張鑫葵， 李艷軍， 曹愈遠(yuǎn)， 胡學(xué)文

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院， 南京 211106)

近年來，由于直升機(jī)具有機(jī)動性能強(qiáng)、可以低空飛行等優(yōu)點，中國的通航企業(yè)不斷地發(fā)展壯大，同時國家提出各項利好政策支持國內(nèi)航空應(yīng)急救援的發(fā)展，并且國外成熟的醫(yī)療構(gòu)型改裝的成本偏高，于是加大了國內(nèi)市場對醫(yī)療救援類的直升機(jī)的需求。因此需要對普通類型的直升機(jī)進(jìn)行改裝，使其擁有醫(yī)療急救的功能。然而針對直升機(jī)改裝方面，國外改裝技術(shù)比較成熟，具有以下特點：①從設(shè)計改裝到生產(chǎn)加工再到最后的適航審定，具備一套完整高效的流程；②存在專業(yè)的醫(yī)療類直升機(jī)改裝的公司，比如奧地利AAT(air ambulance technology)公司和德國Bucher公司；③對于適航條款的研究更成熟，并且直升機(jī)改裝的適航試驗更接近于實際飛行。對于國內(nèi)直升機(jī)改裝來說，起步晚，人才缺乏，直升機(jī)改裝設(shè)備制造工藝精度不高，缺少直升機(jī)改裝的適航知識和經(jīng)驗[1-2]。

對于醫(yī)療救援類的直升機(jī)，首先需要對其加裝醫(yī)療地板，然后再在醫(yī)療地板上安裝擔(dān)架、呼吸機(jī)等醫(yī)療設(shè)備，來達(dá)到不破壞直升機(jī)原有構(gòu)型的改裝設(shè)計。而其中最核心的要求便是在滿足適航強(qiáng)度要求的情況下盡可能地減少所加裝的結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。所以需要對醫(yī)療地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計主要包括結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化擺脫了其他兩種優(yōu)化方法不能變更結(jié)構(gòu)的缺點，在優(yōu)化過程中充分考慮結(jié)構(gòu)的布局、尺寸合理性、材料選擇以及結(jié)構(gòu)的外形，具有非常大的優(yōu)點，其在結(jié)構(gòu)工程輕量化設(shè)計、高強(qiáng)度設(shè)計中有很大的應(yīng)用前景。

為了保障直升機(jī)改裝后的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，需要對其進(jìn)行適航審定，并且貫穿于改裝設(shè)計、制造、運營整個階段。而對適航符合性驗證方法的研究是適航審定研究的核心部分，也是對于改裝類的直升機(jī)取得適航證書的關(guān)鍵?；诖?，為彌補(bǔ)國內(nèi)直升機(jī)改裝的空白以及滿足國內(nèi)直升機(jī)應(yīng)急救援的市場需求，同時保證加改裝直升機(jī)的安全飛行，與國外深度改裝直升機(jī)相反，在不改變直升機(jī)原有構(gòu)型基礎(chǔ)上，現(xiàn)以醫(yī)療地板為例，對其改裝設(shè)計及適航進(jìn)行研究，并創(chuàng)新性地引入拓?fù)鋬?yōu)化，在設(shè)計階段加快直升機(jī)改裝的整體流程[3]，為中國通航直升機(jī)的改裝提供參考與指導(dǎo)。

1 直升機(jī)醫(yī)療地板改裝的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

1.1 拓?fù)鋬?yōu)化的原理和方法

拓?fù)鋬?yōu)化是指形狀外形的優(yōu)化，其主要目的是在尋找結(jié)構(gòu)的最優(yōu)傳力路徑和最優(yōu)的結(jié)構(gòu)剛度分布的基礎(chǔ)上，在給定的區(qū)域內(nèi)達(dá)到結(jié)構(gòu)的最優(yōu)的重量或最優(yōu)的性能或者材料的最優(yōu)分布。簡單來說，拓?fù)鋬?yōu)化是在規(guī)定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)，按照規(guī)定的要求和規(guī)章，在給定的實際的加載、固定等約束下，尋求應(yīng)力形變和應(yīng)力大小達(dá)到規(guī)定要求的情況，去除不必要的材料，而使必要的材料留下的方法。拓?fù)鋬?yōu)化的優(yōu)點在于，它不需要給出變量參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)，優(yōu)化函數(shù)、目標(biāo)參數(shù)、參數(shù)變量都是預(yù)先設(shè)定好的，用戶只需要給出結(jié)構(gòu)的參數(shù)和需除去材料的百分比，就能得出優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。而直升機(jī)醫(yī)療地板的拓?fù)鋬?yōu)化主要用到變密度法。

變密度法是人為地引入了一種假想的材料，其相對密度在0～1，以這種材料的密度作為設(shè)計的變量，并且將材料的密度和材料的物理參數(shù)聯(lián)系起來，就將拓?fù)鋬?yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)椴牧系淖顑?yōu)分布問題了。其數(shù)學(xué)模型為

(1)

式(1)中：n為單元的個數(shù)；μi為第i個單元的相對密度；ρ0為單元的原始密度；V0i為第i個單元的體積；m0為單元在取原始密度值時所對應(yīng)的原始質(zhì)量；C為結(jié)構(gòu)的柔度[4]；α為剩余質(zhì)量和原始質(zhì)量的百分比。

1.2 直升機(jī)醫(yī)療地板的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計

醫(yī)療地板模型的設(shè)計參考飛機(jī)設(shè)計手冊中直升機(jī)原有構(gòu)型的地板尺寸，其總長為1 660 mm，前部寬度為1 880 mm，后部寬度為1 935 mm，厚度為8 mm。為了方便醫(yī)療地板的安裝、拆卸和維修，根據(jù)直升機(jī)原有的地板構(gòu)型和醫(yī)療地板上安裝擔(dān)架等醫(yī)療設(shè)備的位置，將地板分割成6塊，每塊地板之間通過螺栓連接，再通過螺栓固定在直升機(jī)地板上。運用SolidWorks軟件對其建模后，整個醫(yī)療地板裝配體如圖1所示，醫(yī)療地板上6條長導(dǎo)軌主要用于安裝固定擔(dān)架，短導(dǎo)軌用于安裝氧氣瓶及儲物箱。

圖1 優(yōu)化前醫(yī)療地板Fig.1 Medical floor before optimization

利用Ansys Workbench對設(shè)計好的地板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化[5]。主要采用的拓?fù)鋬?yōu)化方法為變密度法，其以醫(yī)療地板的柔度作為目標(biāo)函數(shù)，具體步驟如下。

步驟一將建好的醫(yī)療地板模型導(dǎo)入Ansys中，并且選擇Solid186的二十節(jié)點的六面體單元建立醫(yī)療地板的初始拓?fù)浞治瞿Ｐ汀Ｔ搯卧诒ＷC優(yōu)化的計算精度的前提下，允許不規(guī)則的形狀出現(xiàn)，并且具有良好的塑性、剛度。對醫(yī)療地板的材料進(jìn)行定義，醫(yī)療地板和導(dǎo)軌所用材料為6061-T6鋁合金，螺栓采用45鋼。具體材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

步驟二對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且對其進(jìn)行施加約束和載荷。根據(jù)其在飛機(jī)上的實際受力情況，對每個固定醫(yī)療地板的螺栓底部施加固定約束，然后根據(jù)CCAR-29(Chinese civil aviation regulations-29)的要求，改裝的直升機(jī)向下受到的極限載荷系數(shù)為20g，同時在醫(yī)療地板上固定的擔(dān)架和患者總重約為93.5 kg，可計算出在地板上施加的向下的力為18 326 N。

步驟三對醫(yī)療地板進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)設(shè)置。為了保證優(yōu)化過程中計算的收斂性能較好，根據(jù)以往的拓?fù)鋬?yōu)化經(jīng)驗，設(shè)置刪除材料的百分比為60%，設(shè)置的優(yōu)化區(qū)域為整個模型區(qū)域。最后經(jīng)過Ansys分析后的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)醫(yī)療地板拓?fù)鋬?yōu)化的云圖來分析，紅色部分為可以刪除的部分，即紅色部分為應(yīng)力受力比較小的區(qū)域。再根據(jù)醫(yī)療地板在直升機(jī)上的實際應(yīng)用情況、適航的要求、未來維修的便捷性，對原有直升機(jī)醫(yī)療地板進(jìn)行了優(yōu)化處理，將所受應(yīng)力較小的區(qū)域除去了6 mm厚度的材料[6]。最后優(yōu)化模型如圖3所示，即醫(yī)療地板正面保持原有光滑平面，背面增加了方形槽，既減輕質(zhì)量又滿足強(qiáng)度要求。

2 直升機(jī)醫(yī)療地板改裝的適航審定

2.1 改裝直升機(jī)適航取證流程

為了保證改裝后的直升機(jī)能夠安全可靠地飛行，都需要取得適航許可證。然而適航取證的過程復(fù)雜且煩瑣，涉及多學(xué)科的應(yīng)用。根據(jù)《進(jìn)口民用航空器重要改裝設(shè)計合格審定程序》(AP-21-15)和《補(bǔ)充型號合格審定程序》(AP-21-14)，總結(jié)出直升機(jī)醫(yī)療地板適航取證的流程[7-8]，如圖4所示。

圖2 醫(yī)療地板優(yōu)化云圖Fig.2 Medical floor optimization cloud map

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化后醫(yī)療地板模型Fig.3 Medical floor model after topology optimization

圖4 直升機(jī)改裝適航取證流程Fig.4 Helicopter modification airworthiness certification process

在適航取證的流程中[9]，有四大核心部分。第一部分是直升機(jī)設(shè)計更改類型的確定。對于直升機(jī)不同的更改程度，其所對應(yīng)的適航規(guī)章不同，適航當(dāng)局的審查流程與干預(yù)程度會有區(qū)別。對于直升機(jī)的設(shè)計小改所對應(yīng)的申請證書為“重要改裝設(shè)計批準(zhǔn)書(modification design approval, MDA)”，而設(shè)計大改對應(yīng)的證書為“補(bǔ)充型號合格證(supplementary type certification, STC)”。第二部分是申請人確定適用于本次改裝的適航規(guī)章。第三部分是申請人和適航當(dāng)局進(jìn)行技術(shù)熟悉性會議，確定最終的能驗證設(shè)計更改符合性的、合適的審定基礎(chǔ)，并且確定審定基礎(chǔ)對應(yīng)的符合性驗證方法。第四部分是進(jìn)行試驗驗證與檢查，即通過具體的試驗驗證、試飛、仿真試驗、機(jī)上檢查等來驗證設(shè)計更改對于適航規(guī)章的符合性。

2.2 直升機(jī)醫(yī)療地板改裝的審定基礎(chǔ)與符合性驗證方法的確定

對某型直升機(jī)醫(yī)療地板改裝包安裝完成后會對直升機(jī)的載重平衡造成較為顯著的影響，屬于設(shè)計大改，申請人需要申請取得的證書是補(bǔ)充型號合格證(STC)，并且該型直升機(jī)為正常旋翼類大型飛機(jī)，所以最終參考其的型號合格證(type validation certificate, TC)的基礎(chǔ)上確定本次設(shè)計更改參照CCAR-29-R1部的適航規(guī)章[10]。其次，本次醫(yī)療地板的改裝屬于緊急醫(yī)療服務(wù)的范圍之內(nèi)，所以根據(jù)AC-21-AA-2014-36咨詢通告中的附件A更改分類中的旋翼航空器更改可得，改裝屬于設(shè)計大改中的非重大更改。然而對于直升機(jī)的非重大更改，早期的適航要求是可以作為其的審定基礎(chǔ)，但不能早于原審定基礎(chǔ)[11]。

對于每一條審定基礎(chǔ)，要選擇正確的符合性驗證方法去驗證。而符合性驗證方法是用來驗證醫(yī)療地板的某些性能是否滿足適航條款所規(guī)定的內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)。

對于本次直升機(jī)醫(yī)療地板的改裝，最終確定的部分審定基礎(chǔ)及其對應(yīng)的符合性驗證方法如表2所示。

3 適航符合性驗證方法

3.1 分析與計算方法(MC2)

3.1.1 醫(yī)療地板結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析

(1)建立直升機(jī)改裝的醫(yī)療地板模型。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的醫(yī)療地板，在SolidWorks中建立醫(yī)療地板模型，最終建立的優(yōu)化的醫(yī)療地板如圖3所示，醫(yī)療地板通過螺栓固定在直升機(jī)原有的地板上，然后再將醫(yī)療擔(dān)架、醫(yī)療設(shè)備固定架安裝上，整體圖如圖5所示。

(2)對醫(yī)療地板進(jìn)行靜強(qiáng)度仿真分析。將建好后的醫(yī)療地板模型導(dǎo)入Ansys Workbench中，對醫(yī)療地板的材料屬性進(jìn)行定義，對醫(yī)療地板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接觸設(shè)置，同時對連接到直升機(jī)地面的每個螺栓底面施加固定約束。而對于本次模型直升機(jī)的載荷的施加，根據(jù)CCAR-29.561(b)的規(guī)章要求，當(dāng)改裝后的直升機(jī)受到規(guī)章中要求的極限載荷時，應(yīng)該約束住改裝的直升機(jī)上每一個存在質(zhì)量的物體，防止其受到損害。再根據(jù)在醫(yī)療地板上的患者及醫(yī)療擔(dān)架的總重為93.5 kg，計算出單個醫(yī)療擔(dān)架的每一個方向上地板所受的極限載荷。極限載荷系數(shù)和醫(yī)療地板所受極限載荷如表3所示。

表2 審定基礎(chǔ)及其對應(yīng)的符合性驗證方法Table 2 The basis of examination and approval and the corresponding verification method of conformity

圖5 醫(yī)療地板安裝后整體圖Fig.5 Overall picture after installation of medical floor

表3 極限慣性載荷系數(shù)及極限載荷Table 3 Ultimate inertia load coefficient and ultimate load

(3)結(jié)果后處理及分析。根據(jù)適航條款的要求，通過利用Ansys Workbench進(jìn)行分析計算，得出了醫(yī)療地板分別在受到6個方向的極限載荷時的最大應(yīng)力及位置，以向前16g的極限載荷為例，地板所受的應(yīng)力分布圖如圖6所示。

最后得出每個方向的應(yīng)力極限載荷下的醫(yī)療地板所受最大應(yīng)力以及對應(yīng)的安全系數(shù)，并且通過安全系數(shù)的計算公式σb/σmax計算出安全系數(shù)，其中σb為醫(yī)療地板的屈服強(qiáng)度，其值為260 MPa；σmax為最大應(yīng)力值。如表4所示。而根據(jù)CCAR-29.303條的安全系數(shù)的規(guī)定，對于醫(yī)療地板的強(qiáng)度驗證的安全系數(shù)必須大于等于1.5。

圖6 向前16g應(yīng)力分布Fig.6 16g forward stress distribution

表4 應(yīng)力結(jié)果分析表Table 4 Stress result analysis table

通過上訴的分析計算，醫(yī)療地板在各個極限載荷下安全系數(shù)大于1.5，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不會失效，同時也通過上述的分析計算，驗證了醫(yī)療地板的載荷、安全系數(shù)、強(qiáng)度和變形符合適航條款的要求[12]。

3.1.2 醫(yī)療地板載重與平衡分析

本次某型直升機(jī)的醫(yī)療地板改裝，最終保留了原直升機(jī)的4張座椅，其他座椅均被拆除。而加裝的醫(yī)療地板本身質(zhì)量為14.7 kg，在滿載人員的情況下，兩個飛行員加4名機(jī)組人員共重480 kg，直升機(jī)凈重為3 770 kg，而該型直升機(jī)為雙擔(dān)架改裝，改裝后醫(yī)療地板上可容納兩名患者，患者和擔(dān)架總重為187 kg。而根據(jù)CCAR-29.27重心限制的條款規(guī)定，需要對改裝后的直升機(jī)進(jìn)行載重平衡分析。改裝后的直升機(jī)重心計算公式為

(2)

式(2)中：li為直升機(jī)醫(yī)療地板上各個帶有質(zhì)量的物體在直升機(jī)中的站位，可由該型直升機(jī)的飛行手冊得知；mi為各個物體的質(zhì)量；Mi為各個物體對于直升機(jī)自身原點的橫向或縱向力矩；n為影響直升機(jī)重心的物體個數(shù)；L為滿載的直升機(jī)最終加裝醫(yī)療地板后的重心位置。所以根據(jù)最終的計算以及查詢該型直升機(jī)的飛行手冊，可得出如表5所示的重心計算表[13]。

所以將醫(yī)療地板加裝在直升機(jī)上，并且加入醫(yī)療地板上的擔(dān)架及患者的質(zhì)量，最終得出醫(yī)療地板改裝包對飛機(jī)縱向和橫線的重心影響，對于縱向重心位置為lz=5.495 m，橫向重心位置為lh=0.55×10-2m。根據(jù)該型直升機(jī)的飛行手冊重心限制的要

表5 重心計算表Table 5 Center of gravity calculation table

求，如圖7所示，加裝醫(yī)療地板后，直升機(jī)的縱向和橫向重心都在規(guī)定范圍內(nèi)。

通過分析和計算，得出該型直升機(jī)加裝醫(yī)療地板后，直升機(jī)重心范圍均在直升機(jī)飛行手冊中要求的重心范圍內(nèi)，所以符合重心限制的要求。

3.2 條款符合性說明方法(MC1)

對于該型直升機(jī)的某些審定基礎(chǔ)需要對其進(jìn)行條款符合性說明。比如對于§29.25重量限制條款，某型直升機(jī)加裝醫(yī)療地板后，拆除了原來的8張座椅，加上醫(yī)療地板上雙擔(dān)架及患者質(zhì)量為204.4 kg，遠(yuǎn)小于原來的8張座椅在滿載的情況下，飛機(jī)承重640 kg。所以加裝直升機(jī)醫(yī)療地板后滿足重量限制的要求。

對于條款§29.603材料，本次某型直升機(jī)醫(yī)療地板的改裝所用材料為6061-T6航空鋁合金，滿足經(jīng)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)AMS-QQ-A-225/118，該材料的強(qiáng)度、適用性和耐久性能較好。本次改裝的改裝包的非金屬材料為聚碳酸酯，該材料具有阻燃性，強(qiáng)度、耐久性能較好。

圖7 加裝醫(yī)療地板后直升機(jī)重心圖Fig.7 Helicopter center of gravity diagram after installing medical floor

對于§29.803應(yīng)急撤離條款，本次對直升機(jī)加裝醫(yī)療地板后，以直升機(jī)兩側(cè)的客艙門可作為應(yīng)急出口，對于直升機(jī)的應(yīng)急撤離能力，進(jìn)行了實際演練，保證最大載客數(shù)時機(jī)組人員及乘客能在90 s內(nèi)安全撤離，因此改裝對直升機(jī)的應(yīng)急撤離能力無影響[14]。

對于本次某型直升機(jī)醫(yī)療地板的改裝的審定基礎(chǔ)，采取實際演練、技術(shù)說明等說明性文件對其進(jìn)行符合性的驗證，最終都符合適航條款要求。

3.3 醫(yī)療地板試驗驗證方法(MC4)

改裝后直升機(jī)的醫(yī)療地板對于某些適航條款的符合性，需要應(yīng)用試驗室驗證的方法對其進(jìn)行驗證。

采用多功能試驗臺、擔(dān)架及擔(dān)架固定組件、木質(zhì)假人以及6061-T6鋁合金醫(yī)療地板，通過10 MPa級的液壓設(shè)備進(jìn)行加載，總的試驗圖如圖8所示。

同時根據(jù)CCAR29.561(b)3所定義的慣性載荷系數(shù)乘以1.15作為地板試驗載荷系數(shù)。假設(shè)實驗室雙擔(dān)架上都載有患者，其總重為187 kg。所以最終進(jìn)行試驗驗證所需加載在醫(yī)療地板上的載荷如表6所示。

圖8 試驗驗證Fig.8 Test verification

表6 地板慣性載荷系數(shù)表Table 6 Floor inertia load coefficient table

通過試驗加載，改裝的直升機(jī)醫(yī)療地板上施加的極限載荷至少保持3 s，結(jié)構(gòu)能承受極限載荷而不破壞，所以醫(yī)療地板符合CCAR29.305(b)條款要求[15]。

4 結(jié)論

首先采用拓?fù)鋬?yōu)化的原理，利用變密度法對需要進(jìn)行改裝的直升機(jī)的醫(yī)療地板進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，在保證加裝醫(yī)療地板的強(qiáng)度的前提下，大大降低了其重量。其次對直升機(jī)改裝后適航取證審定的流程進(jìn)行了分析，確定出本次該型直升機(jī)改裝的醫(yī)療地板的審定基礎(chǔ)及其對應(yīng)的符合性驗證方法。最后是對直升機(jī)改裝的醫(yī)療地板的適航符合性驗證方法進(jìn)行研究，利用MC2的分析計算方法對直升機(jī)改裝后的醫(yī)療地板的靜強(qiáng)度和載重平衡進(jìn)行分析，利用MC1方法對醫(yī)療地板改裝所需的材料、緊固件、通風(fēng)等情況進(jìn)行了條款符合性說明，同時利用MC4方法對醫(yī)療地板的強(qiáng)度進(jìn)行了試驗室驗證。最后得出該型直升機(jī)拓?fù)鋬?yōu)化后醫(yī)療地板滿足適航規(guī)章的要求。