一种飞机客舱地板立柱

1.本发明提供了一种飞机客舱地板立柱，用于支撑大型民用飞机客舱地板，属于防撞吸能结构制造技术领域。


背景技术：

2.作为飞机中支撑连接和坠撞失事中起防护作用的主要元件，大型民用飞机客舱地板立柱一般与客舱地板横梁、机身框架采用固定的连接结构相连接。在飞行过程中，客舱地板立柱能够保证不增加自身整体质量的前提下支撑客舱的主要重量；在坠撞过程中，客舱地板立柱能够承担主要的吸能作用，将飞机坠撞的动能转化为其局部区域的塑性变形能，使人身、财物的损伤最小化。
3.大型民用飞机结构设计需要面对飞机的快速降落与坠撞等问题，因为这些问题可能会严重威胁人身安全、造成货物与财产的损失。大型民用飞机客舱地板立柱在撞击条件下的失效破坏与吸能特性是深入理解飞机结构适坠性或耐撞性的关键。
4.通常用以下几个指标来评判大型民用飞机客舱立柱的设计性能：
5.1、不削弱初始峰值载荷，以保证在正常飞行过程中能够对飞机客舱地板起到支撑作用；
6.2、不增加立柱的整体质量，以满足飞机整体轻量化设计要求；
7.3、具有较高的吸能性能和稳定的变形模式，以保证飞机在受到冲击载荷时最大程度上减少对人体造成的伤害。
8.除去上述标准外还需满足实际要求，例如，制作加工工艺流程简单，不采用焊接工艺，能够保证结构使用稳定性。
9.常见的大型民用飞机客舱地板立柱的结构为横截面为c型或卷边c型的金属立柱，通过其初始结构提供飞机客舱地板所需的支撑作用，并通过在冲击过程中的立柱结构变形对冲击能量进行吸收、耗散。
10.当前传统客舱地板立柱的结构能够满足飞机正常飞行过程中的基本需求，如对客舱地板的支撑作用和飞机轻量化设计要求，但对于飞机在坠撞冲击过程中的能量吸收性能要求却难以满足，原因如下：
11.目前的飞机客舱地板立柱在受到撞击时，能量吸收较差，变形过程不稳定，无法为人体带来可靠的安全保障。
12.由于现有的客机客舱地板立柱大多为横截面为c型或卷边c型的细长结构，虽然其能够为客舱地板提供一定支撑强度的作用，但在冲击载荷作用下变形极其不稳定(因为细长结构在受压力载荷作用且当压力载荷达到一定值时，细长结构会突然在某一处位置弯曲而导致整体结构被破坏)，吸能效果差，影响了客舱地板立柱的实际需求性。
13.因此，需要提出一种可设计性较强，加工成本较为合理，同时具有良好能量吸收性能的立柱结构，在实现对客舱地板提供支撑作用外，能够在客机坠撞冲击过程中吸收更多的冲击能量，保证人身和财产安全。


技术实现要素：

14.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种飞机客舱地板立柱，用于支撑飞机的客舱地板，并在减轻自身总体质量的前提下，加强对客舱地板的支撑作用，并且能够大幅度的提升能量吸收性能，为大型民用飞机提供更为可靠的安全保障。
15.本发明是通过以下技术方案实现的：
16.本发明提供了一种飞机客舱地板立柱，所述飞机客舱地板立柱为横截面形状为工字型的工字型立柱，其包括：腹板和对称设置在腹板两侧的翼缘；所述腹板和翼缘的长度方向平行；
17.所述工字型立柱的上端为上连接段，下端为下连接段；所述工字型立柱上位于上连接段、下连接段之间的部分为能量吸收段；
18.在所述能量吸收段上有裁剪设计。
19.本发明的进一步改进在于：
20.所述腹板上位于上连接段、下连接段之间的部分为腹板能量吸收段；
21.在所述腹板能量吸收段上有裁剪设计，即在腹板能量吸收段上开有减重孔。
22.优选的，所述减重孔包括：长条孔、细长孔、圆形孔，或者矩形孔。
23.本发明的进一步改进在于：
24.每个所述翼缘上位于上连接段、下连接段之间的部分为翼缘能量吸收段；
25.在每个翼缘的翼缘能量吸收段上有裁剪设计，即在每个翼缘的翼缘能量吸收段上设置有裁剪部。
26.优选的，所述裁剪部包括：u型裁剪部、阶梯型裁剪部、半圆形剪裁部，或者三角形裁剪部。
27.本发明的进一步改进在于：
28.在所述腹板的腹板能量吸收段的上部开有多个长条孔，在所述腹板能量吸收段的下部开有细长孔；
29.在每个所述翼缘的翼缘能量吸收段的下部的一侧设置有u型裁剪部，另一侧设置有三角形裁剪部；
30.两个翼缘的翼缘能量吸收段的形状、尺寸是完全相同的，且两个翼缘上的u型剪裁部相对，两个翼缘上的三角形裁剪部相对。
31.本发明的进一步改进在于：
32.在所述腹板的腹板能量吸收段的下部开有细长孔；
33.在每个所述翼缘的翼缘能量吸收段的下部的一侧设置有阶梯型裁剪部；
34.两个翼缘的翼缘能量吸收段的形状、尺寸是完全相同的，且两个翼缘上的阶梯型裁剪部相对。
35.本发明的进一步改进在于：
36.在所述腹板的腹板能量吸收段的上部开有多个长条孔，在所述腹板的腹板能量吸收段的下部开有细长孔；
37.在每个所述翼缘的翼缘能量吸收段的下部的一侧设置有三角形裁剪部，另另一侧设置有半圆形裁剪部；
38.两个翼缘的翼缘能量吸收段的形状、尺寸是完全相同的，且两个翼缘上的三角形
剪裁部相对，两个翼缘上的半圆形裁剪部相对。
39.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
40.本发明采用航空金属材料制成工字型立柱，经过合理的设计及优化对工字型立柱的能量吸收段的腹板以翼缘进行不同形式的裁剪设计，更易引导工字型立柱在压溃载荷下逐级发生渐进变形，并在保证立柱结构发生逐级渐进变形、吸收较大坠撞能量的同时，能够最大限度减少结构重量，减少航空燃油的使用。而且利用本发明时不需要对原有客舱地板连接结构进行改进设计。
41.附图及附图说明
42.图1为本发明飞机客舱地板立柱与飞机客舱地板横梁、客舱机身框架连接的结构示意图。
43.图2(a)为本发明实施例一的工字型立柱成型后的结构示意图。
44.图2(b)为本发明实施例一的工字型立柱中的腹板的结构示意图。
45.图2(c)为本发明实施例一的工字型立柱中的两个翼缘的结构示意图。
46.图2(d)为本发明实施例一的工字型立柱的俯视结构示意图。
47.图3(a)为本发明实施例二的工字型立柱成型后的结构示意图。
48.图3(b)为本发明实施例二的工字型立柱中的腹板的结构示意图。
49.图3(c)为本发明实施例二的工字型立柱中的两个翼缘的结构示意图。
50.图3(d)为本发明实施例二的工字型立柱的俯视结构示意图。
51.图4(a)为本发明实施例三的工字型立柱成型后的结构示意图。
52.图4(b)为本发明实施例三的工字型立柱中的腹板的结构示意图。
53.图4(c)为本发明实施例三的工字型立柱中的两个翼缘的结构示意图。
54.图4(d)为本发明实施例三的工字型立柱的俯视结构示意图。
55.图5为本发明实施例一的工字型立柱与传统客舱地板立柱结构载荷位移曲线对比示意图。
56.图6为本发明实施例二的工字型立柱与传统客舱地板立柱结构载荷位移曲线对比示意图。
57.图7为本发明实施例三的工字型立柱与传统客舱地板立柱结构载荷位移曲线对比示意图。
具体实施方式
58.下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
59.下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，另外，在以下的实施方式中记载的各结构的形态只不过是例示，本发明所涉及的用于飞机客舱地板立柱结构并不限定于在以下的实施方式中记载的各结构，在本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式都属于本发明保护的范围。
60.为更好地满足飞机设计中对大型民用飞机客舱地板立柱的要求，在减轻立柱结构整体质量的前提下、不降低对客舱地板的支撑作用，提高飞机客舱地板立柱的吸能性，本发明提供了一种具有高吸能性能和稳定变形过程的飞机客舱地板立柱。所述飞机客舱地板立柱为横截面形状为工字型的工字型立柱，其包括腹板和对称设置在腹板两侧的2个翼缘，腹
板和翼缘的长度方向平行。所述工字型立柱的上端为上连接段2，上连接段2能够通过螺栓连接或铆接等机械连接方式与飞机客舱地板横梁1连接，所述工字型立柱的下端为下连接段3，下连接段3能够通过螺栓连接或铆接等机械连接方式与客舱机身框架4连接。工字型立柱上位于上连接段2、下连接段3之间的部分为能量吸收段101，在能量吸收段101上有裁剪设计。
61.具体的，腹板上位于上连接段2、下连接段3之间的部分为腹板能量吸收段，两个翼缘上位于上连接段2、下连接段3之间的部分为翼缘能量吸收段。在所述腹板能量吸收段、翼缘能量吸收段上均引入裁剪设计，所述裁剪设计是指在腹板能量吸收段上开有减重孔，在每个翼缘的翼缘能量吸收段上设置有不同形状、尺寸的裁剪部。例如，可以在腹板能量吸收段的不同位置处引入不同形状的减重孔，例如长条孔、细长孔、圆形孔和矩形孔等。可以在两个翼缘能量吸收段的不同位置处引入不同形状的裁剪部，例如u型裁剪部、阶梯型裁剪部和半圆形及三角形等裁剪部。
62.两个翼缘、腹板上位于上连接段2、下连接段3的部分只做连接作用，对该部分不进行裁剪设计，该部分的具体形状可以根据实际需要进行设计，在图2到图4所示的实施例中，两个翼缘上位于上连接段2的部分的形状为三角形、腹板上位于上连接段2的部分的形状为长方形，两个翼缘上位于下连接段3的部分的形状为三角形、腹板上位于下连接段3的部分的形状为梯形。
63.本发明通过对立柱的两个翼缘与腹板进行裁剪设计，制作出不同形状的立柱结构，使得减少客舱地板立柱质量的同时满足了对客舱地板的支撑作用，并能保证在压溃载荷下立柱结构能够发生稳定的渐进变形且吸收更多的能量。
64.以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
65.实施例一：
66.如图2(a)到图2(d)所示，本实施例提供的飞机客舱地板立柱包括：腹板5和对称设置在腹板5两侧的翼缘6，在所述的工字型立柱腹板5的腹板能量吸收段的上部开有多个长条孔501，在所述腹板5的腹板能量吸收段的下部开有细长孔502，长条孔501和细长孔502均为减重孔，细长孔的宽度小于长条孔的宽度；同时，在每个所述翼缘6的翼缘能量吸收段的下部的一侧设置有u型裁剪部601，另一侧设置有三角形裁剪部602，即在每个翼缘6的翼缘能量吸收段的下部的两侧分别去除材料，进而剪裁出一个u型缺口和一个三角形缺口。
67.图2(b)显示了在腹板5的腹板能量吸收段上开有细长孔和长条孔后的形状。图2(c)显示了在两个翼缘的翼缘能量吸收段引入u型裁剪部、三角形裁剪部后的形状，两个翼缘上的u型裁剪部、三角形裁剪部的尺寸、位置和形状分别保持相同，即引入裁剪设计后的两个翼缘的翼缘能量吸收段的形状、尺寸是完全相同的，当两个翼缘对称设置在腹板的两侧后，两个翼缘上的u型剪裁部相对，两个翼缘上的三角形裁剪部相对。图2(d)显示了飞机客舱地板立柱的俯视图。实际生产时，可以将引入裁剪设计的两个翼缘和腹板通过锻压加工一体成型等加工工艺进行加工形成如图2(a)所示的飞机客舱地板立柱。
68.实施例二：
69.如图3(a)到图3(d)所示,本实施例提供的飞机客舱地板立柱包括：腹板7和对称设置在腹板7两侧的翼缘8，在腹板7的腹板能量吸收段的下部开有细长孔701；同时，在每个翼缘8的翼缘能量吸收段的下部的一侧设置有阶梯型裁剪部801。即在每个翼缘6的翼缘能量
吸收段的下部的一侧去除材料，进而剪裁出一个阶梯型缺口。两个翼缘上的阶梯型裁剪部的尺寸、位置和形状分别保持相同，即引入裁剪设计后的两个翼缘的翼缘能量吸收段的形状、尺寸是完全相同的，当两个翼缘对称设置在腹板的两侧后，两个翼缘上的阶梯型裁剪部相对。
70.本实施例采用锻压加工工艺生产，即该立柱结构由裁剪设计后的翼缘和腹板进行一体成型。工字型立柱采用的是整体化的设计理念，在工字型立柱的两个翼缘与腹板中，分别引入不同的几何裁剪设计。图3(b)显示了在腹板7的下部开有细长孔701。图3(c)显示了在两个翼缘的下部的一侧进行阶梯型裁剪去除材料后形成的阶梯型裁剪部801。阶梯型裁剪部801在两个翼缘上的尺寸，形状不必相同。图3(d)显示了飞机客舱地板立柱的俯视图。将裁剪设计后的两个翼缘和腹板通过一体成型加工工艺即可形成如图3(a)所示的飞机客舱地板立柱。
71.实施例三：
72.如图4(a)到图4(d)所示，本实施例提供的飞机客舱地板立柱包括：腹板9和对称设置在腹板9两侧的翼缘10，在所述腹板9的腹板能量吸收段的上部开有多个长条孔901，在所述腹板9的腹板能量吸收段的下部开有细长孔902；同时，在两个所述翼缘10的翼缘能量吸收段的下部的一侧设置有三角形裁剪部1001，另一侧设置有半圆形裁剪部1002。即在每个翼缘6的翼缘能量吸收段的下部的两侧分别去除材料，进而剪裁出一个三角形缺口和一个半圆型缺口。
73.图4(b)显示了引入长条孔和细长孔裁剪设计后腹板的形状。图4(c)显示了引入三角形和半圆形裁剪设计后两个翼缘的形状。两个翼缘上的三角形裁剪部、半圆形裁剪部的尺寸、位置和形状分别保持相同，即引入裁剪设计后的两个翼缘的翼缘能量吸收段的形状、尺寸是完全相同的，当两个翼缘对称设置在腹板的两侧后，两个翼缘上的三角形剪裁部相对，两个翼缘上的半圆形裁剪部相对。图4(d)显示了飞机客舱地板立柱的俯视图。将裁剪设计后的两个翼缘和腹板通过一体成型加工工艺即可形成如图4(a)所示的飞机客舱地板立柱。
74.本实施例采用锻压加工工艺生产，即该立柱结构由裁剪设计形状后的翼缘和腹板进行一体成型。
75.实际生产时，可以通过切削加工实现在两个翼缘与腹板引入裁剪设计，或者通过增材制造加工方法将所述飞机客舱地板立柱一体成型，具体如下：
76.在加工工艺上，本发明飞机客舱地板立柱主要使用整体锻压加工工艺，首先加工具有不同裁剪设计的锻压模具，然后通过挤压成型的工艺获得具有对应不同裁剪设计的飞机客舱地板立柱结构。在工业生产中此方法成本低廉，且加工效率较高，满足批量生产，加工制作的结构性能稳定。
77.基于可设计性较强的特点，本发明飞机客舱地板立柱的第二种加工方法是：采用数控加工的方式，根据设计的飞机客舱地板立柱的结构借助数控加工工艺引入不同形状的裁剪设计并进行切削加工，最终成型。
78.本发明飞机客舱地板立柱的第三种加工方法是：采用较为先进的增材制造技术，进行金属粉末铺层，但是目前此技术不够成熟，消耗成本较高，花费时间较长。
79.本发明飞机客舱地板立柱的第四种加工方法是：分别对将飞机客舱地板立柱中的
腹板和两个翼缘，借助机械加工工艺引入不同的裁剪设计后，将引入裁剪设计形状加工后的腹板与两个翼缘进行焊接，最终获得所需要的飞机客舱地板立柱。需要说明的是：通过焊接工艺能够获得本发明的飞机客舱地板立柱，但是在航空领域中，因为焊接加工稳定性较差，焊接工艺目前不被采用。
80.图5、图6、图7分别给出了实施例一、实施例二、实施例三中的飞机客舱地板立柱与传统飞机客舱地板立柱的性能比较图。从图5、图6、图7可以看出，引入裁剪设计后的飞机客舱地板立柱的峰值载荷较传统客舱地板立柱的峰值载荷略高或几乎不变，说明本发明引入裁剪设计后对客舱地板的支撑作用并没有削弱；此外，引入裁剪设计后的飞机客舱地板立柱在破坏过程中的平均载荷较传统客舱地板立柱有大幅度的提升，因此本发明大大改善了传统客舱地板立柱在破坏过程中的吸能效果。
81.为了更直观，表1给出了本发明在不改变结构整体质量的前提下，引入裁剪设计后的实施例一到实施例三与传统客舱地板立柱的峰值力和能量吸收水平以及质量的对比结果。
[0082][0083]
表1
[0084]
从表1中的峰值力可以看出，本发明三个实施例中的立柱结构的峰值力均略高于传统客舱地板立柱结构的峰值力，或者与初始客舱地板立柱的峰值力几乎相同。从表1中的能量吸收可以看出，本发明三个实施例中的立柱结构均比传统客舱地板立柱结构的能量吸收有极大幅度的提升，其中最大吸能水平比传统客舱地板立柱结构提升了9倍。另外，从表1中的质量可以看出，本发明整体的立柱结构的质量并没有明显的变化，与传统立柱的质量保持一致。
[0085]
在受到载荷时，本发明是从两个翼缘上裁剪部的引入位置处开始发生渐进式压溃变形，在发生渐进式压溃变形的过程中，本发明装置能够在变形位置区域生成更多的塑性变形，吸收更多的能量，进而大大提高了吸能性能。
[0086]
本发明采用航空金属材料制成工字型立柱，并经过合理的设计及优化对飞机客舱地板立柱上的非连接区域处的腹板以及翼缘进行不同形式的裁剪设计，去除多余的材料，减少了飞机客舱地板立柱的质量，在实现客舱地板立柱结构功能的同时满足了支撑作用、高平均力的需求。而且，本发明的裁剪设计便于切割加工，整个结构可通过整体锻压成型后，再进行切割成型，加工工艺相对简单，极大降低了加工成本，且加工精度得到提高。本发明的飞机客舱地板立柱可以满足大型民用飞机的实际需求，并且在发生坠撞过程中，飞机客舱地板立柱上的裁剪设计更易引导立柱在压溃载荷下逐级发生渐进变形，即能够发生能量吸收性能较好的渐进压溃变形，而非传统飞机客气地板立柱的屈曲变形，并在保证立柱结构发生逐级渐进变形、吸收较大坠撞能量的同时，能够最大限度减少结构重量，减少航空燃油的使用；且本发明基于现存的飞机客舱地板连接结构进行改进设计，不需对原有客舱地板连接结构进行改进设计。
[0087]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0088]
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0089]
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的技术方案，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。

技术特征：
1.一种飞机客舱地板立柱，其特征在于：所述飞机客舱地板立柱为横截面形状为工字型的工字型立柱，其包括：腹板和对称设置在腹板两侧的翼缘；所述腹板和翼缘的长度方向平行；所述工字型立柱的上端为上连接段，下端为下连接段；所述工字型立柱上位于上连接段、下连接段之间的部分为能量吸收段；在所述能量吸收段上有裁剪设计。2.根据权利要求1所述的飞机客舱地板立柱，其特征在于：所述腹板上位于上连接段、下连接段之间的部分为腹板能量吸收段；在所述腹板能量吸收段上有裁剪设计，即在腹板能量吸收段上开有减重孔。3.根据权利要求2所述的飞机客舱地板立柱，其特征在于：所述减重孔包括：长条孔、细长孔、圆形孔，或者矩形孔。4.根据权利要求3所述的飞机客舱地板立柱，其特征在于：每个所述翼缘上位于上连接段、下连接段之间的部分为翼缘能量吸收段；在每个翼缘的翼缘能量吸收段上有裁剪设计，即在每个翼缘的翼缘能量吸收段上设置有裁剪部。5.根据权利要求4所述的飞机客舱地板立柱，其特征在于：所述裁剪部包括：u型裁剪部、阶梯型裁剪部、半圆形剪裁部，或者三角形裁剪部。6.根据权利要求5所述的飞机客舱地板立柱，其特征在于：在所述腹板的腹板能量吸收段的上部开有多个长条孔，在所述腹板能量吸收段的下部开有细长孔；在每个所述翼缘的翼缘能量吸收段的下部的一侧设置有u型裁剪部，另一侧设置有三角形裁剪部；两个翼缘的翼缘能量吸收段的形状、尺寸是完全相同的，且两个翼缘上的u型剪裁部相对，两个翼缘上的三角形裁剪部相对。7.根据权利要求5所述的飞机客舱地板立柱，其特征在于：在所述腹板的腹板能量吸收段的下部开有细长孔；在每个所述翼缘的翼缘能量吸收段的下部的一侧设置有阶梯型裁剪部；两个翼缘的翼缘能量吸收段的形状、尺寸是完全相同的，且两个翼缘上的阶梯型裁剪部相对。8.根据权利要求5所述的飞机客舱地板立柱，其特征在于：在所述腹板的腹板能量吸收段的上部开有多个长条孔，在所述腹板的腹板能量吸收段的下部开有细长孔；在每个所述翼缘的翼缘能量吸收段的下部的一侧设置有三角形裁剪部，另另一侧设置有半圆形裁剪部；两个翼缘的翼缘能量吸收段的形状、尺寸是完全相同的，且两个翼缘上的三角形剪裁部相对，两个翼缘上的半圆形裁剪部相对。

技术总结
本发明提供了一种飞机客舱地板立柱，用于支撑大型民用飞机客舱地板，属于防撞吸能结构制造技术领域。所述飞机客舱地板立柱为横截面形状为工字型的工字型立柱，其包括：腹板和对称设置在腹板两侧的翼缘；所述腹板和翼缘的长度方向平行；所述工字型立柱的上端为上连接段，下端为下连接段；所述工字型立柱上位于上连接段、下连接段之间的部分为能量吸收段；在所述能量吸收段上有裁剪设计。本发明对工字型立柱的能量吸收段的腹板和翼缘进行不同形式的裁剪设计，更易引导工字型立柱在压溃载荷下逐级发生渐进变形，并在保证立柱结构发生逐级渐进变形、吸收较大坠撞能量的同时，能够最大限度减少结构重量，减少航空燃油的使用。减少航空燃油的使用。减少航空燃油的使用。


技术研发人员：周才华 王博 滕晨皓 亓炜 茅佳兵 李琪 陈宽裕
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/5/5