某型直升机医疗地板的改装优化设计与适航符合性验证

张鑫葵， 李艳军， 曹愈远， 胡学文

(南京航空航天大学民航学院， 南京 211106)

近年来，由于直升机具有机动性能强、可以低空飞行等优点，中国的通航企业不断地发展壮大，同时国家提出各项利好政策支持国内航空应急救援的发展，并且国外成熟的医疗构型改装的成本偏高，于是加大了国内市场对医疗救援类的直升机的需求。因此需要对普通类型的直升机进行改装，使其拥有医疗急救的功能。然而针对直升机改装方面，国外改装技术比较成熟，具有以下特点：①从设计改装到生产加工再到最后的适航审定，具备一套完整高效的流程；②存在专业的医疗类直升机改装的公司，比如奥地利AAT(air ambulance technology)公司和德国Bucher公司；③对于适航条款的研究更成熟，并且直升机改装的适航试验更接近于实际飞行。对于国内直升机改装来说，起步晚，人才缺乏，直升机改装设备制造工艺精度不高，缺少直升机改装的适航知识和经验[1-2]。

对于医疗救援类的直升机，首先需要对其加装医疗地板，然后再在医疗地板上安装担架、呼吸机等医疗设备，来达到不破坏直升机原有构型的改装设计。而其中最核心的要求便是在满足适航强度要求的情况下尽可能地减少所加装的结构的质量。所以需要对医疗地板结构进行优化设计，优化设计主要包括结构尺寸的优化、形状优化和拓扑优化。拓扑优化摆脱了其他两种优化方法不能变更结构的缺点，在优化过程中充分考虑结构的布局、尺寸合理性、材料选择以及结构的外形，具有非常大的优点，其在结构工程轻量化设计、高强度设计中有很大的应用前景。

为了保障直升机改装后的安全性、可靠性和经济性，需要对其进行适航审定，并且贯穿于改装设计、制造、运营整个阶段。而对适航符合性验证方法的研究是适航审定研究的核心部分，也是对于改装类的直升机取得适航证书的关键。基于此，为弥补国内直升机改装的空白以及满足国内直升机应急救援的市场需求，同时保证加改装直升机的安全飞行，与国外深度改装直升机相反，在不改变直升机原有构型基础上，现以医疗地板为例，对其改装设计及适航进行研究，并创新性地引入拓扑优化，在设计阶段加快直升机改装的整体流程[3]，为中国通航直升机的改装提供参考与指导。

1 直升机医疗地板改装的拓扑优化设计

1.1 拓扑优化的原理和方法

拓扑优化是指形状外形的优化，其主要目的是在寻找结构的最优传力路径和最优的结构刚度分布的基础上，在给定的区域内达到结构的最优的重量或最优的性能或者材料的最优分布。简单来说，拓扑优化是在规定的设计区域内，按照规定的要求和规章，在给定的实际的加载、固定等约束下，寻求应力形变和应力大小达到规定要求的情况，去除不必要的材料，而使必要的材料留下的方法。拓扑优化的优点在于，它不需要给出变量参数和优化参数，优化函数、目标参数、参数变量都是预先设定好的，用户只需要给出结构的参数和需除去材料的百分比，就能得出优化的结构。而直升机医疗地板的拓扑优化主要用到变密度法。

变密度法是人为地引入了一种假想的材料，其相对密度在0～1，以这种材料的密度作为设计的变量，并且将材料的密度和材料的物理参数联系起来，就将拓扑优化转变为材料的最优分布问题了。其数学模型为

(1)

式(1)中：n为单元的个数；μi为第i个单元的相对密度；ρ0为单元的原始密度；V0i为第i个单元的体积；m0为单元在取原始密度值时所对应的原始质量；C为结构的柔度[4]；α为剩余质量和原始质量的百分比。

1.2 直升机医疗地板的拓扑优化设计

医疗地板模型的设计参考飞机设计手册中直升机原有构型的地板尺寸，其总长为1 660 mm，前部宽度为1 880 mm，后部宽度为1 935 mm，厚度为8 mm。为了方便医疗地板的安装、拆卸和维修，根据直升机原有的地板构型和医疗地板上安装担架等医疗设备的位置，将地板分割成6块，每块地板之间通过螺栓连接，再通过螺栓固定在直升机地板上。运用SolidWorks软件对其建模后，整个医疗地板装配体如图1所示，医疗地板上6条长导轨主要用于安装固定担架，短导轨用于安装氧气瓶及储物箱。

图1 优化前医疗地板Fig.1 Medical floor before optimization

利用Ansys Workbench对设计好的地板进行拓扑优化[5]。主要采用的拓扑优化方法为变密度法，其以医疗地板的柔度作为目标函数，具体步骤如下。

步骤一将建好的医疗地板模型导入Ansys中，并且选择Solid186的二十节点的六面体单元建立医疗地板的初始拓扑分析模型。该单元在保证优化的计算精度的前提下，允许不规则的形状出现，并且具有良好的塑性、刚度。对医疗地板的材料进行定义，医疗地板和导轨所用材料为6061-T6铝合金，螺栓采用45钢。具体材料属性如表1所示。

表1 材料属性Table 1 Material properties

步骤二对模型进行网格划分，并且对其进行施加约束和载荷。根据其在飞机上的实际受力情况，对每个固定医疗地板的螺栓底部施加固定约束，然后根据CCAR-29(Chinese civil aviation regulations-29)的要求，改装的直升机向下受到的极限载荷系数为20g，同时在医疗地板上固定的担架和患者总重约为93.5 kg，可计算出在地板上施加的向下的力为18 326 N。

步骤三对医疗地板进行优化参数设置。为了保证优化过程中计算的收敛性能较好，根据以往的拓扑优化经验，设置删除材料的百分比为60%，设置的优化区域为整个模型区域。最后经过Ansys分析后的拓扑优化结果如图2所示。

根据医疗地板拓扑优化的云图来分析，红色部分为可以删除的部分，即红色部分为应力受力比较小的区域。再根据医疗地板在直升机上的实际应用情况、适航的要求、未来维修的便捷性，对原有直升机医疗地板进行了优化处理，将所受应力较小的区域除去了6 mm厚度的材料[6]。最后优化模型如图3所示，即医疗地板正面保持原有光滑平面，背面增加了方形槽，既减轻质量又满足强度要求。

2 直升机医疗地板改装的适航审定

2.1 改装直升机适航取证流程

为了保证改装后的直升机能够安全可靠地飞行，都需要取得适航许可证。然而适航取证的过程复杂且烦琐，涉及多学科的应用。根据《进口民用航空器重要改装设计合格审定程序》(AP-21-15)和《补充型号合格审定程序》(AP-21-14)，总结出直升机医疗地板适航取证的流程[7-8]，如图4所示。

图2 医疗地板优化云图Fig.2 Medical floor optimization cloud map

图3 拓扑优化后医疗地板模型Fig.3 Medical floor model after topology optimization

图4 直升机改装适航取证流程Fig.4 Helicopter modification airworthiness certification process

在适航取证的流程中[9]，有四大核心部分。第一部分是直升机设计更改类型的确定。对于直升机不同的更改程度，其所对应的适航规章不同，适航当局的审查流程与干预程度会有区别。对于直升机的设计小改所对应的申请证书为“重要改装设计批准书(modification design approval, MDA)”，而设计大改对应的证书为“补充型号合格证(supplementary type certification, STC)”。第二部分是申请人确定适用于本次改装的适航规章。第三部分是申请人和适航当局进行技术熟悉性会议，确定最终的能验证设计更改符合性的、合适的审定基础，并且确定审定基础对应的符合性验证方法。第四部分是进行试验验证与检查，即通过具体的试验验证、试飞、仿真试验、机上检查等来验证设计更改对于适航规章的符合性。

2.2 直升机医疗地板改装的审定基础与符合性验证方法的确定

对某型直升机医疗地板改装包安装完成后会对直升机的载重平衡造成较为显著的影响，属于设计大改，申请人需要申请取得的证书是补充型号合格证(STC)，并且该型直升机为正常旋翼类大型飞机，所以最终参考其的型号合格证(type validation certificate, TC)的基础上确定本次设计更改参照CCAR-29-R1部的适航规章[10]。其次，本次医疗地板的改装属于紧急医疗服务的范围之内，所以根据AC-21-AA-2014-36咨询通告中的附件A更改分类中的旋翼航空器更改可得，改装属于设计大改中的非重大更改。然而对于直升机的非重大更改，早期的适航要求是可以作为其的审定基础，但不能早于原审定基础[11]。

对于每一条审定基础，要选择正确的符合性验证方法去验证。而符合性验证方法是用来验证医疗地板的某些性能是否满足适航条款所规定的内容和标准。

对于本次直升机医疗地板的改装，最终确定的部分审定基础及其对应的符合性验证方法如表2所示。

3 适航符合性验证方法

3.1 分析与计算方法(MC2)

3.1.1 医疗地板结构静强度分析

(1)建立直升机改装的医疗地板模型。根据拓扑优化设计的医疗地板，在SolidWorks中建立医疗地板模型，最终建立的优化的医疗地板如图3所示，医疗地板通过螺栓固定在直升机原有的地板上，然后再将医疗担架、医疗设备固定架安装上，整体图如图5所示。

(2)对医疗地板进行静强度仿真分析。将建好后的医疗地板模型导入Ansys Workbench中，对医疗地板的材料属性进行定义，对医疗地板进行网格划分，接触设置，同时对连接到直升机地面的每个螺栓底面施加固定约束。而对于本次模型直升机的载荷的施加，根据CCAR-29.561(b)的规章要求，当改装后的直升机受到规章中要求的极限载荷时，应该约束住改装的直升机上每一个存在质量的物体，防止其受到损害。再根据在医疗地板上的患者及医疗担架的总重为93.5 kg，计算出单个医疗担架的每一个方向上地板所受的极限载荷。极限载荷系数和医疗地板所受极限载荷如表3所示。

表2 审定基础及其对应的符合性验证方法Table 2 The basis of examination and approval and the corresponding verification method of conformity

图5 医疗地板安装后整体图Fig.5 Overall picture after installation of medical floor

表3 极限惯性载荷系数及极限载荷Table 3 Ultimate inertia load coefficient and ultimate load

(3)结果后处理及分析。根据适航条款的要求，通过利用Ansys Workbench进行分析计算，得出了医疗地板分别在受到6个方向的极限载荷时的最大应力及位置，以向前16g的极限载荷为例，地板所受的应力分布图如图6所示。

最后得出每个方向的应力极限载荷下的医疗地板所受最大应力以及对应的安全系数，并且通过安全系数的计算公式σb/σmax计算出安全系数，其中σb为医疗地板的屈服强度，其值为260 MPa；σmax为最大应力值。如表4所示。而根据CCAR-29.303条的安全系数的规定，对于医疗地板的强度验证的安全系数必须大于等于1.5。

图6 向前16g应力分布Fig.6 16g forward stress distribution

表4 应力结果分析表Table 4 Stress result analysis table

通过上诉的分析计算，医疗地板在各个极限载荷下安全系数大于1.5，结构的强度不会失效，同时也通过上述的分析计算，验证了医疗地板的载荷、安全系数、强度和变形符合适航条款的要求[12]。

3.1.2 医疗地板载重与平衡分析

本次某型直升机的医疗地板改装，最终保留了原直升机的4张座椅，其他座椅均被拆除。而加装的医疗地板本身质量为14.7 kg，在满载人员的情况下，两个飞行员加4名机组人员共重480 kg，直升机净重为3 770 kg，而该型直升机为双担架改装，改装后医疗地板上可容纳两名患者，患者和担架总重为187 kg。而根据CCAR-29.27重心限制的条款规定，需要对改装后的直升机进行载重平衡分析。改装后的直升机重心计算公式为

(2)

式(2)中：li为直升机医疗地板上各个带有质量的物体在直升机中的站位，可由该型直升机的飞行手册得知；mi为各个物体的质量；Mi为各个物体对于直升机自身原点的横向或纵向力矩；n为影响直升机重心的物体个数；L为满载的直升机最终加装医疗地板后的重心位置。所以根据最终的计算以及查询该型直升机的飞行手册，可得出如表5所示的重心计算表[13]。

所以将医疗地板加装在直升机上，并且加入医疗地板上的担架及患者的质量，最终得出医疗地板改装包对飞机纵向和横线的重心影响，对于纵向重心位置为lz=5.495 m，横向重心位置为lh=0.55×10-2m。根据该型直升机的飞行手册重心限制的要

表5 重心计算表Table 5 Center of gravity calculation table

求，如图7所示，加装医疗地板后，直升机的纵向和横向重心都在规定范围内。

通过分析和计算，得出该型直升机加装医疗地板后，直升机重心范围均在直升机飞行手册中要求的重心范围内，所以符合重心限制的要求。

3.2 条款符合性说明方法(MC1)

对于该型直升机的某些审定基础需要对其进行条款符合性说明。比如对于§29.25重量限制条款，某型直升机加装医疗地板后，拆除了原来的8张座椅，加上医疗地板上双担架及患者质量为204.4 kg，远小于原来的8张座椅在满载的情况下，飞机承重640 kg。所以加装直升机医疗地板后满足重量限制的要求。

对于条款§29.603材料，本次某型直升机医疗地板的改装所用材料为6061-T6航空铝合金，满足经批准的标准AMS-QQ-A-225/118，该材料的强度、适用性和耐久性能较好。本次改装的改装包的非金属材料为聚碳酸酯，该材料具有阻燃性，强度、耐久性能较好。

图7 加装医疗地板后直升机重心图Fig.7 Helicopter center of gravity diagram after installing medical floor

对于§29.803应急撤离条款，本次对直升机加装医疗地板后，以直升机两侧的客舱门可作为应急出口，对于直升机的应急撤离能力，进行了实际演练，保证最大载客数时机组人员及乘客能在90 s内安全撤离，因此改装对直升机的应急撤离能力无影响[14]。

对于本次某型直升机医疗地板的改装的审定基础，采取实际演练、技术说明等说明性文件对其进行符合性的验证，最终都符合适航条款要求。

3.3 医疗地板试验验证方法(MC4)

改装后直升机的医疗地板对于某些适航条款的符合性，需要应用试验室验证的方法对其进行验证。

采用多功能试验台、担架及担架固定组件、木质假人以及6061-T6铝合金医疗地板，通过10 MPa级的液压设备进行加载，总的试验图如图8所示。

同时根据CCAR29.561(b)3所定义的惯性载荷系数乘以1.15作为地板试验载荷系数。假设实验室双担架上都载有患者，其总重为187 kg。所以最终进行试验验证所需加载在医疗地板上的载荷如表6所示。

图8 试验验证Fig.8 Test verification

表6 地板惯性载荷系数表Table 6 Floor inertia load coefficient table

通过试验加载，改装的直升机医疗地板上施加的极限载荷至少保持3 s，结构能承受极限载荷而不破坏，所以医疗地板符合CCAR29.305(b)条款要求[15]。

4 结论

首先采用拓扑优化的原理，利用变密度法对需要进行改装的直升机的医疗地板进行拓扑优化设计，在保证加装医疗地板的强度的前提下，大大降低了其重量。其次对直升机改装后适航取证审定的流程进行了分析，确定出本次该型直升机改装的医疗地板的审定基础及其对应的符合性验证方法。最后是对直升机改装的医疗地板的适航符合性验证方法进行研究，利用MC2的分析计算方法对直升机改装后的医疗地板的静强度和载重平衡进行分析，利用MC1方法对医疗地板改装所需的材料、紧固件、通风等情况进行了条款符合性说明，同时利用MC4方法对医疗地板的强度进行了试验室验证。最后得出该型直升机拓扑优化后医疗地板满足适航规章的要求。