李 濤 王曉強 黃艷平

（1.海軍駐襄樊地區(qū)航空軍事代表室 襄陽 441003）

（2.航宇救生裝備有限公司 襄陽 441003）

應(yīng)急滑梯撤離速率數(shù)值模擬及試驗驗證?

李 濤1王曉強2黃艷平2

（1.海軍駐襄樊地區(qū)航空軍事代表室 襄陽 441003）

（2.航宇救生裝備有限公司 襄陽 441003）

論文系統(tǒng)的分析了應(yīng)急滑梯的撤離速率，給出了撤離速率的理論曲線，建立了應(yīng)急滑梯的三維幾何模型，并利用LS-DYNA軟件建立了應(yīng)急滑梯的有限元模型，成功模擬了乘員撤離過程，得到了應(yīng)急撤離速度參數(shù)的變化規(guī)律。同時，為了討論乘員撤離過程數(shù)值計算的準確性，該文對設(shè)計制造的滑梯試驗樣件進行了驗證試驗，并與數(shù)值計算結(jié)果對比，分析了滑梯不同工作內(nèi)壓對撤離速率的影響。

應(yīng)急撤離滑梯；撤離速率；仿真計算；物理實驗

1 引言

應(yīng)急撤離滑梯是民航客機在應(yīng)急情況下幫助乘員逃生的重要輔助設(shè)施，根據(jù)FAA技術(shù)標(biāo)準條例TSO C69（Technical Standard Order）的要求，大型客機上必須裝備應(yīng)急撤離滑梯，以保證乘員在飛機發(fā)生事故時能夠快速撤離。

應(yīng)急撤離滑梯在非應(yīng)急狀態(tài)，折疊包裝于艙門內(nèi)側(cè)滑梯裝飾罩中，當(dāng)乘員需要應(yīng)急撤離時，通過啟動充氣系統(tǒng)，在很短時間內(nèi)（6s內(nèi)）將滑梯氣囊充氣展開成型，為乘員快速撤離飛機提供通道［1］。根據(jù)TSO C69的要求，滑梯應(yīng)能達到在90s內(nèi)完成機上乘員的撤離要求。由于對滑梯重量的嚴格要求，滑梯氣囊材料必須使用輕薄的聚氨酯膠布，經(jīng)粘膠，熱封等工藝，將聚氨酯膠布拼接成內(nèi)空的囊體結(jié)構(gòu)，且大多選擇厚度在0.3mm以下的膠布材料。在應(yīng)急狀態(tài)，滑梯要承受乘員撤離過程的動載荷作用，并且要保證60～70個乘員∕min的撤離率要求。這要求滑梯具有較高的強度，在乘員撤離過程中，氣囊結(jié)構(gòu)不會被壓塌，導(dǎo)致撤離滯留。

2 應(yīng)急滑梯撤離速率

2.1 民用飛機的人員撤離時間

針對民用飛機，適航安全條例規(guī)定：對客座量大于44座的飛機，必須表明其最大乘座量的成員能在90s內(nèi)在模擬的應(yīng)急情況下從飛機撤離至地面，該乘座量包括機組成員人數(shù)在內(nèi)（CCAR25-R4§25.803c）［2］。最初的FAA 規(guī)定的應(yīng)急撤離時間是120s，隨后由于應(yīng)急撤離滑梯的應(yīng)用，在1967年修改規(guī)定，要求制造商執(zhí)行90s演示驗證并一直沿用至今，即使如A380這樣能夠容納800多名乘員的大型客機也必須滿足90s應(yīng)急撤離時間要求［3］。

圖1 滑梯樣件與模擬機艙相連接

2.2 撤離速度

滑梯是民用飛機緊急情況下撤離的重要輔助設(shè)施，滑梯的設(shè)計要保證撤離率要求?；輨討B(tài)模型的開發(fā)是基于有摩擦的曲線軌跡的假設(shè)［4］，用于計算膨脹滑梯上任意給定人員的速度。為了計算速度，需作如下假設(shè)：初始速度、常摩擦因素、滑梯的定值曲率，并且不考慮由于個體重量而引起的滑梯的變形［5］。所需參數(shù)包括：滑梯總長、個體的初始速度、摩擦因素。為了改變這些參數(shù)可以分析他們對速度的影響。在這個模型中忽略空氣阻力的影響。

圖2 下滑曲線示意圖

圖中曲線上任意一點( )x，y，具有單位法向

矢量N和切向矢量T。這些單位矢量可寫為

其中，令：fR:U→F(V),u1→fR(Ui)=(ri1,ri2,…rim)∈F(V),rij=R(Ui,Uj),i=1,2,…,n，j=1,2,…m,則fR就是U到V的模糊影射。

式中：s為弧長。

乘員在下滑過程中受到重力和摩擦力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，得

式中：μ為摩擦因素。

利用歐拉—拉格朗日極值條件，即可求得最大速度。本研究中應(yīng)急撤離滑梯樣件長度為6.8m，正常離地高度為3.5m，滑梯膨脹展開與地面角度為35°。

圖3所示為滑梯不同摩擦因數(shù)下滑個體速度與所用時間的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)摩擦因數(shù)增加，下滑所用時間也將增加。而且，摩擦因數(shù)越高，最大速度和在滑梯末端的速度越小。摩擦因數(shù)為0.6，下滑到末端的速度為3.375m∕s，所用時間為2.17s，摩擦因數(shù)為0.5，下滑到末端的速度為3.6m∕s，所用時間為2.1s，當(dāng)摩擦因數(shù)為0.4時，該值為3.83m∕s，所用時間為1.91s。圖4所示為摩擦因數(shù)為0.4，不同初始速度下，從滑梯下滑所用時間和速度的關(guān)系曲線。

圖3 滑梯不同摩擦因數(shù)下滑速度與時間的關(guān)系（初始速度1m∕s）

圖4 以不同初速下滑所用時間與速度的關(guān)系（摩擦因數(shù)0.4）

3 應(yīng)急滑梯有限元仿真

3.1 三維幾何建模

根據(jù)應(yīng)急滑梯撤離率要求，研究在滑梯不同工作壓力下，撤離速率的大小。

圖5 雙滑道應(yīng)急滑梯三維模型

圖6 滑梯與艙門連接三維模型

根據(jù)TSO-C69c技術(shù)標(biāo)準條例，每個滑道上三個乘員緊連進行撤離試驗，雙滑道共六個乘員，為了便于分析建模，本仿真中采用砂袋替代乘員。建立長寬高為別為0.6m×0.5m×0.3m的長方體，并在前部添加半徑為0.125m的圓角，作為砂袋，一共六個砂袋。砂袋與乘員體重同等，皆為77kg（170磅），密度為855kg∕m3，并連續(xù)緊密地串連起來；砂袋最外層材料設(shè)置0.4的摩擦系數(shù)［6］。

3.2 有限元仿真建模

采用ANSYS進行應(yīng)急滑梯模型的幾何處理與網(wǎng)格處理［7～8］，運用商業(yè)軟件LS-DYNA完成計算，獲得準確的計算結(jié)果，圖7為建立的雙滑道滑梯有限元模型。

圖7 雙滑道滑梯有限元網(wǎng)格模型

模型氣囊內(nèi)壓分別為18kPa、21kPa和25kPa，采用*AIRBAG_SIMPLE_PRESSURE_VOLUME關(guān)鍵字來定義氣壓，并采用動力釋放來進行初始氣壓的加載。

3.3 仿真計算結(jié)果

氣囊在不同初始壓力條件，滑塊運動速率和運動時間不同。初始內(nèi)壓18kPa，滑塊運動到1.80s時剛好達到滑道底部，此時的運動姿態(tài)如圖8（a）所示，最大速度為4.1087m∕s；初始內(nèi)壓21kPa，滑塊運動到1.78s時剛好達到滑道底部，此時的運動姿態(tài)如圖 8（b）所示，最大速度為 4.116m∕s；初始內(nèi)壓25kPa，滑塊運動到1.74s時剛好達到滑道底部，此時的運動姿態(tài)如圖8（c）所示，最大速度為4.2667m∕s。

圖8 滑塊剛好到達底部的運動姿態(tài)

建立局部坐標(biāo)系如圖9所示，提取滑塊在局部坐標(biāo)系下的X方向速度和加速度時間歷程曲線，如圖10、圖11所示。

圖9 局部坐標(biāo)系

如圖10（a），初始內(nèi)壓18kPa，滑塊開始呈加速度運動，當(dāng)t=1.80s時，速度最大為4.1087m∕s，之后開始減速，由于受到后面滑塊的推力，最后速度發(fā)生振蕩直到完全停止；如圖10（b），初始內(nèi)壓21kPa，當(dāng)t=1.78s時，速度最大為4.116m∕s；如圖10（c），初始內(nèi)壓 25kPa，當(dāng) t=1.74s時，速度最大為4.2667m∕s。

圖10 滑塊在局部坐標(biāo)系下的X方向速度時間歷程曲線

圖11 滑塊在局部坐標(biāo)系下的X方向加速度時間歷程曲線

根據(jù)仿真計算結(jié)果可知，在滑梯不同工作壓力，乘員撤離速率基本一致，在25kPa內(nèi)壓撤離速率最大，在18kPa內(nèi)壓撤離速率最小。

4 應(yīng)急滑梯撤離速率試驗

為了進一步驗證滑梯撤離速率與氣囊初始工作壓力的關(guān)系，進行滑梯樣件撤離試驗，試驗方案為，將雙滑道滑梯樣件與模擬機艙連接，每滑道上依次排列三位撤離者，撤離者呈“平底雪撬”型［9～10］排列就座，在試驗開始時，雙滑道六名試驗者同時從滑梯滑下，試驗采用光測測量設(shè)備采集記錄乘員滑動位置與撤離時間。

根據(jù)試驗結(jié)果，當(dāng)t=1.39s，滑梯變形量最大，乘員下滑至滑梯底部2∕3位置，t=1.71s，最前面的乘員剛好滑至滑梯尾端，t=1.79s，六名乘員完成撤離，滑梯恢復(fù)原始形狀。

圖12 滑梯樣件初始內(nèi)壓18kPa撤離試驗

由于滑梯氣柱的遮擋作用，試驗中，未能測得乘員的撤離速率?；萜渌ぷ鲏毫ο碌某冯x時間如表1所示。

5 試驗與仿真結(jié)果對比與分析

為了驗證仿真結(jié)果的準確性，將仿真與試驗結(jié)果作對比，如表1所示。

表1 仿真與試驗結(jié)果對比

根據(jù)仿真計算與試驗結(jié)果，仿真與試驗結(jié)果一致性較好，在滑梯不同的工作壓力下，6名乘員一起滑下的撤離時間在1.9s內(nèi)，可以保證TSO-C69c對撤離率的要求。

本仿真建模手段可應(yīng)用于同類產(chǎn)品工程研制中，為滑梯的撤離速率提供仿真計算依據(jù)。

6 結(jié)語

本文系統(tǒng)的分析了應(yīng)急滑梯的撤離速率，給出了撤離速率的理論曲線，并建立了應(yīng)急滑梯的三維幾何模型，同時利用LS-DYNA軟件建立了應(yīng)急滑梯的有限元模型，成功模擬了乘員撤離過程，得到了應(yīng)急撤離的速度參數(shù)。另一方面，為了討論乘員撤離過程數(shù)值計算的準確性，筆者設(shè)計制造了該型滑梯的試驗樣件并進行了驗證試驗，與數(shù)值計算結(jié)果對比分析；得到了氣囊不同工作壓力對撤離速率的影響關(guān)系：在25kPa工作壓力下，滑梯撤離速率較大，18kPa工作壓力下，撤離速率略小，不同的工作壓力都能滿足對撤離速率的要求。

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Numerical Simulation and Test Verification of the Evacuation rate of the Emergency Evacuation Slide

LI Tao1WANG Xiaoqiang2HUANG Yanping2
（1.The PLA Navy Aviation Military Delegate Office in Xiangfan，Xiangyang 441003）
（2.AVIC Aerospace Life-Support Industries Co.，Ltd，Xiangyang 441003）

This paper analyzed the evacuation rate of the emergency slide，presented the theory curve of the evacuation rates，set up a 3-D model of the emergency slide，and constructed a finite element model of the emergency with LS-DYNA software to simulate the evacuation successfully and come out the change rule of the evacuation rate parameters.In order to canvass the veracity of the numerical estimation of the evacuation，the verification test was carried out for the slide sample and then the test result and the numerical estimation were contrasted to analyze the impact of the different internal pressures on the evacuation rates.

emergency evacuation slide，evacuation rate，simulating calculation，physics test

TN407

10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.017

Class Number TN407

2017年2月10日，

2017年3月18日

李濤，男，碩士，工程師，研究方向：航空救生。王嘵強，男，碩士，助理研究師，研究方向：航空救生。黃艷平，男，高級工程師，研究方向：航空救生。