小腿摆放位置对航空座椅乘员损伤的影响研究

2022-09-29尹海群解江石霄鹏冯振宇

科学技术与工程 2022年24期

尹海群，解江，石霄鹏，冯振宇

(中国民航大学安全科学与工程学院，天津 300300)

在飞机坠撞事故中，头颈部损伤是常见的损伤方式。根据美国陆军在1983—2005年的航空事故统计，头部损伤占所有事故中受伤方式的69%，颈部损伤占所有事故中受伤方式的10%[1]。股骨损伤影响乘员的应急撤离，过大的股骨损伤会使得乘员错过最佳逃生时机。航空座椅在飞机坠撞事故中对乘员保护具有重要作用，同时，采取合理的坐姿，能够可有效避免或减轻损伤。因此，以双排航空座椅为基础建立座椅/乘员约束系统，开展坠撞事故中乘员损伤评估是十分必要的。

适航规章《中国民用航空规章:第25部运输类飞机适航标准》(CCAR-25-R4)[2]中明确指出，“在头部可能触及座椅或其他构件的情况下，必须提供保护措施以使头部伤害判据(head injury criterion，HIC)不超过1 000”，其中HIC是头部损伤的量化指标。此外，民机制造商波音公司明确要求座椅供应商评估颈部损伤。美国汽车安全技术法规OccupantCrashProtection(FMVSS 208)[3]中采用正面碰撞的颈部损伤准则来评估乘员颈部损伤，限定普通乘员的4类颈部损伤Nij值都必须小于1。美国联邦航空局(Federal Aviation Administration，FAA)也在持续推动颈部损伤判据的研究，与美国汽车工程师协会联合推出的PerformanceStandardforSeatsinCivilRotorcraft,TransportAircraftandGeneralAviationAircraft(SAE AS 8049D—2018)[4]将Nij准则应用到航空座椅的安全评估中，并对此准则中的各个物理量进行了详细说明。DynamicEvaluationofSeatRestraintSystemsandOccupantProtectiononTransportAirplanes(AC 25.562-1B CHG1)[5]中指出：在乘员的腿部有可能碰撞到前排座椅或飞机其他结构时，需要对乘员的股骨损伤进行评估。

航空座椅本身需要符合的技术标准规定和装机适航要求很多。目前工业方主要依靠滑台冲击试验获取关键结构的瞬态响应并分析乘员损伤，存在试验周期长、费用高的问题。例如，巴航工业的ERJ170/190新型客舱构型开发项目中HIC验证项目花费在适航取证费用中占比达到35%[6]。数值分析方法不仅具备较高的可重复性，可以为试验验证提供支撑，而且合理的数值分析方法可以部分替代试验，能够有效降低试验验证的风险。因此FAA建议发展仿真分析方法，并于2003年发布AC 20-146《23、25、27、29部飞机和旋翼航空器的动态座椅合格审定的分析方法》，对仿真分析验证进行了方法指导。

近年来，中外很多研究机构和学者研究了航空器坠撞和汽车碰撞过程中乘员姿势及其对损伤的影响。FAA于2003年在Passenger Safety Information Briefing and Briefing Cards(AC 121-24C)[7]中提出几种防冲击姿势以减小乘员损伤。Viano等[8]开展的滑台冲击试验结果表明当乘员采用上躯干缺少支撑的坐姿时，头颈部伤害会大幅增加。2015年，FAA研究了各类乘坐姿势对乘员的损伤影响，改变乘员的小腿摆放位置进行滑台冲击试验，结果表明小腿位置靠后摆放对股骨具备保护作用[9]。加拿大民航局发布BraceforImpactPositionsforAllAircraftOccupants(AC700-036)[10]建议乘员采用头顶前排椅背的防冲击姿势。Chen[11]建立了双排航空座椅有限元模型，指出假人的初始坐姿对头部损伤有较大影响。Dong等[12]建立了具备内脏和骨骼的精密有限元模型，对比研究了不同坐姿下汽车驾驶员的腰椎损伤差异。王世达等[13]建立不同边界条件下的驾驶员损伤模型，确定了乘员损伤评价指标。解江等[14]建立多刚体模型，揭示了防冲击姿势对头排乘员头部的保护效果，结果表明：在水平冲击下采用头部前倾的抱脚式防护姿势可使头排乘员头部、颈部、股骨损伤均小于限定值。李海岩等[15]研究了不同坐姿对6岁乘员损伤的影响，结果表明：头部损伤会随着乘员躯干后仰倾斜角度的增加而增加。

不同体型的乘员在相同的冲击条件中存在损伤差异，Viano等[8]使用Hybrid III系列的不同体型假人展开碰撞试验，研究发现体型较大的95th百分位假人上半身的损伤风险更大。Bhonge等[16]建立了航空座椅/乘员约束系统有限元模型，研究了50th百分位乘员和95th百分位乘员的动态响应差异。Tay等[17]利用MADYMO对假人进行缩放，给出了FAA Hybrid III 5th和95th百分位假人的腰椎载荷耐受值。

综上所述，目前中外少有学者通过建立双排航空座椅/乘员约束系统有限元模型来研究小腿摆放位置对不同体型乘员的损伤影响。采用有限元数值分析方法可以建立人体和航空座椅结构模型，能得到各个部件的形变，从而对其进行应力-应变分析，适用于航空座椅约束系统及乘员的动态响应研究。为此，以某型双排三联旅客座椅为研究对象，建立经试验验证的水平动态冲击有限元模型，研究在相同冲击条件下，不同的小腿摆放位置对Hybrid III 系列中50th和95th百分位假人的损伤影响。以期为乘员在乘坐飞机时采用相对安全的坐姿提供参考。

1 双排航空座椅及乘员约束系统模型的建立

1.1 双排航空座椅全尺寸滑台水平冲击试验

航空座椅数值模型必须经过动态试验的验证[18]，全尺寸滑台冲击试验现场如图1所示，双排座椅间排距为73.66 cm。试验所选取的座椅为典型客机三联旅客座椅，将FAA Hybrid III 50th百分位假人摆放在后排座椅中间位置，试验方法参照工业标准PerformanceStandardforSeatsinCivilRotorcraft,TransportAircraftandGeneralAviationAircraft(SAE AS 8049B—2005)[19]。理想加载三角脉冲和试验实际加载三角脉冲对比如图2所示。

图1 全尺寸滑台冲击试验Fig.1 Full-size sled impact test

图2 加载脉冲Fig.2 Acceleration pulse

1.2 双排航空座椅及乘员约束系统模型的建立

采用LS-DYNA建立显式非线性有限元模型。航空座椅的关键结构包括：前后椅腿、椅管、座椅支板、椅盆、椅背、座椅剪切吸能装置、坐垫、安全带等。双排航空座椅模型中使用的3种金属、泡沫、安全带材料模型与文献[20]中单排航空座椅相同。模型中采用Hybrid III 50th百分位数值假人，此模型在水平冲击下可准确模拟乘员各项碰撞响应，在航空和汽车领域广泛运用。最终建立的双排航空座椅及乘员约束系统水平冲击模型如图3所示，共包括453个部件，1 246 964个节点，1 299 971个单元。

图3 双排座椅及乘员水平冲击模型Fig.3 Repetitive seats and occupant horizontal impact model

1.3 乘员损伤评价指标

在飞机坠撞事故中，人体各个部位的损伤主要是由过大的瞬时加速度和载荷所致。因此，选取的损伤评价指标也是基于加速度和载荷提出，包括头部、颈部、股骨3个部位的损伤评价指标。

应用HIC量化评估头部损伤，限定HIC值不得超过1 000，HIC可定义为

(1)

式(1)中：t1为得到HIC最大值过程中的初始时刻，s；t2为得到HIC最大值过程中的结束时刻，s；a(t)为头部重心处测量的加速度，g；t为整个冲击过程中的时间。

采用Nij准则分析乘员颈部损伤，如图4[21]所示，定义了4种颈部受载类型：压缩-伸展Nce、压缩-屈曲Ncf、拉伸-伸展Nte、拉伸-屈曲Ntf，规定任何一种类型的Nij值都不能超过1。如表1所示，不同体型乘员的临界载荷和力矩不同[22]。

表1 不同体型假人颈部载荷和力矩的临界值Table 1 Critical values of neck loads and torques for different size dummies

图4 颈部加载模式[21]Fig.4 Neck loading mode[21]

(2)

式(2)中：Fz为轴向力，N；Fint为临界轴向力；My为Y轴力矩，N；Mint为临界力矩。

股骨载荷过大会影响乘员的应急撤离，所以股骨载荷是双排座椅中乘员损伤情况的重要考察项。要求在航空座椅进行动态冲击试验中，在可能与座椅或其他构件碰撞导致腿部受伤的情况下，必须提供防护措施使每一股骨上的轴向压缩载荷不超过10 008 N[2]。

2 模型的验证

模型和试验中乘员运动姿态、座椅响应情况对比如图5所示。0～100 ms假人向前滑动，直到膝盖接触前排座椅椅背下沿。140 ms左右假人头部与椅背上沿中间位置发生碰撞，碰撞位置同为椅背中间位置。试验和模型中乘员运动姿态、座椅结构动态响应较为一致。

图5 水平冲击仿真和试验姿态对比Fig.5 Comparison of horizontal impact process between simulation and test

数值假人和物理假人的头部重心加速度-时间曲线对比如图6所示。在椅背吸能装置的作用下出现两个峰值。仿真中的假人头部重心峰值加速度为114.73g(g为重力加速度)，峰值时刻为142 ms，试验中假人的头部重心峰值加速度为108.28g，峰值时刻为146 ms。试验和仿真的头部峰值加速度差异较小，根据头部加速度曲线可以得到假人头部HIC值，数值假人的HIC为567.6，物理假人的HIC为521.1，仿真结果稍保守。

图6 假人头部重心加速度-时间曲线Fig.6 Acceleration-time curve of anthropomorphic test device’s head center of gravity

试验与仿真的左右两侧股骨载荷对比如图7所示，左侧股骨峰值载荷仿真值为3.51 kN(在115.9 ms)，试验值为3.26 kN(在122.5 ms)，满足误差要求。右侧股骨受力情况与之类似。由于椅背的吸能装置安装在椅背左侧，右侧股骨载荷高于左侧，试验和仿真都能捕捉到这一现象。

图7 假人股骨轴向载荷对比Fig.7 Comparison of anthropomorphic test device’ axial femur load

工程上，使用曲线的峰值误差GPV、峰值时刻误差GPT和综合误差法CSG[18]来评估仿真结果和试验结果的相关性。试验与仿真的相关性对比结果如表2所示。

表2 仿真与试验误差分析Table 2 Summary of error between test and simulation

试验与仿真的颈部轴向载荷对比情况如图8所示。其中物理假人的颈部峰值拉伸载荷为1.85 kN，数值假人的颈部峰值拉伸载荷为1.94 kN，误差为5.08%。

图8 颈部z向载荷Fig.8 The z-direction load on anthropomorphic test device’s neck

通过比较试验与仿真的假人运动图像、假人头部重心加速度、头部HIC值、头部撞击时刻、碰撞位置、股骨以及颈部轴向载荷验证了模型的有效性，各项误差符合模型的验证要求，说明仿真模型能够较为准确模拟在冲击过程中乘员的动态响应，可用于仿真研究。

3 小腿摆放位置与椅背类型对乘员损伤影响

3.1 小腿摆放位置对50th百分位乘员的损伤影响

对于50th百分位乘员而言，就坐时会采用的常见坐姿是小腿放置在双排航空座椅中间位置，如图9(a)所示，称为小腿直立坐姿。可能出现的小腿摆放位置如图9(b)所示，将假人的小腿后曲使其更贴近乘坐的座椅，称为小腿后曲坐姿。以此模拟50th百分位乘员在真实乘坐飞机时会出现的两种坐姿，计算时长为200 ms。

图9 各个碰撞时刻假人运动姿态对比Fig.9 Comparison of dummy kinematics at each collision time

两种坐姿的安全带载荷对比如图10所示，以小腿直立坐姿为例说明安全带受载情况，结合图9，在0～100 ms期间假人骨盆水平前移，此后下肢开始接触前排座椅结构，110 ms左右假人骨盆在X方向位移量达到最大，此时安全带载荷出现第一个峰值。随后骨盆出现往后运动的现象，安全带拉伸量减小则拉伸载荷减小。此后骨盆转为垂向运动为主，安全带拉伸量再次增加，安全带载荷在160 ms左右出现第2个峰值。

图10 安全带载荷-时间曲线对比Fig.10 Comparison of belt load-time curves

骨盆重心最大位移量对比如图11所示，小腿后曲坐姿中增加了骨盆重心在x方向的位移量，则110 ms左右出现的安全带峰值载荷高于小腿直立的姿势；同时小腿后曲减小了骨盆重心在z方向的位移量，使得在160 ms左右出现的安全带峰值载荷小于小腿直立姿势。小腿后曲产生的安全带峰值载荷为6.14 kN，比小腿直立姿势中的峰值载荷5.26 kN提高了16.9%。

图11 骨盆重心在x、z方向的最大位移量对比Fig.11 Comparison of max displacement in x and z direction of anthropomorphic test device’s pelvis center of gravity

两者的股骨载荷对比如图12所示，小腿后曲坐姿中股骨峰值载荷是2.59 kN，比小腿直立的3.47 kN降低了25.4%。因此，小腿后曲会减轻乘员的股骨损伤。原因在于小腿后曲会使得下肢与椅背的撞击点相比于小腿直立的坐姿位置更高，下肢接触到座椅结构的刚度变小。右侧股骨载荷的整体情况与左侧一致。

图12 假人股骨轴向载荷对比Fig.12 Comparison of axial femur load of anthropomorphic test device

假人头部重心加速度对比如图13所示。小腿后曲姿势中由于下肢撞击椅背的位置较高，吸能装置在头部撞击椅背前(134 ms)被下肢碰撞提前触发。而小腿直立姿势中的吸能装置在头部撞击后(145 ms)才被触发。将两者头部撞击椅背时的情况进行对比，如图14所示，小腿直立姿势中椅背接近垂直状态，而小腿后曲姿势中吸能装置已被触发椅背出现较大前折角，此后小腿后曲姿势中头部碰撞椅背时会更容易前折，椅背提供给头部的反作用力减弱，从而使得头部重心峰值加速度较小。同时也由于小腿后曲姿势中吸能装置被提前触发，对头部产生的吸能效果相对减弱，使得小腿后曲姿势中头部加速度的平均值较大，计算得到HIC为604.3，大于小腿直立姿势约10%。

图13 假人头部重心加速度对比Fig.13 Comparison of acceleration of dummy headcenter of gravity

图14 头部碰撞椅背时假人姿态对比Fig.14 Comparison of anthropomorphic test device’s posture when head collides with seat back

从假人上颈部提取载荷和力矩。如图15所示，假人颈部主要承受拉伸载荷，小腿后曲姿势中颈部峰值拉伸载荷为2.08 kN，大于小腿直立的姿势。假人在碰撞椅背前，头部承受惯性作用对颈部产生拉伸载荷。小腿后曲姿势中头部受到惯性作用的阶段相比小腿直立姿势更长，则颈部拉伸载荷有所增加。

图15 颈部载荷-时间曲线Fig.15 Load-time curves of anthropomorphic test device’s neck

对于小腿直立姿势，153～160 ms头部与椅背接触的部位由下巴逐渐转换为脸部，如图16(a)所示，假人出现绕y轴低头的现象，颈部受力方式也逐渐由拉伸转换为压缩。160 ms时头部承受向后的反作用力，所以上颈部出现0.43 kN的压缩峰值载荷。随后160～175 ms，与接触椅背的部位逐渐转换为额头，头部承受后上方的反作用力，使得颈部受力方式由压缩逐渐转换为拉伸。

对于小腿后曲姿势，0～144 ms期间假人头部承受惯性作用，颈部拉伸载荷逐渐增加。头部在144 ms时与额头较近的脸部区域与椅背接触，如图16(b)所示，头部承受向后的反作用力，使得颈部拉伸载荷减小。144～165 ms期间头部绕y轴低头的现象没有小腿直立式显著，颈部拉伸载荷有所减小但并未出现压缩载荷。165～175 ms期间假人与椅背接触的部位逐渐转换为额头，头部承受后上方的反作用力，拉伸载荷增加。此后头部往胸部内收，颈部拉伸载荷逐渐减小。

图16 不同坐姿下各个碰撞时刻颈部姿态Fig.16 Anthropomorphic test device’s neck posture with different sitting positions at each collision time

颈部力矩如图17所示，小腿后曲姿势中，假人未出现下巴挂在椅背上的现象，所以颈部承受的伸展力矩小于小腿直立的姿势。但在200 ms出现的颈部屈曲峰值力矩大于小腿直立姿势。原因在于：小腿后曲的姿势中下肢与椅背的接触点位置较高，使得椅背在未与头部接触前已经前折，而后头部碰撞椅背让椅背继续前折，最终前折角度大于小腿直立坐姿，且颈部屈曲现象更为显著，如图18所示。

图17 颈部力矩-时间曲线Fig.17 Moment-time curves of anthropomorphic test device’s neck

图18 200 ms时刻假人姿态对比Fig.18 Comparison of anthropomorphic test device’s posture at 200 ms

结合颈部载荷和力矩计算得到Nij，如图19所示，由于小腿后曲姿势中颈部主要承受拉伸载荷，因此得到的压缩类颈部损伤Nce和Ncf相比于小腿直立式降低。而由于伸展力矩小于小腿直立姿势，所以Nte类颈部损伤较小，同时屈曲力矩的增加使得Ntf类颈部损伤增大。

图19 颈部损伤参数对比Fig.19 Comparison of neck injury parameters

综上所述，50th百分位假人小腿后曲的姿势和小腿直立姿势相比，下肢与椅背的接触点刚度较小会减小股骨损伤。同时下肢与椅背的接触点位置更高将吸能装置提前触发，使得头部重心平均加速度变大，将头部损伤HIC增加10%左右。由于小腿后曲姿势中假人头部未出现下巴挂在椅背上的现象所以颈部伸展力矩较小，从而使得假人承受的主要颈部损伤类型Nte较小。根据Nij值取最大损伤类型的原则，小腿后曲的姿势不会增加颈部损伤。

3.2 小腿摆放位置对95th百分位乘员的损伤影响

作为对比，这里研究在双排航空座椅冲击环境中小腿摆放位置对95th百分位假人损伤的影响。95th百分位假人相比于50th百分位具有更大的体重和身高，表3为两类假人的体型对比情况。由于95th百分位假人的小腿较长，因此在实际乘坐此型号飞机座椅时乘员可能采用的乘坐方式有小腿前伸坐姿和小腿直立坐姿。冲击过程如图20所示，采用小腿前伸坐姿时，头部与前排座椅碰撞的时刻约为150 ms。而采用小腿直立的坐姿时，下肢撞击椅背的位置更高，并且在下肢的碰撞下椅背几乎已经达到全折的状态，此姿势下头部与椅背发生碰撞的时刻延迟到200 ms，因此为了更好地评估乘员损伤将计算的总时长设置为250 ms。

表3 两种体型数值假人对比Table 3 Comparison of numerical anthropomorphic test device of two sizes

图20 各个碰撞时刻假人运动姿态对比Fig.20 Comparison of dummy kinematics at each collision time

图21为两类坐姿下乘员安全带所受载荷情况，小腿直立时安全带峰值载荷为9.31 kN，小腿前伸时安全带峰值载荷为8.81 kN。图22为假人骨盆重心在x和z两个方向位移量对比，小腿前伸后下肢受到前排座椅结构的限制，使得假人在xz平面内的运动空间小于小腿直立坐姿，所以安全带受到的拉伸载荷小于小腿直立的坐姿。

图21 安全带载荷时间曲线Fig.21 Belt load-time curve

图22 骨盆重心在x、z方向的最大位移量对比Fig.22 Comparison of max displacement in x and z direction of anthropomorphic test device’s pelvis center of gravity

股骨载荷如图23所示，对于左侧股骨，小腿前伸时股骨峰值载荷为5.99 kN，而小腿直立时股骨峰值载荷为5.26 kN。由于小腿直立时下肢与椅背接触点的位置更高刚度更小，所以股骨载荷更大。右侧股骨载荷受力情况与左侧类似。

图23 假人左、右侧股骨轴向载荷Fig.23 Axial loads on the left and right femurs of anthropomorphic test device

头部重心合成加速度时间曲线如图24所示，小腿前伸坐姿中头部的峰值加速度为91.49g，峰值在150 ms左右出现，计算得到的HIC值分别为1 370.2。此时小腿直立的坐姿中头部峰值加速度为85.68g，HIC值为1 157。两者头部损伤均超过人体耐受损伤极限。虽然小腿前伸加速度峰值更高，也因此在150～180 ms的时间区间内产生了更大的HIC值，但是值得注意的是小腿直立的坐姿在200 ms时会产生一个107.94g的二次波峰。结合运动姿态图20可以发现，小腿直立的坐姿中假人的头部在200 ms才与座椅结构发生碰撞，而第一个峰值的出现只是假人在惯性的作用下形成。所以小腿直立的坐姿会给假人头部造成二次伤害，代表着更高的损伤风险，相比之下采用小腿前伸的坐姿对乘员头部更安全。

图24 假人头部重心加速度-时间曲线Fig.24 Acceleration-time curve of anthropomorphic test device’s head center of gravity

颈部载荷对比如图25所示，小腿前伸坐姿下颈部主要承受拉伸载荷，且峰值为3.76 kN。对于小腿前伸坐姿而言，0～150 ms头部承受惯性作用，此阶段颈部拉伸载荷不断增长。随后头部在150 ms时碰撞前排椅背，随后头部承受椅背支撑力使得拉伸载荷逐渐减小。

图25 颈部载荷-时间曲线Fig.25 Load-time curves of anthropomorphic test device’s neck

而小腿直立的坐姿中假人头部在200 ms之前持续承受惯性作用。在167 ms时颈部拉伸载荷达到峰值4.78 kN，此后头部开始往胸部内收，颈部拉伸载荷逐渐减小。并在200 ms左右由于头部撞击椅背形成压缩峰值载荷2.16 kN，这也使得其颈部损伤Nce和Ncf大于小腿前伸的坐姿。

颈部Y向力矩时间曲线如图26所示，对于颈部伸展力矩，小腿直立峰值力矩为94.19 N·m，小腿前伸力矩为79.32 N·m小于前者15.8%。小腿前伸的姿势中头部在150 ms左右接触椅背后承受向后上方的反作用力，颈部伸展力矩开始减小并逐渐转变为屈曲方式。而小腿直立坐姿中假人颈部持续承受惯性作用，会使得伸展现象更为显著，因此伸展力矩更大。

图26 颈部力矩-时间曲线Fig.26 Moment-time curves of anthropomorphic test device’s neck

对于颈部屈曲力矩，小腿直立峰值力矩为116 N·m，比小腿前伸63.52 N·m大45%。小腿直立式坐姿头部在200 ms会与椅背底部结构发生碰撞,如图27所示，颈部在此阶段内的屈曲现象比小腿前伸姿势更为显著。

图27 200 ms时假人姿态对比Fig.27 Comparison of anthropomorphic test device’s postures at 200 ms

结合颈部载荷和力矩计算得到Nij，两类姿势颈部损伤对比如图28所示，与小腿直立的姿势相比小腿前伸会增加乘员的四类颈部损伤，最终得到小腿直立姿势中假人颈部损伤Nij为0.793。

图28 颈部损伤参数对比Fig.28 Comparison of neck injury parameters

对95th百分位乘员而言，小腿直立的坐姿与小腿前伸坐姿相比，下肢与椅背的撞击点位置更高刚度较小，从而减小了股骨损伤。小腿直立坐姿的头部损伤HIC值相较于小腿前伸能减小15.6%，然而小腿直立坐姿在200 ms时头部才撞击椅背，此时头部重心加速度出现第2个峰值(107.94g)，表示乘员头部有二次损伤的风险。采用小腿直立的坐姿时，头部承受惯性作用的阶段更长使得颈部拉伸载荷和伸展力矩大于小腿前伸坐姿。又因为在200 ms时头部撞击椅背刚度较大的下端位置，使得颈部压缩载荷和屈曲力矩大于小腿前伸坐姿，所以小腿直立坐姿的四类颈部损伤都大于小腿前伸坐姿。