李杰　解江　袁鵬　馮振宇

【摘 要】本文以優(yōu)化某航空座椅約束系統(tǒng)為目的，建立了某假人/座椅約束系統(tǒng)多剛體模型，運(yùn)用MADYMO軟件進(jìn)行分析。首先運(yùn)用某機(jī)型座椅墜撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比照，驗(yàn)證建模方法的有效性。其次建立某型座椅模型進(jìn)行墜撞仿真試驗(yàn)。最后，采用正交試驗(yàn)極差分析法，設(shè)計(jì)五因素四水平試驗(yàn)方案，對(duì)該航空座椅進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終結(jié)果表明：該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法使得乘員的脊椎載荷減小了11.14%，顯著降低了乘員的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

【關(guān)鍵詞】墜撞；航空座椅；正交試驗(yàn)；仿真

0 引言

對(duì)航空事故的調(diào)查表明，如果飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮墜撞安全性因素，那么92.8%的墜撞事故都將是可生存或部分可生存的，從而可以大大提高乘員的生存率[1-2]。對(duì)于民用飛機(jī)而言，除了滿足基本的飛行要求以外，還必須具有很高的可靠性和安全性，因此開(kāi)展飛機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性的研究非常必要。在飛機(jī)發(fā)生墜撞過(guò)程中，主要利用機(jī)身底部的吸能結(jié)構(gòu)，來(lái)減緩吸收墜撞的沖擊能量，從而保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性。然而，從提高乘員的生存率的方面考慮，座椅系統(tǒng)是關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)乘員的安全有重要影響。

國(guó)外對(duì)于航空座椅及假人動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了大量的研究，尤其是包含假人/座椅系統(tǒng)的整機(jī)墜撞研究。1995年，E.Schuller等人根據(jù)9g靜力試驗(yàn)和16g動(dòng)力試驗(yàn)的要求對(duì)座椅的穩(wěn)定性和乘客的保護(hù)措施進(jìn)行研究，結(jié)果表明嚴(yán)重撞擊引起的座椅變形，將會(huì)影響乘員的生存和逃生空間[3]。2006年，Patil A.A對(duì)兒童座椅及約束系統(tǒng)的建模和性能進(jìn)行了評(píng)估，其利用Hypermesh和MADYMO程序?qū)煞N兒童座椅進(jìn)行有限元建模，并進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，最終證明了模型的有效性。2008年，John Rasmussen和Mark de Zee等人研究通過(guò)優(yōu)化航空座椅的坐墊和靠背等參數(shù)以達(dá)到最佳的空間舒適度和安全性。

我國(guó)對(duì)于航空座椅及其假人動(dòng)態(tài)響應(yīng)的研究起步較晚，而且主要集中在計(jì)算機(jī)仿真研究。2007年，西北工業(yè)大學(xué)的周昊等人，采用LS-DYNA軟件建立座椅有限元模型和HybridⅡ型假人多剛體模型，模擬了航空座椅和假人在沖擊中的響應(yīng)過(guò)程， 評(píng)估了航空座椅結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)沖擊性能。南京航空航天大學(xué)的何歡等人，使用帶有Hybrid III型標(biāo)準(zhǔn)假人的全機(jī)模型進(jìn)行了縱向墜撞分析，并根據(jù)乘員的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，提出了座椅約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。

本文以某型航空假人/座椅約束系統(tǒng)多剛體模型為基礎(chǔ)，對(duì)座椅靠背角度、坐墊剛度、安全帶剛度和安全帶錨點(diǎn)位置等主要影響因素設(shè)定3種不同水平（變量值），以人體脊椎受力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)極差分析法進(jìn)行優(yōu)選，得到最優(yōu)化的模型，最后分析優(yōu)化結(jié)果的仿真數(shù)據(jù)，證明優(yōu)化結(jié)果的優(yōu)良性。

1 MADYMO理論基礎(chǔ)

本文采用MADYMO多剛體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，進(jìn)行乘員的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算和分析。乘員與座椅系統(tǒng)由多個(gè)剛體所組成，MADYMO對(duì)多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)算法采用達(dá)朗伯-拉格朗日方程描述，以剛體來(lái)代表座椅系統(tǒng)和假人，各剛體之間的相互作用通過(guò)接觸來(lái)定義，剛體表面無(wú)變形，而作載荷和響應(yīng)數(shù)據(jù)依據(jù)穿透量和接觸特性來(lái)計(jì)算。因此，僅限于研究乘員的沖擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)問(wèn)題。

2 假人/座椅約束系統(tǒng)建模方法的驗(yàn)證

在MADYMO軟件建模中，座椅部件、安全帶的建立、假人的調(diào)用和坐姿的調(diào)整，模型中接觸的合理定義，對(duì)假人響應(yīng)的正確性起到了決定性的影響。建模方法的準(zhǔn)確合理性，成為了模型是否有效的關(guān)鍵點(diǎn)。因此，首先對(duì)標(biāo)仿真模擬MD-500型直升機(jī)墜撞試驗(yàn)，以此驗(yàn)證建模方法的合理有效性。

2.1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

2009年12月，美國(guó)NASA在Langley 研究中心針對(duì)MD-500直升機(jī)進(jìn)行了全尺寸墜撞試驗(yàn)[8]，試驗(yàn)假人為四點(diǎn)式安全帶的Hybrid III型50百分位男性假人。測(cè)得駕駛員座椅處的墜撞速度、加速度脈沖和假人頭部、胸部和盆骨處加速度響應(yīng)。

2.2 模型建立

由于在試驗(yàn)中，測(cè)得了座椅處的加速度脈沖，因此建立簡(jiǎn)化的假人/座椅約束系統(tǒng)模型，其中座椅包括坐墊和靠背的橢球?qū)嶓w。安全帶選用MADYMO自帶的混合型安全帶，定義有限元安全帶參數(shù)，指定安全帶與假人身體的貼合部位，模塊化建立兩條肩部安全帶和腰部安全帶。然后，采用命令 CONTACT.MB_FE對(duì)安全帶與人體部位進(jìn)行接觸定義，其中主面 MASTER_SURFACE選擇人體，從面 SLAVE_SURFACE為有限元安全帶。此外，選擇與試驗(yàn)相同的Hybrid III 型50百分位男性仿真假人，其坐姿按照實(shí)際假人坐姿進(jìn)行調(diào)整。將測(cè)得的速度及加速度脈沖加載在座椅上，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

2.3 方法驗(yàn)證

由于在墜撞試驗(yàn)中，垂直Z向加速度最大，對(duì)人體損傷也最嚴(yán)重，因此選擇輸出頭部、胸部和盆骨處的垂直方向加速度響應(yīng)曲線，與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照，驗(yàn)證建模方法的有效性.。

在飛機(jī)墜撞事故中，人體為柔性體，器官的載荷響應(yīng)中載荷峰值對(duì)人體的損傷最大。同時(shí)，頭部損傷作為汽車、航空領(lǐng)域乘員保護(hù)的最重要傷害參數(shù)， 被各國(guó)法規(guī)和文件體系所重視。因此，本試驗(yàn)以頭部加速度為主要指標(biāo)。結(jié)果表明，頭部Z向加速度曲線與試驗(yàn)符合性較好，兩條曲線的波形趨勢(shì)大體一致，響應(yīng)曲線峰值為9.75g，而試驗(yàn)中響應(yīng)曲線峰值為10.01g，兩者相對(duì)誤差為2.6%，第二個(gè)波峰的時(shí)刻與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相同。胸部Z向加速度響應(yīng)的兩條曲線波形趨勢(shì)基本一致。仿真試驗(yàn)首個(gè)峰值時(shí)間較試驗(yàn)數(shù)據(jù)提前15ms，而第二個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)刻在150ms左右，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本符合。此外，對(duì)仿真結(jié)果動(dòng)畫與試驗(yàn)過(guò)程視頻進(jìn)行比較，模型響應(yīng)過(guò)程基本一致。

對(duì)于仿真結(jié)果存在的誤差，分析由于以下原因：

1）由于座椅幾何形狀和材料接觸特性不夠精確，模型僅為簡(jiǎn)化模型。仿真模型墜落時(shí)不考慮空氣等外界阻力的影響，所以仿真結(jié)果的峰值時(shí)刻比試驗(yàn)結(jié)果較早出現(xiàn)，但其波形趨勢(shì)大體一致。

2）座椅結(jié)構(gòu)為剛體，僅依靠物體間的接觸特性來(lái)描述物體的變形，在碰撞的瞬間，以及假人與座椅接觸的過(guò)程，峰值突起劇烈，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線比仿真結(jié)果曲線更加平滑。

通過(guò)以上對(duì)MD-500直升機(jī)座椅和乘員模型的建立，以及與試驗(yàn)中乘員頭部、胸部和骨盆的Z向加速度動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，最終可知，該模型基本上能夠反映出假人的響應(yīng)特征，建模方法有效合理。

3 航空座椅約束系統(tǒng)模型

3.1 系統(tǒng)模型的建立

該假人/座椅約束系統(tǒng)模型包括客艙框段（艙壁和地板）、座椅、約束系統(tǒng)（安全帶）和假人組成。如圖1所示，在MADYMO軟件中，建立某客艙機(jī)身框段雙排座椅多剛體模型，其中假人采用MADYMO假人家族庫(kù)中FAA Hybrid Ⅲ型假人模型。

FAA頒布的咨詢通告AC25.562-1B建議，假人模型應(yīng)位于座椅中心位置，并依靠在座椅靠背上，大腿放置于座墊上，雙手應(yīng)置于大腿上，假人雙腳至于地板上。同時(shí)，咨詢通告AC25.785-1A對(duì)乘員安全帶的安裝也做出了要求，將假人調(diào)整到合適的乘員姿態(tài)。此外，同樣選用MADYMO軟件特有的有限元和剛體的混合型安全帶模型，建立兩點(diǎn)式腰部安全帶。

3.2 初始條件的設(shè)定

1999年，F(xiàn)AA在亞特蘭大的技術(shù)中心進(jìn)行了B737機(jī)身框段的垂直墜撞試驗(yàn)[9]，以分析飛機(jī)在墜撞過(guò)程中，機(jī)體的結(jié)構(gòu)變形和乘員的響應(yīng)。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得墜撞垂直速度為9.144m/s，以及座椅地板處的速度及加速度響應(yīng)。

本試驗(yàn)以上述FAA所做的Boeing 737機(jī)身框段的垂直墜撞試驗(yàn)為參照，通過(guò)速度加載命令I(lǐng)NITIAL.JOINT_VEL，設(shè)定與試驗(yàn)相同的初速度。通過(guò)MOTION.JOINT_ACC命令，將試驗(yàn)脈沖加載在座椅模型上。3.3 假人響應(yīng)的輸出設(shè)置

座椅約束系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)劣性，需要一定的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，以確定乘員的傷害在可接受的范圍內(nèi)。由于飛機(jī)在垂直墜撞過(guò)程中，脊椎受到的損傷最大，對(duì)乘員的安全具有重要的影響，因此本文選用脊椎下部受力輸出指標(biāo)。最后對(duì)模型仿真計(jì)算后，得到假人腰椎下部所受載荷為4.10kN。

4 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

以上述假人/座椅約束系統(tǒng)為原始模型，按照正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)定4個(gè)變量因素，分別為座椅角度、安全帶錨點(diǎn)位置、相對(duì)于原模型的安全帶剛度和坐墊剛度，每一因素選擇3水平（變量），如表1所示。選擇四因素三水平L9 （34）正交試驗(yàn)表。

5 正交試驗(yàn)參數(shù)分析

該試驗(yàn)的目標(biāo)為脊椎載荷最小，根據(jù)這一原則，可以確定試驗(yàn)的最優(yōu)結(jié)果為B3A3D3C3，對(duì)應(yīng)的仿真模型數(shù)據(jù)及乘員脊椎載荷。如表3所示，最終乘員脊椎載荷減少了11.14%。

6 結(jié)論

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)作為一種快捷的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期具很強(qiáng)的實(shí)用性。對(duì)于正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，往往采用極差分析法，具有簡(jiǎn)單易懂，計(jì)算量少，快捷高效的優(yōu)點(diǎn)。

本文基于以上考慮，在航空座椅設(shè)計(jì)初期，采用正交試驗(yàn)極差分析法，基于MADYMO軟件，以優(yōu)化某航空座椅約束系統(tǒng)為目的，首先，建立簡(jiǎn)化的MD-500直升機(jī)座椅/假人模型，并與墜撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照，驗(yàn)證建模方法的有效性。其次，建立客艙機(jī)身框段假人/座椅約束同模型，按照法規(guī)對(duì)假人姿態(tài)及安全帶進(jìn)行調(diào)整，參照B737墜撞試驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行墜撞仿真試驗(yàn)。最后，采用正交試驗(yàn)極差分析法，設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)方案，對(duì)該航空座椅進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)分析得到影響評(píng)價(jià)目標(biāo)的各因素主次性排序。最終結(jié)果表明：該座椅模型運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，可以使得乘員的脊椎載荷減小11.14%，顯著降低了乘員的損傷風(fēng)險(xiǎn)，改善了座椅的乘員安全性。

【參考文獻(xiàn)】

[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.

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

[責(zé)任編輯：王偉平]