航空座椅抗坠毁环境模拟技术分析

邓先来，王 翔

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

航空座椅抗坠毁环境模拟技术分析

邓先来，王 翔

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

针对不同规格及可生存坠毁概率条件下航空座椅所承受坠毁瞬间的冲击载荷各不相同这一状况，对座椅抗坠毁环境模拟装置液压缓冲吸能系统建立了物理学模型，应用数值仿真分析得出不同参数变量及试验工况对冲击环境波形的影响，最后应用优化算法，通过改变投放质量及开孔面积得到符合试验要求的冲击波形。

航空座椅；环境模拟；缓冲吸能

0 引言

抗坠毁设计是直升机设计当中必须考虑的因素，在直升机意外坠毁时，起落架系统、机体及座椅装置，通过吸收瞬间冲击能量，可以有效提高机组人员的生存率。航空座椅装置作为吸收剩余能量的最后一道防线，它传递到乘员身上的过载，是否超出人体耐受极限，直接决定了乘员的生命安全，因此直升机座椅的抗坠毁性能成为直升机设计的重要指标。而对直升机座椅进行抗坠毁试验，是获取直升机座椅抗坠毁性能，验证座椅是否满足抗坠毁设计要求的重要途径。纵观国内，有能力承担航空座椅抗坠毁试验任务的科研厂所还为数不多，其重要原因就是对座椅抗坠毁环境模拟较为困难，限制了该项试验的发展。因此，能否有效模拟航空座椅坠毁瞬间的冲击环境决定了试验的成败。文章在前人研究成果的基础上，应用数值仿真的方法对试验室座椅抗坠毁环境模拟装置液压缓冲吸能系统进行了研究分析，通过建立物理学模型和数值分析得出该环境模拟装置各参数变量及不同试验工况对冲击载荷波形的影响，从而为缓冲吸能装置的前期设计、后期改进和试验过程中选择合适的配重及开孔方案提供理论参考。最后基于Matlab平台[1]，应用优化算法，通过改变投放质量及开孔面积得到符合试验要求的冲击波形，以满足不同规格及可生存坠毁概率条件下的座椅抗坠毁试验。

1 环境模拟装置理论分析

1.1环境模拟装置结构参数

试验台整体布局示意图及缓冲吸能装置结构示意图分别见图1、图2。其中：M：运动结构体质量；Ft：压缩空气弹性力；f：阻尼力和摩擦力；x=h+h水：活塞行程。(说明：①缓冲吸能装置结构尺寸参数及试验工况的改变均会对生成的环境模拟载荷谱产生影响，具体结果参见数字仿真分析章节。②缓冲吸能装置外筒阻尼孔开孔分别沿圆周方向和轴向均匀分布，在使用过程中对其进行优化后依然尽量保持其均布特性，从而保证阻尼力的稳定性。③缓冲吸能装置一旦设计出来并投入运行，其主要结构尺寸参数就已经固定，这时可以方便改变和调整的参数就只剩下运动结构部件质量M和开孔总面积S，因此在参数优化分析时文章只选择了优化变量M、S进行计算分析。)

1.2阻尼孔流量方程[2]

根据水利学知识，不同的孔口类型，其对应的流量公式也会有所不同，按照阻尼孔长度L与孔口直径d的比值大小，可以把孔口划分以下三种类型：

薄壁孔：L/d≤0.5

短 孔：0.5

细长孔：L/d>4

其中：q：孔口流量；ρ：液体密度(水的密度：1.0×103kg/m3)；ΔP：阻尼孔两侧压力差；Cd：流量系数；(取值范围：0.6～0.65)；Ak：小孔通流面积；η：液体动力粘度；l：阻尼孔长度；d：阻尼孔直径。

1.3流量连续方程

Δt时间内阻尼孔流出液体体积：-N·q·Δt；

根据液压吸能装置内筒活塞行程与体积变化的关系可以得到以下方程：

则：

其中：Ah：活塞有效截面面积；x：活塞行程；Vk：空气体积，Vk=(S2-x+h水)；Vs：流动阻尼介质体积，Vs=(S1-h水)；Δt：时间间隔；N：产生阻尼力的阻尼孔数量；ΔP：压强差。

1.4运动方程

根据牛顿第二定律对缓冲吸能装置进行受力分析可以得到：

则：

2 方程求解

由以上分析可以得到一阶微分方程组：

由环境模拟装置的工作原理可以得到方程组的初始条件：

P(0)=0，v(0)=vmax，x(0)=0

以上方程组建立了所研究对象的数学模型，为了获取系统的动态响应信息，需要选择一种合适的算法对其进行求解。上述状态方程是以常微分方程组的形式存在的，目前用于求解微分方程的数值方法也有若干种，每一种方法都各有优缺点。在求解一阶微分方程组领域，龙格库塔法比较有优势，这种方法运算速度快、求解效率高，应用也最为广泛。因此，本文采用龙格库塔法作为该方程组的计算方法，利用其公式转化后的数值仿真模型表达如下：

中华人民共和国成立前的军用粮票种类丰富，这是我党我军在特定历史条件下的必然产物，极其珍贵，但其种类还无法统计完全，有待继续挖掘和考证。

Kp1=fp(Pn，vn，xn)

Kp4=fp(Pn+HKp3，vn+HKv3，xn+HKx3)

Kv1=fp(Pn，vn)

Kv4=fv(Pn+HKp3，vn+HKv2)

Kx1=fx(vn)

Kx4=fx(vn+HKv3)

式中：Pn：当t=n时刻环境模拟系统腔内的压强；vn：当t=n时刻环境模拟系统内筒活塞与试验件的速度；xn：当t=n时刻环境模拟系统内筒活塞与试验件的位移；H：数值积分的步长。

在本文中，考虑到环境模拟装置系统响应较快，状态变量值随时间有大幅度的变化，出于计算速度和计算精度两方面的权衡，取计算步长H=0.0002。

3 数值仿真分析

3.1冲击环境模拟分析

缓冲吸能装置[3]模拟冲击环境原理：试验室所用缓冲吸能装置通过压缩空气产生弹性恢复力，并且借助流动介质孔口出流消耗瞬态冲击质量的动能，从而达到缓冲吸能的效果。在该装置工作过程中，其冲击载荷谱的形状及幅值与投放质量M、活塞内筒有效截面直径D1、活塞内筒长度S2等以及冲击工况和结构尺寸参数有密切的关系。本节就对缓冲吸能装置各项参数对载荷谱的影响进行分析，并根据试验需要对运动部件质量M和活塞外筒开孔面积S参数进行优化，从而获得航空座椅抗坠毁试验所需要的冲击波形。

已知：目前试验室投入运行的座椅抗坠毁环境模拟装置的结构尺寸及特性参数如下：

活塞杆截面直径：D1=260mm；活塞杆长度：S2=1000mm；阻尼孔开孔总面积：S=4·π·d2·(n+1)mm2(注：开孔均布)，其中：d=25mm，n=18；阻尼系数：c=2。

图3及表1仿真结果给出了缓冲吸能装置各结构参数变化对冲击波形的影响。

综合以上分析，对冲击波形的影响因素可分为以下两种类型：

冲击工况参数影响：M，v。

结构尺寸及特性参数影响：D1，S2，c，S。

其中，D1，S2与结构的尺寸有关，c，S与结构特性有关。

由于座椅抗坠毁试验响应信号具有响应迅速及快速衰减的特点，因此在环境模拟装置设计的初级阶段要求模拟装置本身的活塞截面直径D1、开孔总面积S、及阻尼系数c要足够大，活塞杆长度S2要足够短，才能保证环境模拟装置的响应信号迅速衰减。综合考虑以上限制条件(比如试验台架尺寸决定了活塞截面积不能无限大；冲击过程中活塞杆有效行程决定了活塞杆长度不能过短；为了防止试验冲击后的回弹，开孔面积不能取值太小等)，在环境模拟装置初始设计阶段要选择合适的尺寸及特性值，来最大限度地满足各种试验工况的需要。在后续的座椅抗坠毁试验中，针对不同的座椅可生存坠毁概率试验，其瞬态冲击速度是相对应的，并且是一个固定值，因此试验过程中只考虑投放质量M的影响，同时环境模拟装置的开孔均为螺栓孔并且配备了相应的堵帽(通过安装和拆卸堵帽可以改变环境模拟装置的开孔面积)。综合以上分析，在处理不同的试验工况时，可以通过改变投放质量M及开孔总面积S来获得满足试验要求的冲击波形，由于上述两种因素的选择并不是任意组合的，为了获得合适的组合数值，本文应用数学优化方法对其进行了求解，进而获取两种数值组合的可行域。

表1 各参数变量增加时对冲击波形参数值的影响

注：↑：数值增加；↓：数值减少；↔：数值无变化。

3.2模拟环境装置参数优化[4]

根据试验任务的要求，已知某试验工况下冲击波形的形状和幅值有了明确的规定，为了模拟该工况下的冲击波形(见图4)，本文选择M，S作为优化变量，通过数值求解，得到了一组可行域(见图5)，在可行域范围内选择M，S任意一组数据组合，均可以满足该项试验冲击载荷谱(见图6)的要求。

目标函数：max(a)。

优化变量：M，S。其中：M≥MmaxSmin≤S≤Smax(Mmax=150kg,Smax=0.25·pi·0.0252·12,Smax=0.25·pi·0.0402·12)。

约束条件：24g≤max(Gp)≤28g且 0.0292s≤t≤0.0584s。

4 试验对比分析

已知本次试验要求瞬态冲击速度v=10.2m/s,为了获得满足试验要求的冲击载荷谱，借助仿真分析及参数优化，本次试验在可行域范围内选择了一组数据组合，开孔面积S取值0.1119m2，投放质量M取值为275kg，试验开始前通过安装堵帽及改变配重的方式完成优化后的参数值。

把仿真数据与试验所得响应曲线(见图7)进行对比分析，曲线形状和变化趋势比较相符，表明数值仿真计算方法是正确的，可以为座椅抗坠毁环境模拟装置的设计、改进及试验时选择合适的配重及开孔方案提供理论依据。

5 结论

本文应用理论分析与数值仿真相结合的方法，对航空座椅抗坠毁环境模拟装置进行了研究分析，得出了环境模拟装置各参数及试验工况对模拟冲击载荷谱的影响。然后，借助优化算法对投放质量和开孔面积进行计算分析，得到试验所需要的冲击环境载荷谱。最后，把试验数据与仿真数据进行对比，二者结果基本吻合，证明了文章选用分析方法是正确的，可以为航空座椅抗坠毁环境模拟装置在设计、改进及试验时选择合适的配重及开孔方案提供一定的理论参考，满足不同规格及可生存坠毁概率条件下的座椅抗坠毁试验要求。

[1] 王 济,胡 晓.Matlab在数据处理中的应用,第1版[M].北京:中国水利水电出版社,2006:259.

[2] 黄儒钦.水力学教程,第3版[M].成都:西南交通大学出版社.2006:174.

[3] 杨 利，牟让科.阻尼孔可调式缓冲器的性能分析[C].沈阳:全国振动工程及应用学术会议，2010.

[4] 孙 爽.多孔式液压缓冲器仿真与优化设计[D].大连：大连理工大学,2006.

StudytheSimulationTechniqueofAnti-CrashEnvironmentaboutAirlineSeat

DENG Xianlai, WANG Xiang

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

According to the different specifications and survive probability of crash conditions, airline seat bears different crash load, this article established a physics model of the anti-crash environment simulation equipment for hydraulic buffer energy absorbing device, by numerical simulation analysis to gain different parameters and test conditions on the impact of variables that affect the waveform, finally used optimization algorithm, by changing the delivery quality and hole area can meet the requirements of the shock wave of test.

airline seats; environment simulation; energy absorption

2016-10-24

邓先来(1984-)，男，河南周口人，硕士，工程师，主要研究方向：振动及抗坠毁。

1673-1220(2017)04-023-06

V216.5+5

A