陳家輝, 李艷軍, 曹愈遠(yuǎn), 馬新宇

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院, 南京 211106)

民用飛機(jī)在飛行過(guò)程中,可能因?yàn)樵O(shè)備故障、惡劣天氣等原因,會(huì)在緊急情況下發(fā)生應(yīng)急著陸的情況,在應(yīng)急著陸過(guò)程中,主要通過(guò)飛機(jī)底部結(jié)構(gòu)吸收沖擊的能量,防止過(guò)大的變形。但是針對(duì)乘員的直接保護(hù)是取決于座椅結(jié)構(gòu)和座墊的能量吸收以及安全帶的約束,避免乘員遭受嚴(yán)重沖擊載荷或與艙內(nèi)其他部件發(fā)生碰撞[1]。由于座椅系統(tǒng)是地面轉(zhuǎn)移到機(jī)上乘客的負(fù)載路徑中主要的子系統(tǒng)之一,因此它受到了極大的關(guān)注,在飛機(jī)墜撞時(shí)候,座椅結(jié)構(gòu)和坐墊發(fā)生變形吸收沖擊的能量,以滿足座椅的適墜性來(lái)保護(hù)機(jī)上乘客安全。

為了滿足航空座椅系統(tǒng)的適墜性,在飛機(jī)墜撞時(shí)保護(hù)乘客安全,同時(shí)避免座椅發(fā)生過(guò)大的意料外的形變影響乘客的安全撤離,國(guó)外出臺(tái)相關(guān)航空座椅的安全條例[2-4]。中國(guó)民用航空器適航標(biāo)準(zhǔn)23、25、27和29部中都對(duì)航空座椅提出了嚴(yán)格的性能要求[5-8]。其中涉及座椅重量、極限慣性載荷、最大變形、安全帶約束等技術(shù)指標(biāo)。目前,座椅碰撞試驗(yàn)是聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)認(rèn)可的唯一可靠驗(yàn)證方法[9]。但是座椅的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)涉及多剛體假人的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和損傷、能量吸收、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)、非線性分析等復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題。目前進(jìn)行試驗(yàn)室的物理試驗(yàn)是評(píng)估航空座椅安全性的最直接也是最可靠的方法。但是飛機(jī)的設(shè)計(jì)周期因此也受到認(rèn)證測(cè)試要求的嚴(yán)重制約,完全基于物理試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)座椅的安全性,需要進(jìn)行反復(fù)的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn),這不僅花費(fèi)的成本巨大,設(shè)計(jì)周期也會(huì)大大延長(zhǎng),座椅系統(tǒng)的碰撞行為也很難用純粹的分析方法來(lái)預(yù)測(cè)。

國(guó)外學(xué)者已經(jīng)使用數(shù)值方法對(duì)航空座椅的適墜性以及座椅結(jié)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了許多研究[10-14]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究處于起步階段[15-17]。國(guó)內(nèi)開展的相關(guān)研究主要集中在剛性座椅上,對(duì)于彈性座椅和直升機(jī)上的座椅的研究很少。同時(shí)國(guó)內(nèi)缺少座椅對(duì)于乘客安全保護(hù)的分析研究,難以正確評(píng)估航空座椅對(duì)乘員的保護(hù)能力,更不可能提出對(duì)設(shè)計(jì)的改進(jìn)。若能通過(guò)數(shù)值模型可以準(zhǔn)確地反映出航空座椅系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變形和動(dòng)態(tài)響應(yīng),進(jìn)而優(yōu)化航空座椅設(shè)計(jì)提高安全性。

現(xiàn)主要針對(duì)某旋翼類航空器設(shè)計(jì)的新型座椅系統(tǒng)為例,基于多剛體動(dòng)力學(xué)和顯示動(dòng)力學(xué)理論完成了人椅耦合系統(tǒng)的建模,結(jié)合CCAR 27規(guī)章中的垂直動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)要求,進(jìn)行某型號(hào)直升機(jī)后向座椅的動(dòng)態(tài)沖擊仿真。進(jìn)行仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析對(duì)比,確立仿真模型的有效性以及分析座椅結(jié)構(gòu)的安全性。采用有限元法分析假人的損傷指標(biāo)數(shù)據(jù),為仿真技術(shù)輔佐航空座椅設(shè)計(jì)和開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 垂直動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)

航空座椅的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)與靜載試驗(yàn)不同,靜載試驗(yàn)關(guān)注于飛機(jī)機(jī)身導(dǎo)軌的連接強(qiáng)度以及座椅自身強(qiáng)度是否滿足性能要求。而動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是用于評(píng)估航空座椅/乘員系統(tǒng)在飛機(jī)墜撞等惡劣環(huán)境下人體生理耐受指標(biāo)、座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形、性能能否滿足規(guī)章要求的重要試驗(yàn),對(duì)座椅系統(tǒng)在動(dòng)載環(huán)境下保護(hù)乘客的安全性評(píng)估具有不可替代性。

垂直方向測(cè)試的目的是評(píng)估緊急著陸條件,座椅受到垂直載荷沖擊下的結(jié)構(gòu)完整性和脊柱損傷,因?yàn)橹饕臎_擊是沿著乘者的脊柱。中國(guó)民用航空局在其法規(guī)CAAC 23、25、27和29部中定義了座椅垂直沖擊測(cè)試的條件如圖1所示。從圖中可以看出旋翼類航空器的座椅系統(tǒng)與飛機(jī)相比,工作環(huán)境更加惡劣,試驗(yàn)所需的峰值加速度更大,峰值時(shí)間更少,對(duì)座椅的安全性能有更高的要求,因此該型號(hào)的座椅設(shè)計(jì)更加復(fù)雜,設(shè)計(jì)周期更長(zhǎng)。

圖1 中國(guó)民用航空規(guī)章垂直沖擊測(cè)試條件Fig.1 Vertical impact test conditions of China Civil Aviation Regulations

在西安中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所進(jìn)行航空座椅的30g(g為重力加速度,g=9.8 m/s2)垂直動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)。根據(jù)引用標(biāo)準(zhǔn)SAEAS 8049B《民用旋翼航空器和運(yùn)輸類飛機(jī)座椅性能標(biāo)準(zhǔn)》中&5.3的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)要求,研究對(duì)象是航空座椅/乘員系統(tǒng),由ATD(anthropomorphic test device)假人、航空座椅、安全帶約束系統(tǒng)組成。

在動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)中,帶有假人的座椅通過(guò)導(dǎo)軌被固定在沖擊滑臺(tái)上,沖擊前使座椅的每個(gè)支腿相對(duì)于未變形的地板結(jié)構(gòu)俯仰10°、滾動(dòng)10°,其目的是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力,并模擬飛機(jī)在緊急著陸過(guò)程中地板結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重變形。沖擊開始將三角形加速度脈沖施加到水平?jīng)_擊滑臺(tái)上。這個(gè)脈沖可以將座椅提高到最小要求速度并相應(yīng)地使其減速來(lái)模擬。在垂直方向試驗(yàn)中,座椅必須經(jīng)歷最小9.14 m/s的速度變化,從而在31 ms內(nèi)承受至少承受30g的載荷,試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 動(dòng)態(tài)垂直沖擊試驗(yàn)要求Table 1 Requirements for dynamic vertical impact test

垂直動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)中慣性加載方向,將向下偏30°角30g沖擊試驗(yàn)轉(zhuǎn)換為向前以水平方向?yàn)榛鶞?zhǔn)偏轉(zhuǎn)60°沖擊試驗(yàn),經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后,試驗(yàn)座椅仍然與沖擊方向保持30°,沖擊效果相同,滿足其試驗(yàn)要求。最后直升機(jī)后向航空座椅的垂直沖擊試驗(yàn)如圖2所示,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后要根據(jù)適航條款中標(biāo)準(zhǔn)要求評(píng)估假人的損傷、座椅的變形情況和連接件的失效。

圖2 航空座椅沖擊加載Fig.2 Impact loading of aviation seat

在旋翼類航空器中,座椅朝向不固定,有前后向座椅(機(jī)頭方向?yàn)榍?和側(cè)向座椅。研究表明,人的耐受能力取決于束縛系統(tǒng)與乘客的接觸面積。在受到縱向方向的沖擊時(shí),后向座椅與乘客接觸面積更大、支撐更好,更加有利于乘員的保護(hù)。但是座椅靠背結(jié)構(gòu)要承受乘客上部軀干的慣性力,防止乘客過(guò)度的前移趨勢(shì),因此后向座椅的設(shè)計(jì)要保證能承受乘客身體作用于靠背結(jié)構(gòu)的載荷和力矩。本文研究選定H135直升機(jī)的后向座椅進(jìn)行建模分析,后向座椅的垂直沖擊試驗(yàn)要將沖擊方向掉轉(zhuǎn)180°,試驗(yàn)情況如圖3所示。

圖3 后向座椅的沖擊試驗(yàn)Fig.3 Impact test of rear facing seat

2 基本原理

2.1 動(dòng)態(tài)有限元法

在座椅沖擊中,有包含非線性微分方程的非線性多自由度問(wèn)題,求解出給定初始條件問(wèn)題、位移、速度和加速度的數(shù)值解。所有其他的未知數(shù),如應(yīng)力、應(yīng)變、能量等均可由位移、速度和加速度的基本值推導(dǎo)而出。

(1)

由于所有這些項(xiàng)都是時(shí)間相關(guān)的,因此在動(dòng)力學(xué)分析中,假設(shè)t時(shí)刻的靜態(tài)平衡,包括與加速度相關(guān)的慣性力的影響,與速度相關(guān)的阻尼力都是需要考慮進(jìn)去的。對(duì)于解決這種高度非線性的瞬態(tài)問(wèn)題,一般采用顯示方法[18],顯式分析非常適合于動(dòng)態(tài)模擬,如沖擊分析和碰撞分析。

2.2 顯示動(dòng)力學(xué)

在顯式方法中,“中心差分方案”等時(shí)間積分方法是主要使用的。在該方法中,將方程中的平衡關(guān)系看作是一個(gè)常系數(shù)的常微分方程組,并且可以使用根據(jù)位移近似加速度或速度的任何方便的有限差分表達(dá)式。

(2)

(3)

式中:t為時(shí)間間隔。

分別代入方程式(2)和式(3)中的速度值和加速度值,改寫方程式(1)為

(4)

從式(3)中減去式(2),然后改寫公式為

(5)

(6)

將Un-1從式(6)代入式(4),可以確定Un+1的值,因此可以計(jì)算出時(shí)間步長(zhǎng)n+1的其他未知數(shù),如位移、速度、加速度。

3 座椅/乘員系統(tǒng)仿真方法

圖4顯示了飛機(jī)座椅系統(tǒng)的有限元方法,主要由座椅結(jié)構(gòu)、滑軌和靠墊、約束系統(tǒng)和50百分位假人模型組成。座椅系統(tǒng)的非線性瞬態(tài)有限元分析采用以下步驟:①座椅結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)組件的有限元建模;②材料測(cè)試和部件驗(yàn)證;③加載和邊界條件;④虛擬驗(yàn)證;⑤輸出結(jié)果分析。

圖4 飛機(jī)座椅系統(tǒng)的有限元分析方法Fig.4 Finite element analysis method of aircraft seat system

3.1 座椅有限元的建模

本文座椅為新設(shè)計(jì)開發(fā)的某醫(yī)護(hù)直升機(jī)座椅,主要材料為7075-T6鋁合金,質(zhì)量為14.3 kg。其中座椅結(jié)構(gòu)包括座椅框架、坐墊、背墊、4點(diǎn)式安全帶、快接地板組件,該座椅的三維模型如圖5所示。

圖5 座椅結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of seat structure

首先是對(duì)座椅的CAD幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,大多數(shù)飛機(jī)座椅組件是機(jī)械加工和復(fù)雜的幾何形狀。座椅框架幾何圖形是不同厚度、肋條、圓角、半徑和倒角的組合,保留座椅主要的受力部件,通過(guò)簡(jiǎn)化復(fù)雜的幾何形狀可以減少計(jì)算時(shí)間提高效率。

座椅的有限元建模中對(duì)于框架、坐墊和背墊采用以六面體單元為主進(jìn)行劃分,座椅板和圓壁管首先在其原有幾何基礎(chǔ)上抽取中面,在采用殼單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分,厚度按照原有厚度進(jìn)行賦予,采用剛性連接模擬螺栓、焊接連接。

航空座椅網(wǎng)格劃分的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[19]如表2所示,要求95%的網(wǎng)格滿足該質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表2 實(shí)體單元和殼體單元的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Quality standards for solid units and shell units

經(jīng)過(guò)Hypermesh軟件的自檢中,座椅有限元模型滿足網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求,因此該模型質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是合格的,在之后的計(jì)算分析中也更加高效和穩(wěn)定。

3.2 網(wǎng)格單元和材料屬性

根據(jù)中外研究和經(jīng)驗(yàn),六面體單元使用單點(diǎn)積分算法,計(jì)算更加穩(wěn)定且能有效阻止負(fù)體積的出現(xiàn),殼單元使用對(duì)于大變形問(wèn)題計(jì)算穩(wěn)定有效的Belytschko-Tsay公式,該種單元是縮減積分單元,計(jì)算速度快。使用相對(duì)恒定的元素尺寸范圍在3～6 mm。對(duì)于所選的時(shí)間步長(zhǎng)為2.8×10-7s,為了保持?jǐn)?shù)值穩(wěn)定性,模型中最小元素限制在不小于2 mm。

座椅框架采用航空鋁材7075-T6,材料屬性使用MAT24中彈塑性材料的雙線性本構(gòu)模型,參數(shù)如表3所示。

表3 7075-T6材料參數(shù)Table 3 7075-T6 Material Parameters

坐墊、靠墊的發(fā)泡材質(zhì)為聚氨酯泡沫,材料模型選用高壓縮低密度泡沫材料MAT57進(jìn)行模擬[20]。聚氨酯泡沫模型可用于模型高可壓縮的泡沫,適用于座墊材料,可以很好地模擬卸載時(shí)的滯后現(xiàn)象。

該材料密度為60 kg/m3,楊氏模量為0.25 MPa。在LS-DYNA中發(fā)泡材料定義的加載-卸載名義應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。

圖6 聚氨酯泡沫應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress strain curve of polyurethane foam

3.3 約束和加載

根據(jù)《旋翼航空器、運(yùn)輸類飛機(jī)和小飛機(jī)座椅系統(tǒng)》(CTSO-C127b)中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,旋翼航空器(B-2型)必須按照?qǐng)D7所示要求完成垂直動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)。

圖7 地板變形示意Fig.7 Schematic diagram of floor deformation

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求建立出加速脈沖的導(dǎo)軌,將座椅與導(dǎo)軌約束。試驗(yàn)要求的三角形脈沖載荷添加到座椅導(dǎo)軌上,并將導(dǎo)軌設(shè)置為剛體,避免不必要的變形。在加速脈沖施加的同時(shí),為模擬出地板的變形情況,采用動(dòng)態(tài)松弛法進(jìn)行座椅的預(yù)變形(俯仰和滾動(dòng)),并將假人和座椅添加的1g的重力加速度。

采用一維剛性單元和二維殼單元完成四點(diǎn)式安全帶模型。一維剛性單元用于安全帶和連接點(diǎn)的連接,二維殼單元模擬安全帶織物對(duì)假人的約束。

4 航空假人/座椅系統(tǒng)模型動(dòng)態(tài)響應(yīng)

按照上述方法建立好H135直升機(jī)的航空假人/座椅約束系統(tǒng)(B-2型),該航空假人/座椅模型總過(guò)包含71 290節(jié)點(diǎn),36 641體單元,10 822殼單元,該模型中數(shù)值假人的初始姿勢(shì)與試驗(yàn)中物理假人初始姿勢(shì)需要保持一致。物理假人關(guān)鍵部位的馬克標(biāo)三維坐標(biāo)定位了初始坐姿,依據(jù)定位的頭部、膝部、手部、H 點(diǎn)、肩部、腳踝等關(guān)鍵部位馬克標(biāo)坐標(biāo)擺放數(shù)值假人,實(shí)現(xiàn)數(shù)值假人與物理假人初始坐姿一致性,如圖8所示。

圖8 航空假人/座椅系統(tǒng)模型Fig.8 Aero dummy/seat system model

在航空座椅的動(dòng)態(tài)沖擊仿真中,大多數(shù)運(yùn)用的是瞬態(tài)的非線性分析和多剛體動(dòng)力學(xué)理論[21]。本文研究利用通用的有限元程序LS-DYNA進(jìn)行仿真分析,LS-DYNA用于分析三維結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng),它采用中心差分法對(duì)時(shí)間積分進(jìn)行非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析程序。

為了驗(yàn)證該模型的有效性,將座椅/乘員系統(tǒng)的有限元模型導(dǎo)入非線性有限元軟件LS-DYNA中進(jìn)行模擬仿真,并將仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

仿真結(jié)束后,檢查仿真輸出的數(shù)據(jù)。一般要求最終質(zhì)量增加不得超過(guò)5%,沙漏能小于總體內(nèi)能的10%[22]。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),在整個(gè)沖擊過(guò)程中,模型整體質(zhì)量增加和沙漏能占比遠(yuǎn)小于上述要求,因此仿真結(jié)果可行度高。

4.1 響應(yīng)數(shù)值評(píng)估

為了評(píng)估所提出的座椅系統(tǒng)模型的可靠性,對(duì)脊椎與骨盆間的載荷進(jìn)行了數(shù)值監(jiān)測(cè)和評(píng)估,比較試驗(yàn)和仿真的數(shù)據(jù)。根據(jù)SAE ARP 5765A,利用幅度誤差(Error) 和綜合誤差(CSG)兩個(gè)指標(biāo)評(píng)估載荷曲線的相關(guān)性及模型的有效性。

曲線的幅度誤差為

(7)

式(7)中:PeakTest為試驗(yàn)峰值;Peaksim為仿真峰值。

曲線峰值時(shí)刻誤差為

(8)

式(8)中:tTest為試驗(yàn)峰值時(shí)刻;tsim為仿真峰值時(shí)刻。

利用Sprague和Geers綜合誤差計(jì)算曲線形狀誤差。給定兩個(gè)相同長(zhǎng)度的時(shí)間內(nèi),參考數(shù)據(jù)的m(t)和對(duì)比數(shù)據(jù)c(t),t1、t2是試驗(yàn)的開始和結(jié)束時(shí)間,將定義以下時(shí)間積分得到Imm、Icc和Imc。

(9)

(10)

(11)

式中:Imm為參考曲線平方項(xiàng)積分;Icc為對(duì)比曲線平方項(xiàng)積分;Imc為參考曲線與對(duì)比曲線乘積項(xiàng)積分。

仿真模型的的幅度誤差隨后被定義為

(12)

誤差的定義為

(13)

最后得出Sprague和Geers的綜合誤差的定義為

(14)

將仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行提取,與試驗(yàn)在標(biāo)記點(diǎn)的加速度和速度方面的比較如圖9所示。標(biāo)記點(diǎn)位于骨盆處的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果如圖10所示,隨著在橫軸上的時(shí)間和脊柱負(fù)荷在縱軸上的變化,線形圖顯示了假人的腰椎力在碰撞期間時(shí)間變化的趨勢(shì)。橙色曲線表示模擬結(jié)果,藍(lán)色曲線表示試驗(yàn)結(jié)果,主要模擬0～62 ms的沖擊結(jié)果,在0 ms對(duì)座椅施加初始加速度,約在17 ms座椅與假人開始發(fā)生碰撞,在大約在47 ms假人的腰椎載荷達(dá)到頂峰然后開始下降。

圖9 導(dǎo)軌加速度和速度Fig.9 Rail acceleration and speed

圖10 假人腰椎載荷數(shù)值對(duì)比Fig.10 Comparison of dummy lumbar spine load values

在60°的沖擊下,假人腰椎力是主要評(píng)測(cè)數(shù)據(jù),也是判定模型有效性的重要指標(biāo)之一。試驗(yàn)中最大腰椎載荷為5 291 N,仿真結(jié)果中最大腰椎載荷為5 654 N,結(jié)果均小于規(guī)定的最大腰椎載荷6 670 N。由圖9中仿真數(shù)據(jù)曲線與試驗(yàn)的實(shí)際曲線對(duì)比中,可以看出曲線的大致形狀、峰值大小和脈沖形狀均保持良好的一致性,曲線峰值誤差、峰值時(shí)刻誤差和形狀誤差均小于8%,在實(shí)際工況下,這種程度的誤差是可以接受的,說(shuō)明通過(guò)上述方法建模是合理有效的,有效仿真模型可以為物理試驗(yàn)提供參考依據(jù)和提供相應(yīng)的改進(jìn)措施。

4.2 有限元法對(duì)座椅系統(tǒng)的響應(yīng)分析

在座椅沖擊過(guò)程中,航空假人的重力、慣性力是座椅承受的主要載荷。其中,假人自身的重力以及由于座椅向前加速導(dǎo)致的慣性力主要施加在座椅坐盆上,假人慣性力是垂直于坐墊上的,因此對(duì)坐盆部位施加的載荷較大。

如圖11(a)所示,表示飛機(jī)地板變形導(dǎo)致座椅外框架的扭曲,相對(duì)于左外框架的俯仰變形,右外框架的滾轉(zhuǎn)變形更加嚴(yán)重,會(huì)對(duì)連接螺栓及薄壁圓管施加更大的力和力矩,導(dǎo)致更容易使框架出現(xiàn)破壞。由此看出,飛機(jī)地板的變形對(duì)于座椅動(dòng)態(tài)沖擊中會(huì)受很大影響,同時(shí)也模擬出飛機(jī)緊急墜落的嚴(yán)峻情況,可提高座椅設(shè)計(jì)的安全性。

圖11 座椅部件變形情況Fig.11 Deformation of seat parts

外框架由于飛機(jī)地板變形影響產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)和前傾,因此對(duì)將框架相連接的座椅板產(chǎn)生了很大的作用力和扭矩,使之產(chǎn)生了明顯的塑形變形。如圖11(b)所示,這種大幅度變形一是因?yàn)轱w機(jī)地板變形,改變外框架和坐盆框架的受力框架,導(dǎo)致座椅板出現(xiàn)扭曲變形,二是由于沖擊主要沿著人體的脊椎方向,為了避免乘客的腰椎和脊椎受到過(guò)大的沖擊,保護(hù)乘客安全,座椅板產(chǎn)生較大塑性形變來(lái)提供緩沖。

座椅中對(duì)乘員的腰椎的保護(hù)取決于座椅結(jié)構(gòu)、底盤和座墊的組合緩沖距離,有效的緩沖距離可以減少了乘員在沖擊時(shí)的速度積累,對(duì)于減少腰椎載荷起到關(guān)鍵性作用。如圖12所示,該座椅的設(shè)計(jì)是當(dāng)承受過(guò)大載荷時(shí),座椅框架的連接螺栓出現(xiàn)滑動(dòng),將迫使假人向下合成運(yùn)動(dòng),增加假人的緩沖距離,起到保護(hù)乘客的目的。

圖12 座椅緩沖裝置Fig.12 Seat buffer device

4.3 乘客的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

為了進(jìn)一步探究該座椅系統(tǒng)的安全性,研究在擴(kuò)大乘客體格覆蓋范圍(95%)后對(duì)直升機(jī)座椅系統(tǒng)的影響和安全性。進(jìn)行了相應(yīng)的有限元建模和分析,以演示或比較使用第95百分位假人模型對(duì)重要測(cè)試參數(shù)的影響,比較第50位和第95位男性假人的體重、身高等情況。結(jié)果如表4所示。

表4 第50分位和第95分位男性假人參數(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of 50th and 95th percentile male dummy parameters

在座椅垂直沖擊仿真中,使用50分位和95分位假人進(jìn)行有限元仿真分析,表5為不同體格假人的損傷和座椅系統(tǒng)負(fù)載的比較。

表5 動(dòng)態(tài)沖擊部分指標(biāo)對(duì)比Table 5 Comparison of Dynamic Impact Indexes

動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)結(jié)束后,座椅結(jié)構(gòu)仍然連接在導(dǎo)軌上,主要載荷傳遞路徑保持完好,乘員約束系統(tǒng)能經(jīng)受動(dòng)態(tài)載荷后與所有連接點(diǎn)保持連接,座椅的永久變形在規(guī)定的量值限度內(nèi),并且不顯著地妨礙乘員解脫約束、站起來(lái)以及離開座椅。由于假人頭部沒(méi)有和其他部件發(fā)生碰撞,因此HIC值較低,由于沖擊是沿著腰椎方向,腰椎承受大部分載荷,座椅吸能效果不夠充分,導(dǎo)致對(duì)假人的腰椎損傷指標(biāo)較大。

從乘客安全的角度來(lái)看,為了承受更大體格的乘客,有必要評(píng)估適合更大體積乘客的飛機(jī)座位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性。相比于50分位假人,95分位假人的重量重了大約27%,身高增高了約7%。在動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)中,仍然滿足適航規(guī)章27部規(guī)定,假人的損傷增加了15%～25%,座椅的負(fù)載增加了10%～20%。

4.4 改進(jìn)與建議

從仿真結(jié)果來(lái)看,乘客的各項(xiàng)傷害指標(biāo)均未超過(guò)規(guī)定值,滿足適航規(guī)章要求,因此在緊急墜落時(shí),該型號(hào)座椅能夠滿足機(jī)上乘客的安全性要求。但在垂直沖擊過(guò)程中,座椅坐墊和座椅板變形嚴(yán)重,座椅板的部分連接出現(xiàn)了脫落,可能會(huì)對(duì)乘客的撤離產(chǎn)生不利的影響,若連接完全失效,腰椎力可能出現(xiàn)二次峰值,超過(guò)人體耐受極限,存在一定的安全隱患。其中假人的腰椎受到損傷是最大的,也是最容易受到傷害的部位,因此座椅的設(shè)計(jì)應(yīng)該關(guān)注于對(duì)假人腰椎的保護(hù)作用。增加座椅板與座椅框架連接件結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,優(yōu)化沖擊載荷的傳遞路徑,增加乘客下墜的緩沖距離等措施。

5 結(jié)論

(1)提出了一種直升機(jī)座椅的有限元?jiǎng)討B(tài)分析方法,由座椅結(jié)構(gòu)、墊子、約束系統(tǒng)和50分位的假人組成的非線性有限元模型。該模型將約束載荷、地板變形和導(dǎo)軌載荷相互關(guān)聯(lián)起來(lái)。有限元結(jié)果和檢驗(yàn)結(jié)果的比較表明了有著較好的一致性,建立了有限元方法評(píng)估的可信度。

(2)根據(jù)航空航天標(biāo)準(zhǔn),即SAE AS8049B和CCAR-27-R2,進(jìn)行某型號(hào)直升機(jī)座椅的垂直動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)。研究人體最大容差極限和直升機(jī)機(jī)座最小性能標(biāo)準(zhǔn)的估計(jì)方法,這為直升機(jī)的適墜性評(píng)估提供了參考。相比50分位假人,95分位的假人受到的損傷增加了15%～25%,座椅負(fù)載增加了10%～20%,總體來(lái)說(shuō),需要做更多的研究來(lái)確定在為更大體格的人群設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)座椅重量的影響。

(3)該型號(hào)直升機(jī)的座椅基本滿足適墜性要求,但是座椅板連接容易在沖擊過(guò)程失效,可能會(huì)導(dǎo)致腰椎受到更大的載荷和乘客逃脫時(shí)受到阻礙;座椅當(dāng)承受過(guò)大載荷,連接螺栓向下滑動(dòng)進(jìn)行乘員的保護(hù)機(jī)制可靠性程度較低,可能會(huì)在實(shí)際沖擊過(guò)程中無(wú)法起到保護(hù)作用;地板的變形會(huì)加劇座椅整體結(jié)構(gòu)的破壞,在后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)中應(yīng)該考慮。