三种型号器材的装机状态主要为两种。由于三种型号器材在两种装机状态主体结构没有变化，强度分析结果应基本一致，因此，本文仅就安装间距527mm这一装机状态进行有限元分析。
（五）作用载荷
根据《中国民用航空规章（第25部）》，每个座椅、卧铺及其支撑结构，锚固接头，必须按照体重170磅[3]（77kg）的使用者设计，本器材可视同于卧铺，因此，伤员体重确定为77kg，作用载荷可按照确定的强度分析工况施加于铺框上。
（六）边界条件
根据辅助器材在飞机上的实际使用状态，因此，护理单元型器材与单层担架支撑型器材均在转接轨与导轨锁处施加固定约束，双层担架支撑型器材在底梁与导轨锁连接处施加固定约束。
三、有限元分析与结果
（一）单元护理型
1、各工况时应力图（图7-图11）及主要结构件最大应力值（见表2）

图11 工况1应力图 图12 工况2应力图

图13 工况3应力图 图14工况4应力图

图15 工况5应力图
表2 各工况时主要结构件最大应力值（MPa）
工 况
铺框
支腿
支撑管
转接轨
工况1
210
132
73
34
工况2
261
92
67
43
工况3
268
96
71
47
工况4
84
93
75
31
工况5
55
40
19
9
（二）单层担架支撑型
1、各工况时应力图（图12-图16）及主要结构件最大应力值（见表3）

图16工况1应力图 图17 工况2应力图

图18工况3应力图 图19 工况4应力图

图20 工况5应力图）
表3 各工况时主要结构件最大应力值（MPa）
工况
铺框
支腿
支撑管
转接轨
工况1
86
109
40
25
工况2
51
33
17
14
工况3
33
26
19
8
工况4
65
52
32
13
工况5
29
34
13
9

（三） 双层担架支撑型
1、各工况时应力图（图17-图21）及主要结构件最大应力值（见表4）

图21工况1应力图 图22工况2应力图

图23 工况3应力图 图24 工况4应力图

图25 工况5应力图
表4 各工况时主要结构件应力值
工况
铺框
支撑臂
立柱
底梁
工况1
85
61
92
36
工况2
105
127
316
190
工况3
57
94
141
85
工况4
65
78
194
129
工况5
27
21
31
12
四、 主结构强度校核分析
单元护理型、单层担架支撑型和双层担架支撑型器材主结构材料均为2A12-T4，其极限强度应力为σb=425MPa[4]。根据以上计算结果，上述器材的所有主结构部件最大应力均小于材料的强度极限，辅助器材主结构的设计强度满足要求。
五、导轨锁强度校核
单元护理型、单层担架支撑型和双层担架支撑型器材均通过导轨锁与飞机地板导轨连接，三种器材的导轨锁壳体结构尺寸相同，材料均为2A12-T4，σb=425MPa。根据计算结果，双层担架支撑型器材靠近立柱处的导轨锁在安装状态2、工况1时，受力最严重，因此，仅对此导轨锁进行1.33倍最大载荷下的强度校核。
（一）导轨锁锁体
导轨锁锁体应力见图37，最大应力为298MPa，小于材料的强度极限，强度足够。

图37 导轨锁锁体应力图
（二）插销
插销受剪力，P=3875 N。插销直径10mm，材料为30CrMnSi，其强度极限σb=1080MPa[5]，按照材料极限强度的近似关系，扭转疲劳极限τ-1=0.25σb[6], τ-1=270 MPa
τ=×106=66 MPa τ<τ-1 插销强度足够。
六、结论
综上分析，飞机运送伤员辅助器材在各极限状态下的主要结构件强度满足要求，辅助器材与飞机座椅导轨连接的导轨锁强度也满足要求。但从结构优化的角度来看，一些主要结构件在各工况时，其最大应力值范围远低于其材料强度极限σb=425MPa，如单元护理型支腿应力范围40MPa-132 MPa，支撑管19 MPa-73 MPa，转接轨9 MPa-47 MPa，单层担架支撑型铺框29MPa-86 MPa，支腿26MPa-109 MPa，支撑管13 MPa-40 MPa，转接轨8 MPa-25 MPa，双层担架支撑型铺框27MPa-105MPa，支撑臂21MPa-127MPa，底梁12MPa-190MPa，因此，在进行工程设计时，应对结构进一步的优化和校核。

参考文献：
[1] 中国民用航空总局.CCAR-25-R3 运输类飞机适航标准. 中国民航出版社：2001，25.561(b)(3).
[2] 中国民用航空总局.CCAR-25-R3 运输类飞机适航标准.中国民航出版社：2001，25.785(f)(3).
[3] 中国民用航空总局.CCAR-25-R3 运输类飞机适航标准.中国民航出版社：2001，25.785（f）.
[4] 徐灏等.机械设计手册，机械工业出版社，1999：3-341.
[5] 徐灏等.机械设计手册，机械工业出版社，1999：3-95.
[6] 徐灏等.机械设计手册，机械工业出版社，1999：2-47.

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