基于MADYMO的航空座椅约束系统优化设计

李杰　解江　袁鹏　冯振宇

【摘 要】本文以优化某航空座椅约束系统为目的，建立了某假人/座椅约束系统多刚体模型，运用MADYMO软件进行分析。首先运用某机型座椅坠撞试验数据进行比照，验证建模方法的有效性。其次建立某型座椅模型进行坠撞仿真试验。最后，采用正交试验极差分析法，设计五因素四水平试验方案，对该航空座椅进行优化设计。最终结果表明：该优化设计方法使得乘员的脊椎载荷减小了11.14%，显著降低了乘员的损伤风险。

【关键词】坠撞；航空座椅；正交试验；仿真

0 引言

对航空事故的调查表明，如果飞机结构设计过程中考虑坠撞安全性因素，那么92.8%的坠撞事故都将是可生存或部分可生存的，从而可以大大提高乘员的生存率[1-2]。对于民用飞机而言，除了满足基本的飞行要求以外，还必须具有很高的可靠性和安全性，因此开展飞机结构适坠性的研究非常必要。在飞机发生坠撞过程中，主要利用机身底部的吸能结构，来减缓吸收坠撞的冲击能量，从而保证飞机结构的完整性。然而，从提高乘员的生存率的方面考虑，座椅系统是关键设备，对乘员的安全有重要影响。

国外对于航空座椅及假人动态响应进行了大量的研究，尤其是包含假人/座椅系统的整机坠撞研究。1995年，E.Schuller等人根据9g静力试验和16g动力试验的要求对座椅的稳定性和乘客的保护措施进行研究，结果表明严重撞击引起的座椅变形，将会影响乘员的生存和逃生空间[3]。2006年，Patil A.A对儿童座椅及约束系统的建模和性能进行了评估，其利用Hypermesh和MADYMO程序对两种儿童座椅进行有限元建模，并进行了动力学仿真，最终证明了模型的有效性。2008年，John Rasmussen和Mark de Zee等人研究通过优化航空座椅的坐垫和靠背等参数以达到最佳的空间舒适度和安全性。

我国对于航空座椅及其假人动态响应的研究起步较晚，而且主要集中在计算机仿真研究。2007年，西北工业大学的周昊等人，采用LS-DYNA软件建立座椅有限元模型和HybridⅡ型假人多刚体模型，模拟了航空座椅和假人在冲击中的响应过程， 评估了航空座椅结构的动态冲击性能。南京航空航天大学的何欢等人，使用带有Hybrid III型标准假人的全机模型进行了纵向坠撞分析，并根据乘员的动态响应，提出了座椅约束系统的设计改进方案。

本文以某型航空假人/座椅约束系统多刚体模型为基础，对座椅靠背角度、坐垫刚度、安全带刚度和安全带锚点位置等主要影响因素设定3种不同水平（变量值），以人体脊椎受力为评价指标，采用正交试验设计极差分析法进行优选，得到最优化的模型，最后分析优化结果的仿真数据，证明优化结果的优良性。

1 MADYMO理论基础

本文采用MADYMO多刚体动力学仿真软件，进行乘员的运动和动力响应计算和分析。乘员与座椅系统由多个刚体所组成，MADYMO对多刚体系统的动力学算法采用达朗伯-拉格朗日方程描述，以刚体来代表座椅系统和假人，各刚体之间的相互作用通过接触来定义，刚体表面无变形，而作载荷和响应数据依据穿透量和接触特性来计算。因此，仅限于研究乘员的冲击动态响应问题。

2 假人/座椅约束系统建模方法的验证

在MADYMO软件建模中，座椅部件、安全带的建立、假人的调用和坐姿的调整，模型中接触的合理定义，对假人响应的正确性起到了决定性的影响。建模方法的准确合理性，成为了模型是否有效的关键点。因此，首先对标仿真模拟MD-500型直升机坠撞试验，以此验证建模方法的合理有效性。

2.1 试验简介

2009年12月，美国NASA在Langley 研究中心针对MD-500直升机进行了全尺寸坠撞试验[8]，试验假人为四点式安全带的Hybrid III型50百分位男性假人。测得驾驶员座椅处的坠撞速度、加速度脉冲和假人头部、胸部和盆骨处加速度响应。

2.2 模型建立

由于在试验中，测得了座椅处的加速度脉冲，因此建立简化的假人/座椅约束系统模型，其中座椅包括坐垫和靠背的椭球实体。安全带选用MADYMO自带的混合型安全带，定义有限元安全带参数，指定安全带与假人身体的贴合部位，模块化建立两条肩部安全带和腰部安全带。然后，采用命令 CONTACT.MB_FE对安全带与人体部位进行接触定义，其中主面 MASTER_SURFACE选择人体，从面 SLAVE_SURFACE为有限元安全带。此外，选择与试验相同的Hybrid III 型50百分位男性仿真假人，其坐姿按照实际假人坐姿进行调整。将测得的速度及加速度脉冲加载在座椅上，进行仿真试验。

2.3 方法验证

由于在坠撞试验中，垂直Z向加速度最大，对人体损伤也最严重，因此选择输出头部、胸部和盆骨处的垂直方向加速度响应曲线，与试验进行对照，验证建模方法的有效性.。

在飞机坠撞事故中，人体为柔性体，器官的载荷响应中载荷峰值对人体的损伤最大。同时，头部损伤作为汽车、航空领域乘员保护的最重要伤害参数， 被各国法规和文件体系所重视。因此，本试验以头部加速度为主要指标。结果表明，头部Z向加速度曲线与试验符合性较好，两条曲线的波形趋势大体一致，响应曲线峰值为9.75g，而试验中响应曲线峰值为10.01g，两者相对误差为2.6%，第二个波峰的时刻与试验数据基本相同。胸部Z向加速度响应的两条曲线波形趋势基本一致。仿真试验首个峰值时间较试验数据提前15ms，而第二个峰值出现时刻在150ms左右，与试验数据基本符合。此外，对仿真结果动画与试验过程视频进行比较，模型响应过程基本一致。

对于仿真结果存在的误差，分析由于以下原因：

1）由于座椅几何形状和材料接触特性不够精确，模型仅为简化模型。仿真模型坠落时不考虑空气等外界阻力的影响，所以仿真结果的峰值时刻比试验结果较早出现，但其波形趋势大体一致。

2）座椅结构为刚体，仅依靠物体间的接触特性来描述物体的变形，在碰撞的瞬间，以及假人与座椅接触的过程，峰值突起剧烈，因此试验数据的曲线比仿真结果曲线更加平滑。

通过以上对MD-500直升机座椅和乘员模型的建立，以及与试验中乘员头部、胸部和骨盆的Z向加速度动态响应数据对比分析，最终可知，该模型基本上能够反映出假人的响应特征，建模方法有效合理。

3 航空座椅约束系统模型

3.1 系统模型的建立

该假人/座椅约束系统模型包括客舱框段（舱壁和地板）、座椅、约束系统（安全带）和假人组成。如图1所示，在MADYMO软件中，建立某客舱机身框段双排座椅多刚体模型，其中假人采用MADYMO假人家族库中FAA Hybrid Ⅲ型假人模型。

FAA颁布的咨询通告AC25.562-1B建议，假人模型应位于座椅中心位置，并依靠在座椅靠背上，大腿放置于座垫上，双手应置于大腿上，假人双脚至于地板上。同时，咨询通告AC25.785-1A对乘员安全带的安装也做出了要求，将假人调整到合适的乘员姿态。此外，同样选用MADYMO软件特有的有限元和刚体的混合型安全带模型，建立两点式腰部安全带。

3.2 初始条件的设定

1999年，FAA在亚特兰大的技术中心进行了B737机身框段的垂直坠撞试验[9]，以分析飞机在坠撞过程中，机体的结构变形和乘员的响应。根据试验测得坠撞垂直速度为9.144m/s，以及座椅地板处的速度及加速度响应。

本试验以上述FAA所做的Boeing 737机身框段的垂直坠撞试验为参照，通过速度加载命令INITIAL.JOINT_VEL，设定与试验相同的初速度。通过MOTION.JOINT_ACC命令，将试验脉冲加载在座椅模型上。3.3 假人响应的输出设置

座椅约束系统的可靠性和优劣性，需要一定的评价准则，以确定乘员的伤害在可接受的范围内。由于飞机在垂直坠撞过程中，脊椎受到的损伤最大，对乘员的安全具有重要的影响，因此本文选用脊椎下部受力输出指标。最后对模型仿真计算后，得到假人腰椎下部所受载荷为4.10kN。

4 正交试验的设计

以上述假人/座椅约束系统为原始模型，按照正交试验的设计要求，对座椅结构进行优化。设定4个变量因素，分别为座椅角度、安全带锚点位置、相对于原模型的安全带刚度和坐垫刚度，每一因素选择3水平（变量），如表1所示。选择四因素三水平L9 （34）正交试验表。

5 正交试验参数分析

该试验的目标为脊椎载荷最小，根据这一原则，可以确定试验的最优结果为B3A3D3C3，对应的仿真模型数据及乘员脊椎载荷。如表3所示，最终乘员脊椎载荷减少了11.14%。

6 结论

正交试验设计作为一种快捷的优化设计方法，在产品设计初期具很强的实用性。对于正交试验数据的处理，往往采用极差分析法，具有简单易懂，计算量少，快捷高效的优点。

本文基于以上考虑，在航空座椅设计初期，采用正交试验极差分析法，基于MADYMO软件，以优化某航空座椅约束系统为目的，首先，建立简化的MD-500直升机座椅/假人模型，并与坠撞试验数据对照，验证建模方法的有效性。其次，建立客舱机身框段假人/座椅约束同模型，按照法规对假人姿态及安全带进行调整，参照B737坠撞试验，对其进行坠撞仿真试验。最后，采用正交试验极差分析法，设计四因素三水平正交试验方案，对该航空座椅进行优化设计，同时分析得到影响评价目标的各因素主次性排序。最终结果表明：该座椅模型运用正交试验设计方法，可以使得乘员的脊椎载荷减小11.14%，显著降低了乘员的损伤风险，改善了座椅的乘员安全性。

【参考文献】

[1]Shanahan DF， Shanahan MO. Kinematics of U.S. Army helicopter crashes： 1979-1985[J].Aviation Space and Environmental Medicine，1989，60（2）：112-121.

[2]张弘，魏榕祥.通用飞机抗坠撞设计指南[M].北京：航空工业出版社，2009：4-7.

[3]E.Schuller， M.Sperber. Crash Safety in Aircraft Cabins[z]. AIAA，1995：95-3978.

[责任编辑：王伟平]