典型航空座椅/乘员系统水平冲击特性实验

2022-08-01杨欢刘小川白春玉张宇惠旭龙

航空学报 2022年6期

杨欢，刘小川,*，白春玉，张宇，惠旭龙

1. 中国飞机强度研究所，西安 710065 2. 结构冲击动力学航空科技重点实验室，西安 710065

民用飞机使用过程中，因为恶劣天气、机械故障等原因，可能会发生应急着陆。中国民用航空器适航标准(CCAR)23部、25部、27部和29部均对应急着陆过程中的乘员保护提出了明确要求，航空座椅系统是重要客舱设备，与乘员安全直接相关，适航标准要求座椅系统需开展动力试验(包括水平、垂向动态冲击试验)来证明其安全性，并使用符合要求的假人模拟人体。

航空座椅系统由座椅骨架、座椅垫、安全带等组成，在应急着陆过程中，通过座椅结构和座椅垫的能量吸收以及安全带的约束来保护乘员，避免乘员遭受严重冲击载荷或与舱内其他部件发生碰撞。座椅系统在应急着陆冲击下的动态响应和能量吸收涉及到材料失效、几何大变形、刚柔耦合等复杂力学过程，国内外学者采用实验和数值手段开展了大量研究，其中冲击实验是评估其安全性的最直接手段。

国外相关研究主要关注了假人头部/肩部/膝部/脚踝等典型部位的运动轨迹、假人头部/颈部/胸部/腰椎/骨盆/股骨等动态响应，但基本没有涉及座椅结构典型部位加速度和应变等动态冲击响应与载荷传递规律研究，研究对象集中于刚性座椅/乘员系统，关于弹性座椅/乘员系统的研究较少，且集中于安全带的乘员保护能力。

国内学者对座椅/乘员系统的研究广泛分布于航空、航天、汽车、武器装备等领域，尤其集中于汽车座椅结构强度方面。在航空领域的相关研究较少，并且主要集中于弹射座椅(驾驶员座椅)和刚性座椅，关于常规旅客座椅的研究很少。同时，关注对象较为分散(如脉冲波形、光学测试、座椅滑轨、固定连接装置等)，研究内容较为局限(主要集中于假人的运动过程以及颈部和股骨载荷)。

针对航空座椅/乘员系统的水平动态冲击力学性能，贺永龙基于刚性座椅/乘员系统水平动态冲击实验，发现偏航状态的假人运动轨迹更加显著；解江等结合刚性座椅/乘员系统实验结果，发现相较于膝部和脚踝，假人头部X向位移最大，接近900 mm，并通过仿真分析方法说明了前置隔板作用下假人头部损伤程度最大，股骨最小；冯振宇等结合弹性座椅/乘员系统实验结果，采用仿真分析方法，评估并发现安全带固定点位置和刚度对乘员运动轨迹(头部和膝部等)和椅腿受载影响显著。此外，郑亚明、黄万甲和韩亮通过开展驾驶员座椅装机水平动态冲击实验，测试了假人运动姿态、头部运动轨迹、股骨载荷等内容，说明了座椅及其周围环境能有效降低人员在水平坠撞环境中的伤害。

本文以典型航空旅客座椅/乘员系统为研究对象，结合CCAR 25部中的水平冲击条件，以纵向冲击下航空座椅/乘员系统的动态载荷传递特性为关注重点，研究假人运动过程和运动轨迹、假人内部加速度和载荷响应、座椅结构典型部位加速度和典型部位应变等，并根据载荷传递特征提出座椅系统设计优化的建议。

1 动态冲击实验

1.1 座椅/乘员系统

研究对象是由座椅、假人、约束系统组成的座椅/乘员系统，如图1所示。该座椅为典型航空旅客三联座座椅，主要材料为铝合金，重约32 kg，包含椅腿、椅管、扶手架、扶手、椅盆、椅背、坐垫、背垫等部分，如图2所示。

图1 座椅/乘员系统安装与典型部位Mark布置示意图Fig.1 Schematic diagram of seat/occupant system installation and Mark layouts of typical parts

图2 座椅组成Fig.2 Seat composition

1.2 实验系统

图3为实验系统框图，包含结构水平冲击试验台系统、专用照明系统、高速摄像系统、数据采集系统、座椅/乘员系统等。安装示意图见图1，座椅通过滑轨和滑车台连接，安装方向与滑车台推进方向相反，以产生和实际应急着陆方向相同的惯性载荷。假人就坐于座椅中间座位，并通过两点式安全带进行约束。

图3 实验系统框图Fig.3 Experimental system block diagram

为便于实验描述和结果分析，定义总体坐标系-(见图1)，原点位于与滑车台相连接的支持工装上，轴沿滑车台推进方向，轴垂直于地面向上，轴由右手法则确定。

1.3 测量与数据处理

通过结构水平冲击实验台系统，测量实际冲击脉冲波形。除此之外，实验测量项目包含4项：① 假人典型部位的运动过程与运动轨迹；② 假人内部的加速度和载荷响应；③ 座椅结构典型部位的加速度；④ 座椅结构典型部位的应变等。第1项由高速摄像系统通过非接触测试方法进行采集和计算；后3项分别由假人内部的加速度传感器、载荷传感器以及座椅结构上粘贴的加速度计、应变片进行测量。

数据处理方法分为3类：一是通过高速摄像系统，直接计算得到假人典型部位的运动轨迹；二是依据工业标准SAE J211，处理冲击脉冲波形以及假人内部的加速度和载荷响应；三是采用低通数字滤波方法，处理座椅结构典型部位的加速度和应变信号。

1.4 冲击加载

本文脉冲量值(波形的目标峰值)为4(为重力加速度)，脉冲执行标准参考CCAR 25部562条，目标波形为三角波，目标上升时间为0.09 s，目标速度为3.35 m/s。

考虑到阻尼、气密性等因素，控制系统中设定的脉冲波形输入值略高于目标值，但基本不影响研究。综合波形控制和质量匹配等因素，加速度冲击脉冲波形的开始部分一般会出现一定振荡。图4为实际冲击脉冲波形与输入值的对比，主要分为加速度时间曲线和速度时间曲线2部分。可看出，实测加速度峰值4.42，最大速度3.83 m/s，上升时间0.09 s，实际加速度时间曲线和速度时间曲线与输入的控制曲线吻合很好，相对误差不超过2%，说明滑车台控制情况良好。

图4 冲击脉冲波形Fig.4 Dynamic impact pulse waveform

2 冲击过程中的假人动态响应

2.1 假人典型部位运动过程与运动轨迹

假人运动过程直观反映了冲击载荷作用下假人的运动学特性，其量化研究可通过典型部位的运动轨迹分析实现。

假人本身为多自由度系统，取假人头部、肩部、肘部、膝部、脚部5处作为典型部位(见图1)。由于实验过程中部分时段无法捕捉到假人肩部和肘部的Mark标，因此后续不再展开分析。

图5为假人运动过程及典型部位的总位移与总速度时间变化曲线，图6、图7、图8分别为、、方向的位移时间变化曲线。从图中可看出，座椅和假人沿冲击载荷方向(正方向)运动，同时由于惯性影响，假人相对滑车台沿负方向运动远离椅背。观察动态图像发现，假人右胳膊较早地远离躯干，进而使得在右胳膊的带动下，假人头部等典型部位出现较为明显的向位移。

图5 假人运动过程及典型部位的总位移与总速度Fig.5 Movement process of dummy and total displacement and total velocity of typical parts

图6 典型部位X向位移Fig.6 X-direction displacement of typical parts

图7 典型部位Y向位移Fig.7 Y-direction displacement of typical parts

图8 典型部位Z向位移Fig.8 Z-direction displacement of typical parts

以安全带约束部分为分界，假人运动可分为头颈躯干在内的上半部分和以腿部为主的下半部分2部分，这2部分的运动轨迹又和假人自身的关节连接、关节长度、关节质量以及相互间的摩擦作用相关。由于假人下半部分运动受到上半部分运动的牵制和影响，在上半部分的大质量带动等作用下，典型部位的位移峰值时间出现差异，假人头部位移峰值出现时间最晚，大约时间在=0.289 s。

实验中，假人膝部和脚踝总位移最小，100 mm左右，头部总位移最大，大概500 mm，尤其、向位移分别达到373、339 mm。假人头部速度最大，十分接近脉冲波形速度的最大值，说明滑车台经座椅传递到假人的能量基本没有发生变化。因此，在座椅/乘员系统的水平动态冲击实验中，应重点关注假人头部运动。

2.2 假人内部响应

座椅研发的首要目标是为乘员提供安全的乘坐环境，而乘员关键部位的加速度和载荷响应能够直观表现座椅的安全性，并为乘员的耐受性分析与损伤指标建立提供一定的数据支撑。

为研究假人内部的加速度和载荷响应，自上而下依次选取头部、颈部、胸部、腰椎、骨盆、股骨等典型部位，在对应位置分别安装头部、胸部和骨盆三向加速度传感器、颈部和腰椎六向载荷(力和力矩)传感器、左腿股骨单向力传感器等。

假人头部/胸部/骨盆的向加速度、颈部/腰椎的向力、左侧股骨力的时间变化曲线如图9所示，向和向的加速度(、A)、力(、)时间变化曲线、颈部和腰椎的力矩(、、分别为力矩在、、向的分量)时间变化曲线分别如图10～图12所示。可看出，、向加速度和力较大，绝对值大致呈现先增大后减小的趋势。向加速度和力非常小，其中在=0.33 s 附近腰椎力略大，是因为假人向右微倾。

图9 假人内部X向加速度和力及左侧股骨力Fig.9 X-direction acceleration and force and left femoral force inside dummy

图10 假人内部Y向加速度和力Fig.10 Y-direction acceleration and force inside dummy

图11 假人内部Z向加速度和力Fig.11 Z-direction acceleration and force inside dummy

图12 假人内部颈部和腰椎力矩Fig.12 Torque of neck and lumbar spine inside dummy

向加速度中，骨盆加速度峰值最大(6.31左右)，头部和胸部次之，这和惯性载荷作用下的躯干运动有关。向力中，腰椎力峰值最大，约为655 N，左侧股骨和颈部次之，说明类似垂向冲击，假人腰椎的水平冲击响应也比较大，因为假人上半部分重量基本由腰椎承担。

由向峰值时间可知，骨盆、腰椎和胸部、颈部和头部的峰值依次出现，说明载荷从假人臀部经躯干逐步向头部传递。同时由于惯性影响，假人大腿受到小腿牵引更早达到最大拉伸状态，股骨力峰值于0.125 s最早出现，略早于骨盆向加速度，这和假人上半部分运动对骨盆的影响有关。

受惯性载荷和假人部件间的相互影响，向加速度峰值由大到小依次为头部、骨盆、胸部，其中头部加速度在=0.227 9 s达到峰值，约6.07。向力中，腰椎力最大，峰值约1 376 N。在假人极限前倾状态下，腰椎力、骨盆加速度、头部加速度基本同一时间达到峰值，同时在头部-颈部-躯干的系列带动作用下，颈部力峰值时间较为靠前。

腰椎向力矩先增后减，变化趋势与、向腰椎力基本一致，峰值约111 N·m，约为颈部的10.1倍，这主要与腰椎力远大于颈部力有关。同时，颈部和腰椎的向力很小，其、向力矩主要分别由、向力产生，这使得颈部和腰椎的、向力矩变化很小。

总体上，水平冲击时，假人骨盆和腰椎受载最大，头部次之。结合CCAR 25部与美国汽车安全技术法规FMVSS 208，对比本次实验结果与假人损伤指标，可知在水平动态冲击实验中，假人腰椎和骨盆出现损伤的概率较大，头部、颈部、胸部、股骨的受损概率较小。这是因为本次实验为单排座椅/乘员系统实验，冲击过程中假人没有与隔板、前排座椅等物体发生碰撞。

3 座椅结构动态响应

3.1 座椅结构典型部位加速度

冲击载荷的度量可反映为加速度信号的变化，座椅结构典型部位的加速度反映了加速度在座椅结构中的传递规律。

通过对座椅结构布局与实验载荷分布的初步研究，以左侧座椅骨架为关注对象，在前后椅腿、扶手架、扶手等座椅结构典型部位布置单向加速度计(见图13)，合计12只。向加速度计编号分别为A1、A3、A5、A7、A9、A11，向加速度计编号分别为A2、A4、A6、A8、A10、A12。加速度计A5、A6布置在结构肋上，其余均布置在结构腹板，且每2个相邻的加速度计(如A1、A2)均连接于同一位置。

图13 加速度计布置示意图Fig.13 Schematic diagram of accelerometer layout

图14、图15分别为座椅结构典型部位的向和向加速度时间变化曲线，可看出，向加速度较小，基本处于±1范围内。向6个测点的加速度时间曲线基本重合，整体趋势呈三角波形式，先增加后减小，与冲击脉冲波形十分吻合。其中，0.07 s左右的抖动与安全带的绷紧状态有关。

图14 座椅结构典型部位Z向加速度Fig.14 Z-direction acceleration of typical parts in seat structure

放大0.07 s左右的向加速度曲线(见图15)，并分析该区间和曲线整体趋势下降处的加速度峰值与峰值时间，如表1所示。从曲线放大处可知，加速度A1、A3、A5、A7、A9、A11的峰值时间和峰值均逐渐增大，说明在座椅结构中，冲击载荷从滑车台传至座椅滑轨后，其传递路线一分为二，一条沿前椅腿连接处-前椅腿-前椅管-扶手架，一条沿后椅腿连接处-后椅腿-后椅管-扶手架，载荷在扶手架内汇合后，自下而上继续向扶手传递，见图16。其中，扶手及扶手架竖向部分的加速度受椅背和安全带的影响。同一高度处，A1、A3加速度峰值及达到峰值的时间均十分接近，相对误差不超过0.5%，说明载荷从前后椅腿连接处传至前后椅腿的速度和载荷基本一致。

图15 座椅结构典型部位X向加速度Fig.15 X-direction acceleration of typical parts in seat structure

图16 座椅结构典型部位X向加速度分布图Fig.16 X-direction acceleration distribution diagram of typical parts in seat structure

表1 典型部位X向加速度峰值时间与峰值Table 1 X-direction acceleration peak time and peak value of typical parts

从向加速度曲线整体趋势下降处，可看出6个测点的峰值时间均略晚于加速度波形的峰值时间(约=0.089 8 s)，时间相差0.003 6～0.009 5 s，反映了座椅结构中的加速度传递过程。并且，A1、A3、A5的加速度峰值与加速度波形峰值(4.42) 十分接近，最大相对误差1.17%，说明从椅腿到扶手架能量变化很小。A7、A9、A11加速度峰值越来越大，并均大于加速度波形峰值，这与假人运动及扶手的自由边界状态有关。

3.2 座椅结构典型部位应变

应变反映了结构的局部变形情况，有利于评估结构的承载能力和开展结构的优化设计工作，同时结构的应力波传播规律也可反映为结构典型部位的应变分布。

参照座椅结构典型部位加速度计的布置原则，选取前后椅腿、扶手架等座椅结构典型部位沿结构肋延伸方向布置应变片，共计8个，编号为S1～S8，如图17所示。

图17 应变片布置示意图Fig.17 Schematic diagram of strain gauge layout

由图18的座椅结构典型部位的应变时间变化曲线可看出，整体上应变时间曲线先增大后减小，与加速度脉冲波形趋势相近。应变峰值时间基本略大于加速度脉冲波形峰值时间，最大0.009 8 s，体现了应力波的传递过程。

图18 座椅结构典型部位应变Fig.18 Strain of typical parts in seat structure

座椅结构典型部位的应变峰值时间与峰值见表2，可看出，应力波沿前椅腿-前椅管-扶手架、后椅腿-后椅管-扶手架传递，在扶手架处汇合后，一部分通过安全带的约束作用传至假人，一部分向扶手方向传递，如图19所示。

表2 典型部位应变峰值时间与峰值Table 2 Strain peak time and peak value of typical parts

在扶手架与后椅腿连接处，S6应变在0.096 7 s达到最大值，约516.77μ，说明座椅结构变形整体处于弹性阶段。S3应变次之，447.20 μ左右，因为受到惯性影响，后椅腿根部承受较大载荷，同时这与后椅腿的构型(尤其是曲率变化)密切相关，表现在座椅设计中，椅腿形状多为π型(见图19)。

图19 座椅结构典型部位应变分布图Fig.19 Strain distribution diagram of typical during in seat structure

应变S5距离应变S6较近(直线距离90 mm左右)，其峰值时间较S6略晚约0.000 7 s，峰值约为S6的60%。其余应变峰值均不超过200 μ，按由大到小顺序，依次为应变S4、S7、S8、S2、S1。因为S4位于后椅腿上且靠近后椅腿与扶手架的连接处，S7、S8分布于扶手架上靠近扶手方向并逐渐远离安全带锚点。同时因为应力波自下向上传播，S7、S8的应变峰值时间逐渐增大。应变片S1、S2的峰值时间分别为0.093 2、0.093 9 s，更近于加速度波形峰值时间。

此外，通过对应变时间曲线求导，发现座椅结构典型部位的应变率最大不超过0.022 s，由此可知，针对4.42水平冲击条件，在座椅零部件材料的力学性能测试中，应变率取至10·s级别便可满足分析要求。

3.3 座椅结构典型部位加速度和应变与标记点垂向距离的关系

加速度随结构垂向距离的变化反映了载荷的传递过程，应变与结构垂向距离的关系说明了应力波的传播历程。

表3为加速度标记点之间、应变标记点之间的垂向(向)距离关系，表4为邻近的加速度标记点和应变标记点之间的垂向(向)距离关系，其中A1、A3、S2、S4基本处于同一高度；A7和S7高度相同；A5与S5、S6距离较为接近，高度差约为5～6 mm；A9与S8高度差约为14 mm。对比加速度和应变之间的峰值时间与峰值，见表5。

表3 加速度标记点间和应变标记点间的Z向距离关系Table 3 Relationship of Z-direction distance between acceleration markers and strain markers

表4 加速度标记点和应变标记点间的Z向距离Table 4 Z-direction distance between acceleration marker and strain marker

表5 加速度和应变峰值时间与峰值对比Table 5 Comparison of teak time and peak value of acceleration and strain

结合图15、表1，可知A3、A5、A7、A9、A11点的加速度峰值分别为A1的0.99、0.99、1.03、1.09、1.26倍，加速度峰值时间分别为A1的1.00、 1.00、0.96、0.95、0.94倍。结合表3、表4，发现加速度峰值比例和峰值时间比例均小于对应的向距离倍数，且向距离越大，峰值比例越大，与标记点的向距离倍数关系区别越大，这和结构的能量吸收有关，与结构的构型设计和材料选用有关。不同标记点的加速度峰值时间比例十分接近，并随标记点向距离的增大而减小，同时与标记点的向距离倍数差异增大，这与座椅结构的承载方式有关。

结合图18、表2～表4，可看出应变峰值比例与对应标记点的向距离关系复杂，说明应变峰值与座椅的结构构型和材料分布密切相关。同时，比较同一高度处的应变峰值时间，S1、S2、S5分别早于S3、S4、S6，说明应变峰值时间受座椅结构承载方式影响。

结合表3～表5可知，标记点位置临近且高度相同时，加速度和应变的峰值时间倍数在1.01～1.05范围内，峰值时间基本一致。S8的向位置高于A大概914 mm，峰值时间却晚出现0.034 4 s，这主要是因为与扶手架相连的扶手为自由边界。

同一高度处，加速度峰值与应变峰值不成比例，随着高度增加峰值倍数先减小(标记点在前后椅腿和扶手架水平部分)后增大(标记点在扶手架垂向部分)，这与结构的构型和选材以及承载方式有关。并且由于加速度计A5与应变片S5、S6均布置在结构肋平面上且距离较近，A5与S5、S6的峰值倍数相同。