直升机后向座椅的适坠性仿真分析

陈家辉, 李艳军, 曹愈远, 马新宇

(南京航空航天大学民航学院, 南京 211106)

民用飞机在飞行过程中,可能因为设备故障、恶劣天气等原因,会在紧急情况下发生应急着陆的情况,在应急着陆过程中,主要通过飞机底部结构吸收冲击的能量,防止过大的变形。但是针对乘员的直接保护是取决于座椅结构和座垫的能量吸收以及安全带的约束,避免乘员遭受严重冲击载荷或与舱内其他部件发生碰撞[1]。由于座椅系统是地面转移到机上乘客的负载路径中主要的子系统之一,因此它受到了极大的关注,在飞机坠撞时候,座椅结构和坐垫发生变形吸收冲击的能量,以满足座椅的适坠性来保护机上乘客安全。

为了满足航空座椅系统的适坠性,在飞机坠撞时保护乘客安全,同时避免座椅发生过大的意料外的形变影响乘客的安全撤离,国外出台相关航空座椅的安全条例[2-4]。中国民用航空器适航标准23、25、27和29部中都对航空座椅提出了严格的性能要求[5-8]。其中涉及座椅重量、极限惯性载荷、最大变形、安全带约束等技术指标。目前,座椅碰撞试验是联邦航空管理局(Federal Aviation Administration,FAA)认可的唯一可靠验证方法[9]。但是座椅的动态冲击试验涉及多刚体假人的动态响应和损伤、能量吸收、瞬态动力学、非线性分析等复杂的力学问题。目前进行试验室的物理试验是评估航空座椅安全性的最直接也是最可靠的方法。但是飞机的设计周期因此也受到认证测试要求的严重制约,完全基于物理试验来检验座椅的安全性,需要进行反复的动态冲击试验,这不仅花费的成本巨大,设计周期也会大大延长,座椅系统的碰撞行为也很难用纯粹的分析方法来预测。

国外学者已经使用数值方法对航空座椅的适坠性以及座椅结构的参数优化进行了许多研究[10-14]。国内相关研究处于起步阶段[15-17]。国内开展的相关研究主要集中在刚性座椅上,对于弹性座椅和直升机上的座椅的研究很少。同时国内缺少座椅对于乘客安全保护的分析研究,难以正确评估航空座椅对乘员的保护能力,更不可能提出对设计的改进。若能通过数值模型可以准确地反映出航空座椅系统的结构变形和动态响应,进而优化航空座椅设计提高安全性。

现主要针对某旋翼类航空器设计的新型座椅系统为例,基于多刚体动力学和显示动力学理论完成了人椅耦合系统的建模,结合CCAR 27规章中的垂直动态冲击试验要求,进行某型号直升机后向座椅的动态冲击仿真。进行仿真结果与实际试验数据进行定量分析对比,确立仿真模型的有效性以及分析座椅结构的安全性。采用有限元法分析假人的损伤指标数据,为仿真技术辅佐航空座椅设计和开发提供参考依据。

1 垂直动态冲击试验

航空座椅的动态试验与静载试验不同,静载试验关注于飞机机身导轨的连接强度以及座椅自身强度是否满足性能要求。而动态试验是用于评估航空座椅/乘员系统在飞机坠撞等恶劣环境下人体生理耐受指标、座椅结构强度、变形、性能能否满足规章要求的重要试验,对座椅系统在动载环境下保护乘客的安全性评估具有不可替代性。

垂直方向测试的目的是评估紧急着陆条件,座椅受到垂直载荷冲击下的结构完整性和脊柱损伤,因为主要的冲击是沿着乘者的脊柱。中国民用航空局在其法规CAAC 23、25、27和29部中定义了座椅垂直冲击测试的条件如图1所示。从图中可以看出旋翼类航空器的座椅系统与飞机相比,工作环境更加恶劣,试验所需的峰值加速度更大,峰值时间更少,对座椅的安全性能有更高的要求,因此该型号的座椅设计更加复杂,设计周期更长。

图1 中国民用航空规章垂直冲击测试条件Fig.1 Vertical impact test conditions of China Civil Aviation Regulations

在西安中国飞机强度研究所进行航空座椅的30g(g为重力加速度,g=9.8 m/s2)垂直动态冲击试验。根据引用标准SAEAS 8049B《民用旋翼航空器和运输类飞机座椅性能标准》中&5.3的动态冲击试验要求,研究对象是航空座椅/乘员系统,由ATD(anthropomorphic test device)假人、航空座椅、安全带约束系统组成。

在动态冲击试验中,带有假人的座椅通过导轨被固定在冲击滑台上,冲击前使座椅的每个支腿相对于未变形的地板结构俯仰10°、滚动10°,其目的是对结构进行预应力,并模拟飞机在紧急着陆过程中地板结构的严重变形。冲击开始将三角形加速度脉冲施加到水平冲击滑台上。这个脉冲可以将座椅提高到最小要求速度并相应地使其减速来模拟。在垂直方向试验中,座椅必须经历最小9.14 m/s的速度变化,从而在31 ms内承受至少承受30g的载荷,试验参数如表1所示。

表1 动态垂直冲击试验要求Table 1 Requirements for dynamic vertical impact test

垂直动态冲击试验中惯性加载方向,将向下偏30°角30g冲击试验转换为向前以水平方向为基准偏转60°冲击试验,经过转换后,试验座椅仍然与冲击方向保持30°,冲击效果相同,满足其试验要求。最后直升机后向航空座椅的垂直冲击试验如图2所示,经过试验后要根据适航条款中标准要求评估假人的损伤、座椅的变形情况和连接件的失效。

图2 航空座椅冲击加载Fig.2 Impact loading of aviation seat

在旋翼类航空器中,座椅朝向不固定,有前后向座椅(机头方向为前)和侧向座椅。研究表明,人的耐受能力取决于束缚系统与乘客的接触面积。在受到纵向方向的冲击时,后向座椅与乘客接触面积更大、支撑更好,更加有利于乘员的保护。但是座椅靠背结构要承受乘客上部躯干的惯性力,防止乘客过度的前移趋势,因此后向座椅的设计要保证能承受乘客身体作用于靠背结构的载荷和力矩。本文研究选定H135直升机的后向座椅进行建模分析,后向座椅的垂直冲击试验要将冲击方向掉转180°,试验情况如图3所示。

图3 后向座椅的冲击试验Fig.3 Impact test of rear facing seat

2 基本原理

2.1 动态有限元法

在座椅冲击中,有包含非线性微分方程的非线性多自由度问题,求解出给定初始条件问题、位移、速度和加速度的数值解。所有其他的未知数,如应力、应变、能量等均可由位移、速度和加速度的基本值推导而出。

(1)

由于所有这些项都是时间相关的,因此在动力学分析中,假设t时刻的静态平衡,包括与加速度相关的惯性力的影响,与速度相关的阻尼力都是需要考虑进去的。对于解决这种高度非线性的瞬态问题,一般采用显示方法[18],显式分析非常适合于动态模拟,如冲击分析和碰撞分析。

2.2 显示动力学

在显式方法中,“中心差分方案”等时间积分方法是主要使用的。在该方法中,将方程中的平衡关系看作是一个常系数的常微分方程组,并且可以使用根据位移近似加速度或速度的任何方便的有限差分表达式。

(2)

(3)

式中:t为时间间隔。

分别代入方程式(2)和式(3)中的速度值和加速度值,改写方程式(1)为

(4)

从式(3)中减去式(2),然后改写公式为

(5)

(6)

将Un-1从式(6)代入式(4),可以确定Un+1的值,因此可以计算出时间步长n+1的其他未知数,如位移、速度、加速度。

3 座椅/乘员系统仿真方法

图4显示了飞机座椅系统的有限元方法,主要由座椅结构、滑轨和靠垫、约束系统和50百分位假人模型组成。座椅系统的非线性瞬态有限元分析采用以下步骤:①座椅结构和非结构组件的有限元建模;②材料测试和部件验证;③加载和边界条件;④虚拟验证;⑤输出结果分析。

图4 飞机座椅系统的有限元分析方法Fig.4 Finite element analysis method of aircraft seat system

3.1 座椅有限元的建模

本文座椅为新设计开发的某医护直升机座椅,主要材料为7075-T6铝合金,质量为14.3 kg。其中座椅结构包括座椅框架、坐垫、背垫、4点式安全带、快接地板组件,该座椅的三维模型如图5所示。

图5 座椅结构示意图Fig.5 Schematic diagram of seat structure

首先是对座椅的CAD几何模型进行简化,大多数飞机座椅组件是机械加工和复杂的几何形状。座椅框架几何图形是不同厚度、肋条、圆角、半径和倒角的组合,保留座椅主要的受力部件,通过简化复杂的几何形状可以减少计算时间提高效率。

座椅的有限元建模中对于框架、坐垫和背垫采用以六面体单元为主进行划分,座椅板和圆壁管首先在其原有几何基础上抽取中面,在采用壳单元网格进行划分,厚度按照原有厚度进行赋予,采用刚性连接模拟螺栓、焊接连接。

航空座椅网格划分的质量标准[19]如表2所示,要求95%的网格满足该质量标准。

表2 实体单元和壳体单元的质量标准Table 2 Quality standards for solid units and shell units

经过Hypermesh软件的自检中,座椅有限元模型满足网格质量标准规定要求,因此该模型质量标准是合格的,在之后的计算分析中也更加高效和稳定。

3.2 网格单元和材料属性

根据中外研究和经验,六面体单元使用单点积分算法,计算更加稳定且能有效阻止负体积的出现,壳单元使用对于大变形问题计算稳定有效的Belytschko-Tsay公式,该种单元是缩减积分单元,计算速度快。使用相对恒定的元素尺寸范围在3～6 mm。对于所选的时间步长为2.8×10-7s,为了保持数值稳定性,模型中最小元素限制在不小于2 mm。

座椅框架采用航空铝材7075-T6,材料属性使用MAT24中弹塑性材料的双线性本构模型,参数如表3所示。

表3 7075-T6材料参数Table 3 7075-T6 Material Parameters

坐垫、靠垫的发泡材质为聚氨酯泡沫,材料模型选用高压缩低密度泡沫材料MAT57进行模拟[20]。聚氨酯泡沫模型可用于模型高可压缩的泡沫,适用于座垫材料,可以很好地模拟卸载时的滞后现象。

该材料密度为60 kg/m3,杨氏模量为0.25 MPa。在LS-DYNA中发泡材料定义的加载-卸载名义应力应变曲线如图6所示。

图6 聚氨酯泡沫应力应变曲线Fig.6 Stress strain curve of polyurethane foam

3.3 约束和加载

根据《旋翼航空器、运输类飞机和小飞机座椅系统》(CTSO-C127b)中的相关标准规定,旋翼航空器(B-2型)必须按照图7所示要求完成垂直动态冲击试验。

图7 地板变形示意Fig.7 Schematic diagram of floor deformation

根据相关标准要求建立出加速脉冲的导轨,将座椅与导轨约束。试验要求的三角形脉冲载荷添加到座椅导轨上,并将导轨设置为刚体,避免不必要的变形。在加速脉冲施加的同时,为模拟出地板的变形情况,采用动态松弛法进行座椅的预变形(俯仰和滚动),并将假人和座椅添加的1g的重力加速度。

采用一维刚性单元和二维壳单元完成四点式安全带模型。一维刚性单元用于安全带和连接点的连接,二维壳单元模拟安全带织物对假人的约束。

4 航空假人/座椅系统模型动态响应

按照上述方法建立好H135直升机的航空假人/座椅约束系统(B-2型),该航空假人/座椅模型总过包含71 290节点,36 641体单元,10 822壳单元,该模型中数值假人的初始姿势与试验中物理假人初始姿势需要保持一致。物理假人关键部位的马克标三维坐标定位了初始坐姿,依据定位的头部、膝部、手部、H 点、肩部、脚踝等关键部位马克标坐标摆放数值假人,实现数值假人与物理假人初始坐姿一致性,如图8所示。

图8 航空假人/座椅系统模型Fig.8 Aero dummy/seat system model

在航空座椅的动态冲击仿真中,大多数运用的是瞬态的非线性分析和多刚体动力学理论[21]。本文研究利用通用的有限元程序LS-DYNA进行仿真分析,LS-DYNA用于分析三维结构的非线性动态响应,它采用中心差分法对时间积分进行非线性动态响应分析程序。

为了验证该模型的有效性,将座椅/乘员系统的有限元模型导入非线性有限元软件LS-DYNA中进行模拟仿真,并将仿真结果和试验结果进行对比分析。

仿真结束后,检查仿真输出的数据。一般要求最终质量增加不得超过5%,沙漏能小于总体内能的10%[22]。通过计算发现,在整个冲击过程中,模型整体质量增加和沙漏能占比远小于上述要求,因此仿真结果可行度高。

4.1 响应数值评估

为了评估所提出的座椅系统模型的可靠性,对脊椎与骨盆间的载荷进行了数值监测和评估,比较试验和仿真的数据。根据SAE ARP 5765A,利用幅度误差(Error) 和综合误差(CSG)两个指标评估载荷曲线的相关性及模型的有效性。

曲线的幅度误差为

(7)

式(7)中:PeakTest为试验峰值;Peaksim为仿真峰值。

曲线峰值时刻误差为

(8)

式(8)中:tTest为试验峰值时刻;tsim为仿真峰值时刻。

利用Sprague和Geers综合误差计算曲线形状误差。给定两个相同长度的时间内,参考数据的m(t)和对比数据c(t),t1、t2是试验的开始和结束时间,将定义以下时间积分得到Imm、Icc和Imc。

(9)

(10)

(11)

式中:Imm为参考曲线平方项积分;Icc为对比曲线平方项积分;Imc为参考曲线与对比曲线乘积项积分。

仿真模型的的幅度误差随后被定义为

(12)

误差的定义为

(13)

最后得出Sprague和Geers的综合误差的定义为

(14)

将仿真数据进行提取,与试验在标记点的加速度和速度方面的比较如图9所示。标记点位于骨盆处的仿真结果与测试结果如图10所示,随着在横轴上的时间和脊柱负荷在纵轴上的变化,线形图显示了假人的腰椎力在碰撞期间时间变化的趋势。橙色曲线表示模拟结果,蓝色曲线表示试验结果,主要模拟0～62 ms的冲击结果,在0 ms对座椅施加初始加速度,约在17 ms座椅与假人开始发生碰撞,在大约在47 ms假人的腰椎载荷达到顶峰然后开始下降。

图9 导轨加速度和速度Fig.9 Rail acceleration and speed

图10 假人腰椎载荷数值对比Fig.10 Comparison of dummy lumbar spine load values

在60°的冲击下,假人腰椎力是主要评测数据,也是判定模型有效性的重要指标之一。试验中最大腰椎载荷为5 291 N,仿真结果中最大腰椎载荷为5 654 N,结果均小于规定的最大腰椎载荷6 670 N。由图9中仿真数据曲线与试验的实际曲线对比中,可以看出曲线的大致形状、峰值大小和脉冲形状均保持良好的一致性,曲线峰值误差、峰值时刻误差和形状误差均小于8%,在实际工况下,这种程度的误差是可以接受的,说明通过上述方法建模是合理有效的,有效仿真模型可以为物理试验提供参考依据和提供相应的改进措施。

4.2 有限元法对座椅系统的响应分析

在座椅冲击过程中,航空假人的重力、惯性力是座椅承受的主要载荷。其中,假人自身的重力以及由于座椅向前加速导致的惯性力主要施加在座椅坐盆上,假人惯性力是垂直于坐垫上的,因此对坐盆部位施加的载荷较大。

如图11(a)所示,表示飞机地板变形导致座椅外框架的扭曲,相对于左外框架的俯仰变形,右外框架的滚转变形更加严重,会对连接螺栓及薄壁圆管施加更大的力和力矩,导致更容易使框架出现破坏。由此看出,飞机地板的变形对于座椅动态冲击中会受很大影响,同时也模拟出飞机紧急坠落的严峻情况,可提高座椅设计的安全性。

图11 座椅部件变形情况Fig.11 Deformation of seat parts

外框架由于飞机地板变形影响产生了扭转和前倾,因此对将框架相连接的座椅板产生了很大的作用力和扭矩,使之产生了明显的塑形变形。如图11(b)所示,这种大幅度变形一是因为飞机地板变形,改变外框架和坐盆框架的受力框架,导致座椅板出现扭曲变形,二是由于冲击主要沿着人体的脊椎方向,为了避免乘客的腰椎和脊椎受到过大的冲击,保护乘客安全,座椅板产生较大塑性形变来提供缓冲。

座椅中对乘员的腰椎的保护取决于座椅结构、底盘和座垫的组合缓冲距离,有效的缓冲距离可以减少了乘员在冲击时的速度积累,对于减少腰椎载荷起到关键性作用。如图12所示,该座椅的设计是当承受过大载荷时,座椅框架的连接螺栓出现滑动,将迫使假人向下合成运动,增加假人的缓冲距离,起到保护乘客的目的。

图12 座椅缓冲装置Fig.12 Seat buffer device

4.3 乘客的动态响应分析

为了进一步探究该座椅系统的安全性,研究在扩大乘客体格覆盖范围(95%)后对直升机座椅系统的影响和安全性。进行了相应的有限元建模和分析,以演示或比较使用第95百分位假人模型对重要测试参数的影响,比较第50位和第95位男性假人的体重、身高等情况。结果如表4所示。

表4 第50分位和第95分位男性假人参数对比Table 4 Comparison of 50th and 95th percentile male dummy parameters

在座椅垂直冲击仿真中,使用50分位和95分位假人进行有限元仿真分析,表5为不同体格假人的损伤和座椅系统负载的比较。

表5 动态冲击部分指标对比Table 5 Comparison of Dynamic Impact Indexes

动态冲击试验结束后,座椅结构仍然连接在导轨上,主要载荷传递路径保持完好,乘员约束系统能经受动态载荷后与所有连接点保持连接,座椅的永久变形在规定的量值限度内,并且不显著地妨碍乘员解脱约束、站起来以及离开座椅。由于假人头部没有和其他部件发生碰撞,因此HIC值较低,由于冲击是沿着腰椎方向,腰椎承受大部分载荷,座椅吸能效果不够充分,导致对假人的腰椎损伤指标较大。

从乘客安全的角度来看,为了承受更大体格的乘客,有必要评估适合更大体积乘客的飞机座位系统的结构完整性。相比于50分位假人,95分位假人的重量重了大约27%,身高增高了约7%。在动态冲击试验中,仍然满足适航规章27部规定,假人的损伤增加了15%～25%,座椅的负载增加了10%～20%。

4.4 改进与建议

从仿真结果来看,乘客的各项伤害指标均未超过规定值,满足适航规章要求,因此在紧急坠落时,该型号座椅能够满足机上乘客的安全性要求。但在垂直冲击过程中,座椅坐垫和座椅板变形严重,座椅板的部分连接出现了脱落,可能会对乘客的撤离产生不利的影响,若连接完全失效,腰椎力可能出现二次峰值,超过人体耐受极限,存在一定的安全隐患。其中假人的腰椎受到损伤是最大的,也是最容易受到伤害的部位,因此座椅的设计应该关注于对假人腰椎的保护作用。增加座椅板与座椅框架连接件结构的强度,优化冲击载荷的传递路径,增加乘客下坠的缓冲距离等措施。

5 结论

(1)提出了一种直升机座椅的有限元动态分析方法,由座椅结构、垫子、约束系统和50分位的假人组成的非线性有限元模型。该模型将约束载荷、地板变形和导轨载荷相互关联起来。有限元结果和检验结果的比较表明了有着较好的一致性,建立了有限元方法评估的可信度。

(2)根据航空航天标准,即SAE AS8049B和CCAR-27-R2,进行某型号直升机座椅的垂直动态冲击试验和仿真试验。研究人体最大容差极限和直升机机座最小性能标准的估计方法,这为直升机的适坠性评估提供了参考。相比50分位假人,95分位的假人受到的损伤增加了15%～25%,座椅负载增加了10%～20%,总体来说,需要做更多的研究来确定在为更大体格的人群设计时对座椅重量的影响。

(3)该型号直升机的座椅基本满足适坠性要求,但是座椅板连接容易在冲击过程失效,可能会导致腰椎受到更大的载荷和乘客逃脱时受到阻碍;座椅当承受过大载荷,连接螺栓向下滑动进行乘员的保护机制可靠性程度较低,可能会在实际冲击过程中无法起到保护作用;地板的变形会加剧座椅整体结构的破坏,在后续的设计改进中应该考虑。