一种分布承载可触发式缓冲吸能飞机客舱行李架结构

1.本发明涉及民用航空运输器技术领域，特别涉及一种分布承载可触发式缓冲吸能飞机客舱行李架结构。


背景技术：

2.随着民用航空事业的快速发展，“安全、经济、舒适、环保”的新设计理念在大型客机上不断体现，民航客机在执行飞行任务过程中，有可能发生意外坠毁事故，民用航空规章适航标准对飞机的适坠性提出了一定要求，安全性作为飞机最基本的属性和要求，必须予以足够的重视。飞机在发生意外坠毁时，通常具有很高的速度，而客舱中行李架位于乘客的头顶上方，受到极大冲击下，重物很有可能破坏现有行李架的连接结构后整体掉落，对乘客造成二次伤害。以波音737ng为例，传统的飞机行李架使用酚醛树脂玻璃纤维面板和纸蜂窝复合材料面板制作而成，表面铺敷一层白色的泰德拉薄膜，从材料和结构上均未考虑高速冲击时的缓冲吸能，且与机身的连接结构为普通的刚性连接，通过连杆固定到机身，结构较为简单，未考虑飞机行李架在高速冲击下的破坏失效，无法缓冲耗散能量，极有可能发生断裂导致行李架掉落对乘客造成更大的伤害。因此，为了保证乘客的人身安全，在飞机客舱段整体具有一定抗坠毁特性的前提下，飞机行李架结构需要具备缓冲吸能的作用，降低行李架结构破坏的风险，从而在一定程度上减小意外的人员伤亡。
3.长期以来，为了避免结构在汽车碰撞、飞行器紧急着陆等意外事故中产生严重的破坏，同时减少司机、飞行员、乘客等人员受到的伤害，国内外许多学者对吸能材料和结构进行了一系列深入的研究。传统的缓冲吸能材料主要为金属，通过结构的失效或塑性变形吸收能量，其中管状结构在吸能装置中的应用非常广泛，包括圆管、方管、沿轴向呈锥形管、开窗的管、多角形薄壁管等等，其中最为广泛使用的是金属薄壁圆管，因为其具有良好的力学性能和特殊的几何模态。除了金属薄壁管的屈曲变形，金属结构的扩径变形和金属切削也能较好地起到缓冲吸能的作用。其中，扩径变形通过塑性变形和摩擦发热吸收冲击能量；金属切削缓冲则是将冲击能量转化为金属切削能，从而达到吸能的目的。现有的缓冲吸能装置大都以材料的压溃变形吸收能量，例如多层金属网格结构、金属蜂窝、金属泡沫、负泊松比结构等，同时金属薄壁构件也在缓冲吸能方面有着广泛的应用。
4.目前，在飞机和汽车等领域中已经有一些部件结构考虑了意外情况下高速碰撞时的缓冲吸能，例如飞机客舱地板下部结构。波纹梁、波纹板结构具有良好的缓冲吸能特性，通过持续压溃变形来吸收大量能量，用其代替具有减轻孔的货舱地板下部腹板，可吸收冲击能量降低初始载荷，已经在直升机机舱底板作为缓冲吸能部件有所应用。传统飞机行李架结构的设计在满足适航要求和飞机总体设计要求的前提下，遵循了安全性、舒适性以及维护性的设计原则。对于行李架的典型结构形式，市场主流飞机客舱行李架结构一般使用金属材料和蜂窝夹层结构的复合材料面板，表面铺敷装饰膜或喷涂装饰漆层以满足客舱外观效果的需要；连接形式考虑维护性要求、减震降噪要求以及安装设计补偿，采用刚性杆件连接以传递和承受飞机航向、侧向和垂向的载荷。
5.公开号为cn109850157a的发明专利公开了一种多功能飞机行李架，对行李架结构进行改进并安装终端显示器，通过条形码识别器控制行李架锁的开启，保证乘机秩序且提高了登机效率，同时增大了紧急情况下乘客逃生的概率，但是未考虑飞机在发生坠撞等意外情况下行李架缓冲吸能的需求；公开号为cn108367810a的发明专利公开了一种用于飞机的顶置行李架，这种行李架结构具有卡锁机构，可将行李架的可动部件固定，同时设有提升弹簧便于关闭行李架，但是此专利同样缺少缓冲吸能的结构设计；其它相关的发明专利主要包括通过设计增加行李架的容积，对行李架盖打开情况下的使用便捷性与安全性进行改进，没有考虑高速冲击下的缓冲吸能。目前，行李架结构只考虑了材料阻燃和结构强度以及其它功能性的要求，对于高速冲击下的缓冲吸能要求，现有飞机行李架结构没有给出明确的解决方案。
6.综上，现有主流飞机行李架结构一般由金属材料和蜂窝夹层结构的复合材料制成，只考虑到结构减重、材料阻燃和结构强度要求，还未考虑高速冲击下的缓冲吸能要求，行李架本身结构不具备良好的吸能效果，具有一定的局限性。对于行李架与机身的连接形式，飞机在飞行过程中会受到航向、侧向和垂向的载荷，在不同的姿态下行李架受到的载荷有所不同，传统飞机行李架采用了维护性较好、结构简单易更换的刚性连接结构，而连接结构在飞机发生意外坠毁时会受到极大的载荷，是缓冲吸能的关键部件。由于飞机行李架与机身客舱段连接时杆件主要受拉，而现有的缓冲吸能装置或结构一般通过缓冲吸能材料发生压溃变形从而实现吸能，大多用于直接碰撞的压缩过程，例如汽车碰撞时防撞梁的冲击破坏、飞机客舱地板下部结构高速碰撞时产生吸能变形等，这种情况无法应用于飞机行李架结构上，且杆状连接结构体积较小，现有的大多数缓冲吸能装置不合理、吸能效率较低，使用条件与限制明显，可用于飞机行李架与机身连接结构的缓冲吸能装置也很少出现且无触发装置，因此需要设计一种新型的具有缓冲吸能效果的飞机行李架连接装置。同时，现有的飞机行李架结构在设计时未考虑行李架掉落时对乘客的二次伤害，缺少相应的安全保护系统。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提出了一种分布承载可触发式缓冲吸能飞机客舱行李架结构，采用分布承载可触发的多种缓冲方式，通过将结构受到的冲击载荷转换为材料的压缩变形以及金属的切削从而实现吸能，解决了传统行李架在高速冲击作用下无法起到缓冲吸能的性能不足，可有效减小最大冲击载荷并起到吸能保护的作用。
8.为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
9.一种分布承载可触发式缓冲吸能飞机客舱行李架结构，包括行李架箱体4，行李架箱体4的底部空腔区域填充有用于吸能的蜂窝结构6，行李架箱体4的空腔区域安装安全气囊系统，行李架箱体4通过缓冲吸能连接装置5与机舱1上部连接。
10.所述的缓冲吸能连接装置5包括用于连接机舱1与行李架箱体4的套筒11和套杆12，套筒11触发段内壁为变截面，套筒11通过螺杆15连接套杆12，套筒11中填充有金属泡沫13，在金属泡沫13顶部安装拉刀16与垫片14，垫片14上部通过弹簧17与螺杆15上的螺母18紧固。
11.所述螺母18上部的螺杆15上还设置有在极大冲击作用下触发吸能的弹簧滑块触发机构，安装在套筒11的变截面区域，弹簧滑块触发机构由弹簧架19、触发弹簧20以及滑块21构成，弹簧架19的四个圆柱孔底部留有凹槽用于触发弹簧20一端的定位，其中滑块21根部的杆状结构具有环状狭缝，触发弹簧20套接安装在环状狭缝上。
12.所述滑块21的截面为梯形，与套筒11的变截面适配。
13.所述安全气囊系统包括粘接在缓冲吸能连接装置5的外壁上传感器10，设置在蜂窝结构6处的安全气囊组件8，行李架箱体4底部预留的气囊弹出展开的狭缝，以及行李架箱体4侧边的中央电子控制装置7；中央电子控制装置7与传感器10和安全气囊组件8实现信号通信控制。
14.所述的安全气囊组件8包括气体发生器、点火器和气囊，中央电子控制装置7内含有控制处理系统。
15.本发明的有益效果：
16.1、飞机行李架箱体4底部填充蜂窝结构6进行缓冲吸能，与机身连接时具有分布承载的特点，且连接装置具有优异的缓冲吸能效果。
17.2、缓冲吸能连接装置5采用压缩套杆结构设计，将结构的冲击载荷转换为缓冲材料压缩吸能，可广泛应用于受拉的杆状结构，解决了传统缓冲吸能装置无法应用于受拉杆状结构的问题。
18.3、缓冲吸能连接装置5增加了触发机构，以保证只有在高速冲击情况下起到缓冲吸能的作用，在正常载荷水平下与原有连接结构效果相同。
19.4、金属泡沫13多孔材料填充，具有轻量化、比强度高的优点，缓冲吸能效果良好。
20.5、将拉刀16实现的金属切削吸能与金属泡沫13填充两种缓冲方式相结合，进一步提高了缓冲吸能的效果。
21.6、在行李架结构中安装安全气囊系统，通过传感器10检测与智能控制，在发生意外坠撞时弹出安全气囊保证乘客免于二次伤害。
附图说明
22.图1是飞机客舱段示意图。
23.图2是飞机行李架剖面示意图。
24.图3是安全气囊完全膨胀时的行李架示意图。
25.图4是缓冲吸能连接装置结构示意图(初始状态)。
26.图5是缓冲吸能连接装置结构局部示意图。
27.图6是缓冲吸能连接装置结构示意图(拉伸状态)。
28.图7是缓冲吸能连接装置结构分解示意图。
29.图8是弹簧滑块触发机构剖面示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明做详细叙述。
31.一种分布承载可触发式缓冲吸能飞机客舱行李架结构，参照图1，图1是飞机客舱段示意图，包括了机舱1；地板2；座椅3；行李架箱体4；参照图2、图3，行李架箱体4的底部空
腔区域填充有用于吸能的蜂窝结构6，行李架箱体4的空腔区域安装安全气囊系统，行李架箱体4通过缓冲吸能连接装置5与机舱1上部连接。具体是缓冲吸能连接装置5两端预留铆接的圆孔，使用铆钉9将行李架箱体4以及机舱1上部预留的接头连接固定。
32.参照图4，图5、图6，所述的缓冲吸能连接装置5包括用于连接机舱1与行李架箱体4的金属套筒11和套杆12，是主要的承力结构件，套筒11通过螺杆15连接套杆12，套筒11中填充有金属泡沫13，在金属泡沫13顶部安装拉刀16与垫片14，垫片14上部通过弹簧17与螺杆15上的螺母18紧固。
33.在飞机客舱段中，行李架箱体4一般位于乘客座椅的上方，通过分散式布局与机身舱段进行连接，在行李架箱体下部承载部分填充蜂窝结构增强箱体本身的缓冲效果。机身舱段和行李架在相应位置都留有用于连接的通孔，单个舱段与一侧行李架通过三组不同杆长的缓冲吸能装置连接，缓冲吸能连接装置的杆件结构两端同样留有与之配合的通孔，用铆钉进行等距分布连接。
34.一般情况下，缓冲吸能材料在压缩时具有优异的吸能效果，所以在发生意外事故时需要将结构受到的冲击载荷转换为缓冲吸能材料的压缩。为了起到缓冲吸能的效果，缓冲吸能结构设计在保证原有连接杆功能的基础上，在其内部填充金属泡沫铝，同时需要将飞机行李架受到的冲击转换为缓冲吸能材料的压缩，通过设计套筒结构，起到缓冲吸能的作用。此缓冲吸能部件采用的是压缩套杆结构设计，主要由定杆套筒、缓冲吸能材料和内拉杆组成，此外增加了弹簧触发机构。此缓冲吸能连接装置采用金属拉刀切削吸能和多孔材料(泡沫铝)填充金属套筒相结合的吸能方式，其中，金属拉刀通过切削金属薄壁套筒起到吸能的作用，为了增强缓冲与吸收冲击能量的能力,金属拉刀通常被制成由多个不同尺寸的结构形式串联而成的形式。在冲击载荷达到设定的阈值时,金属套筒与拉刀之间发生相对运动，金属拉刀依次切削金属套筒,从而将冲击能量转换为金属切削能,从而达到缓冲吸能的目的。拉刀式缓冲吸能效果主要取决于套筒的材料强度、拉刀的工作齿数、切削刀刃的宽度和金属切削层的厚度，同时考虑到加工精度、装配精度以及轴向尺寸，在用于飞机行李架连接结构时需要进行相应改进。
35.参照图8，螺母18上部的螺杆15上还设置有在极大冲击作用下触发吸能的弹簧滑块触发机构，安装在套筒11的变截面区域，弹簧滑块触发机构由弹簧架19、触发弹簧20以及滑块21构成，弹簧架19的四个圆柱孔底部留有半径较小的凹槽用于触发弹簧20一端的定位，其中滑块21根部的杆状结构具有环状狭缝，触发弹簧20套接安装在环状狭缝上，所述滑块21的截面为梯形，与套筒11的变截面适配；通过四个滑块21与触发弹簧20的共同约束，使得整个滑块机构在径向方向上收缩或扩张，在初始状态触发弹簧20具有较小的压缩量，滑块21处于套筒11内径扩张段的最右端(内径较大)，由于弹簧滑块触发机构安装在套筒11的变截面区域，且滑块的截面为梯形，当其受到螺杆15的力时迫使滑块移动从而压缩弹簧，导致整个机构径向收缩逐渐向套筒截面较小的方向移动，起到触发的作用。
36.当冲击较小时触发机构未触发吸能，此时套杆12与套筒11之间分开的距离较短，螺杆15受到轴向的拉力迫使弹簧滑块触发机构向左移动，触发机构中的弹簧20以及螺母18和拉刀16之间的弹簧17受到压缩，产生弹性势能并不断耗散最终起到缓冲作用；当受到极大冲击时，套杆12与套筒11之间分开的距离变大，此时弹簧17压缩至最小长度，弹簧滑块触发机构移动到变截面的最小端并触发整体吸能，垫片14开始压缩金属泡沫13，拉刀16开始
切削套筒11，这两种方式同时作用吸收大部分能量，同时可增加金属套筒11的内壁粗糙度，使得触发机构中的滑块21与金属套筒内壁产生较大的摩擦，进一步提升吸能效果。
37.考虑到飞机在意外坠毁或非正常着陆情况下受到的冲击载荷极大，行李架结构很可能发生破坏或掉落，为了进一步保护乘客的安全，在行李架结构中安装安全气囊系统。所述安全气囊系统包括粘接在缓冲吸能连接装置5的外壁上传感器10，设置在蜂窝结构6处的安全气囊组件8，行李架箱体4底部预留的气囊弹出展开的狭缝以及行李架箱体4侧边的中央电子控制装置7；中央电子控制装置7与传感器10和安全气囊组件8实现信号通信控制。
38.所述的安全气囊组件8为现有成熟的产品，包括气体发生器、点火器和气囊，中央电子控制装置7内含有算法处理系统。在飞机发生意外坠毁或非正常着陆时，安全气囊系统自动激活，贴在缓冲吸能连接装置上的位移传感器主要检测套筒11与套杆12的相对位置，将此位置信息通过无线传输发送给中央电子控制装置7，经过算法处理计算与比较判断，当相对位置超过设定的临界值时，此时缓冲吸能连接装置达到最大缓冲吸能效果并将要破坏失效，中央电子控制装置7则接通安全气囊组件8并发出安全气囊的点火信号，气体发生器开始工作，通过点火器引爆点火剂使得充气剂受热分解释放大量气体充入气囊，气囊从行李架底部预留的狭缝中弹出并迅速膨胀，在行李架掉落前气囊完全展开起到缓冲作用。
39.本发明的工作原理为：
40.当飞机发生坠撞等意外情况时，由于惯性行李架中的货物会对行李架产生极大的冲击作用，本发明所提出的具有缓冲吸能作用的行李架可以有效减小冲击载荷。首先，行李架箱体4底部空腔区域填充的蜂窝结构6可以实现第一步吸能；然后缓冲吸能连接装置5开始发挥作用，套杆12受到拉力传递到螺杆15并产生位移，与螺杆15连接的弹簧滑块触发机构也开始滑动，触发弹簧20继续压缩直至滑块21移动到套筒内径较小区域，此时拉刀16开始切削套筒11内壁，同时金属泡沫13产生压溃变形实现第二步吸能。当传感器10检测到破坏信号时，中央电子控制装置7会发出点火信号，安全气囊组件8开始工作，安全气囊迅速膨胀展开实现第三步吸能。安全气囊迅速膨胀展开起到缓冲作用，避免行李架掉落对乘客造成二次伤害。
41.本发明通过设计一种具有分布承载可触发式缓冲吸能飞机客舱行李架结构，充分考虑了飞机在意外坠毁或非正常着陆情况下的冲击载荷与人身安全，有效提高了传统行李架结构的缓冲吸能效果。此行李架采用了一种新型的可拉伸缓冲吸能连接装置，通过压缩套杆结构设计将结构受到冲击时的拉伸应力转换为缓冲材料的压缩以及金属切削时的吸能，拓宽了缓冲吸能结构的应用场景，尤其是一些受拉的杆状结构；同时缓冲吸能连接结构中增加了弹簧滑块触发装置，以保证在受到极大冲击作用下触发缓冲吸能的效果，正常情况下不影响原有杆状结构的刚性连接功能；此外，金属多孔材料具有密度低、缓冲性能稳定、吸能效果优异的特点，填充金属套筒组成的吸能结构具有轻量化、比强度高的优点，可用于对结构质量有严格要求的应用场景；此发明将金属多孔材料填充与金属切削两种缓冲方式相结合的设计思路，可显著提高整个缓冲吸能连接结构的缓冲吸能效果，同时提高其缓冲吸能的稳定性。缓冲吸能连接装置采用分布式布局，可很大程度上增强承载，在受到高速冲击时可有效分散作用力，保护行李架免于破坏。飞机行李架箱体底部承载部分填充蜂窝结构增强箱体本身的缓冲效果，使其自身结构免于发生破坏，在行李架结构底部空腔中安装安全气囊系统可在意外情况下保护乘客免于二次伤害，当传感器检测到缓冲吸能连接
结构的破坏信号时，控制器发出点火信号使安全气囊迅速膨胀展开，从而起到保护乘客的作用。此行李架结构具有多级缓冲吸能的效果，行李架底部空腔区域填充蜂窝结构实现第一级吸能，缓冲吸能连接结构中金属泡沫压溃与拉刀切削金属套筒实现第二级吸能，安全气囊在接收到破坏信号时迅速膨胀展开实现第三级吸能，通过多级缓冲吸能可大幅减小冲击时受到的载荷，从而保证乘客的安全。