鄧先來(lái)，王 翔

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

航空座椅抗墜毀環(huán)境模擬技術(shù)分析

鄧先來(lái)，王 翔

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

針對(duì)不同規(guī)格及可生存墜毀概率條件下航空座椅所承受墜毀瞬間的沖擊載荷各不相同這一狀況，對(duì)座椅抗墜毀環(huán)境模擬裝置液壓緩沖吸能系統(tǒng)建立了物理學(xué)模型，應(yīng)用數(shù)值仿真分析得出不同參數(shù)變量及試驗(yàn)工況對(duì)沖擊環(huán)境波形的影響，最后應(yīng)用優(yōu)化算法，通過(guò)改變投放質(zhì)量及開(kāi)孔面積得到符合試驗(yàn)要求的沖擊波形。

航空座椅；環(huán)境模擬；緩沖吸能

0 引言

抗墜毀設(shè)計(jì)是直升機(jī)設(shè)計(jì)當(dāng)中必須考慮的因素，在直升機(jī)意外墜毀時(shí)，起落架系統(tǒng)、機(jī)體及座椅裝置，通過(guò)吸收瞬間沖擊能量，可以有效提高機(jī)組人員的生存率。航空座椅裝置作為吸收剩余能量的最后一道防線，它傳遞到乘員身上的過(guò)載，是否超出人體耐受極限，直接決定了乘員的生命安全，因此直升機(jī)座椅的抗墜毀性能成為直升機(jī)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。而對(duì)直升機(jī)座椅進(jìn)行抗墜毀試驗(yàn)，是獲取直升機(jī)座椅抗墜毀性能，驗(yàn)證座椅是否滿足抗墜毀設(shè)計(jì)要求的重要途徑?？v觀國(guó)內(nèi)，有能力承擔(dān)航空座椅抗墜毀試驗(yàn)任務(wù)的科研廠所還為數(shù)不多，其重要原因就是對(duì)座椅抗墜毀環(huán)境模擬較為困難，限制了該項(xiàng)試驗(yàn)的發(fā)展。因此，能否有效模擬航空座椅墜毀瞬間的沖擊環(huán)境決定了試驗(yàn)的成敗。文章在前人研究成果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)值仿真的方法對(duì)試驗(yàn)室座椅抗墜毀環(huán)境模擬裝置液壓緩沖吸能系統(tǒng)進(jìn)行了研究分析，通過(guò)建立物理學(xué)模型和數(shù)值分析得出該環(huán)境模擬裝置各參數(shù)變量及不同試驗(yàn)工況對(duì)沖擊載荷波形的影響，從而為緩沖吸能裝置的前期設(shè)計(jì)、后期改進(jìn)和試驗(yàn)過(guò)程中選擇合適的配重及開(kāi)孔方案提供理論參考。最后基于Matlab平臺(tái)[1]，應(yīng)用優(yōu)化算法，通過(guò)改變投放質(zhì)量及開(kāi)孔面積得到符合試驗(yàn)要求的沖擊波形，以滿足不同規(guī)格及可生存墜毀概率條件下的座椅抗墜毀試驗(yàn)。

1 環(huán)境模擬裝置理論分析

1.1環(huán)境模擬裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)整體布局示意圖及緩沖吸能裝置結(jié)構(gòu)示意圖分別見(jiàn)圖1、圖2。其中：M：運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)體質(zhì)量；Ft：壓縮空氣彈性力；f：阻尼力和摩擦力；x=h+h水：活塞行程。(說(shuō)明：①緩沖吸能裝置結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及試驗(yàn)工況的改變均會(huì)對(duì)生成的環(huán)境模擬載荷譜產(chǎn)生影響，具體結(jié)果參見(jiàn)數(shù)字仿真分析章節(jié)。②緩沖吸能裝置外筒阻尼孔開(kāi)孔分別沿圓周方向和軸向均勻分布，在使用過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化后依然盡量保持其均布特性，從而保證阻尼力的穩(wěn)定性。③緩沖吸能裝置一旦設(shè)計(jì)出來(lái)并投入運(yùn)行，其主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)就已經(jīng)固定，這時(shí)可以方便改變和調(diào)整的參數(shù)就只剩下運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)部件質(zhì)量M和開(kāi)孔總面積S，因此在參數(shù)優(yōu)化分析時(shí)文章只選擇了優(yōu)化變量M、S進(jìn)行計(jì)算分析。)

1.2阻尼孔流量方程[2]

根據(jù)水利學(xué)知識(shí)，不同的孔口類型，其對(duì)應(yīng)的流量公式也會(huì)有所不同，按照阻尼孔長(zhǎng)度L與孔口直徑d的比值大小，可以把孔口劃分以下三種類型：

薄壁孔：L/d≤0.5

短 孔：0.5

細(xì)長(zhǎng)孔：L/d>4

其中：q：孔口流量；ρ：液體密度(水的密度：1.0×103kg/m3)；ΔP：阻尼孔兩側(cè)壓力差；Cd：流量系數(shù)；(取值范圍：0.6～0.65)；Ak：小孔通流面積；η：液體動(dòng)力粘度；l：阻尼孔長(zhǎng)度；d：阻尼孔直徑。

1.3流量連續(xù)方程

Δt時(shí)間內(nèi)阻尼孔流出液體體積：-N·q·Δt；

根據(jù)液壓吸能裝置內(nèi)筒活塞行程與體積變化的關(guān)系可以得到以下方程：

則：

其中：Ah：活塞有效截面面積；x：活塞行程；Vk：空氣體積，Vk=(S2-x+h水)；Vs：流動(dòng)阻尼介質(zhì)體積，Vs=(S1-h水)；Δt：時(shí)間間隔；N：產(chǎn)生阻尼力的阻尼孔數(shù)量；ΔP：壓強(qiáng)差。

1.4運(yùn)動(dòng)方程

根據(jù)牛頓第二定律對(duì)緩沖吸能裝置進(jìn)行受力分析可以得到：

則：

2 方程求解

由以上分析可以得到一階微分方程組：

由環(huán)境模擬裝置的工作原理可以得到方程組的初始條件：

P(0)=0，v(0)=vmax，x(0)=0

以上方程組建立了所研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，為了獲取系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信息，需要選擇一種合適的算法對(duì)其進(jìn)行求解。上述狀態(tài)方程是以常微分方程組的形式存在的，目前用于求解微分方程的數(shù)值方法也有若干種，每一種方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)。在求解一階微分方程組領(lǐng)域，龍格庫(kù)塔法比較有優(yōu)勢(shì)，這種方法運(yùn)算速度快、求解效率高，應(yīng)用也最為廣泛。因此，本文采用龍格庫(kù)塔法作為該方程組的計(jì)算方法，利用其公式轉(zhuǎn)化后的數(shù)值仿真模型表達(dá)如下：

中華人民共和國(guó)成立前的軍用糧票種類豐富，這是我黨我軍在特定歷史條件下的必然產(chǎn)物，極其珍貴，但其種類還無(wú)法統(tǒng)計(jì)完全，有待繼續(xù)挖掘和考證。

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：當(dāng)t=n時(shí)刻環(huán)境模擬系統(tǒng)腔內(nèi)的壓強(qiáng)；vn：當(dāng)t=n時(shí)刻環(huán)境模擬系統(tǒng)內(nèi)筒活塞與試驗(yàn)件的速度；xn：當(dāng)t=n時(shí)刻環(huán)境模擬系統(tǒng)內(nèi)筒活塞與試驗(yàn)件的位移；H：數(shù)值積分的步長(zhǎng)。

在本文中，考慮到環(huán)境模擬裝置系統(tǒng)響應(yīng)較快，狀態(tài)變量值隨時(shí)間有大幅度的變化，出于計(jì)算速度和計(jì)算精度兩方面的權(quán)衡，取計(jì)算步長(zhǎng)H=0.0002。

3 數(shù)值仿真分析

3.1沖擊環(huán)境模擬分析

緩沖吸能裝置[3]模擬沖擊環(huán)境原理：試驗(yàn)室所用緩沖吸能裝置通過(guò)壓縮空氣產(chǎn)生彈性恢復(fù)力，并且借助流動(dòng)介質(zhì)孔口出流消耗瞬態(tài)沖擊質(zhì)量的動(dòng)能，從而達(dá)到緩沖吸能的效果。在該裝置工作過(guò)程中，其沖擊載荷譜的形狀及幅值與投放質(zhì)量M、活塞內(nèi)筒有效截面直徑D1、活塞內(nèi)筒長(zhǎng)度S2等以及沖擊工況和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)有密切的關(guān)系。本節(jié)就對(duì)緩沖吸能裝置各項(xiàng)參數(shù)對(duì)載荷譜的影響進(jìn)行分析，并根據(jù)試驗(yàn)需要對(duì)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量M和活塞外筒開(kāi)孔面積S參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得航空座椅抗墜毀試驗(yàn)所需要的沖擊波形。

已知：目前試驗(yàn)室投入運(yùn)行的座椅抗墜毀環(huán)境模擬裝置的結(jié)構(gòu)尺寸及特性參數(shù)如下：

活塞桿截面直徑：D1=260mm；活塞桿長(zhǎng)度：S2=1000mm；阻尼孔開(kāi)孔總面積：S=4·π·d2·(n+1)mm2(注：開(kāi)孔均布)，其中：d=25mm，n=18；阻尼系數(shù)：c=2。

圖3及表1仿真結(jié)果給出了緩沖吸能裝置各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)沖擊波形的影響。

綜合以上分析，對(duì)沖擊波形的影響因素可分為以下兩種類型：

沖擊工況參數(shù)影響：M，v。

結(jié)構(gòu)尺寸及特性參數(shù)影響：D1，S2，c，S。

其中，D1，S2與結(jié)構(gòu)的尺寸有關(guān)，c，S與結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。

由于座椅抗墜毀試驗(yàn)響應(yīng)信號(hào)具有響應(yīng)迅速及快速衰減的特點(diǎn)，因此在環(huán)境模擬裝置設(shè)計(jì)的初級(jí)階段要求模擬裝置本身的活塞截面直徑D1、開(kāi)孔總面積S、及阻尼系數(shù)c要足夠大，活塞桿長(zhǎng)度S2要足夠短，才能保證環(huán)境模擬裝置的響應(yīng)信號(hào)迅速衰減。綜合考慮以上限制條件(比如試驗(yàn)臺(tái)架尺寸決定了活塞截面積不能無(wú)限大；沖擊過(guò)程中活塞桿有效行程決定了活塞桿長(zhǎng)度不能過(guò)短；為了防止試驗(yàn)沖擊后的回彈，開(kāi)孔面積不能取值太小等)，在環(huán)境模擬裝置初始設(shè)計(jì)階段要選擇合適的尺寸及特性值，來(lái)最大限度地滿足各種試驗(yàn)工況的需要。在后續(xù)的座椅抗墜毀試驗(yàn)中，針對(duì)不同的座椅可生存墜毀概率試驗(yàn)，其瞬態(tài)沖擊速度是相對(duì)應(yīng)的，并且是一個(gè)固定值，因此試驗(yàn)過(guò)程中只考慮投放質(zhì)量M的影響，同時(shí)環(huán)境模擬裝置的開(kāi)孔均為螺栓孔并且配備了相應(yīng)的堵帽(通過(guò)安裝和拆卸堵帽可以改變環(huán)境模擬裝置的開(kāi)孔面積)。綜合以上分析，在處理不同的試驗(yàn)工況時(shí)，可以通過(guò)改變投放質(zhì)量M及開(kāi)孔總面積S來(lái)獲得滿足試驗(yàn)要求的沖擊波形，由于上述兩種因素的選擇并不是任意組合的，為了獲得合適的組合數(shù)值，本文應(yīng)用數(shù)學(xué)優(yōu)化方法對(duì)其進(jìn)行了求解，進(jìn)而獲取兩種數(shù)值組合的可行域。

表1 各參數(shù)變量增加時(shí)對(duì)沖擊波形參數(shù)值的影響

注：↑：數(shù)值增加；↓：數(shù)值減少；?：數(shù)值無(wú)變化。

3.2模擬環(huán)境裝置參數(shù)優(yōu)化[4]

根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)的要求，已知某試驗(yàn)工況下沖擊波形的形狀和幅值有了明確的規(guī)定，為了模擬該工況下的沖擊波形(見(jiàn)圖4)，本文選擇M，S作為優(yōu)化變量，通過(guò)數(shù)值求解，得到了一組可行域(見(jiàn)圖5)，在可行域范圍內(nèi)選擇M，S任意一組數(shù)據(jù)組合，均可以滿足該項(xiàng)試驗(yàn)沖擊載荷譜(見(jiàn)圖6)的要求。

目標(biāo)函數(shù)：max(a)。

優(yōu)化變量：M，S。其中：M≥MmaxSmin≤S≤Smax(Mmax=150kg,Smax=0.25·pi·0.0252·12,Smax=0.25·pi·0.0402·12)。

約束條件：24g≤max(Gp)≤28g且 0.0292s≤t≤0.0584s。

4 試驗(yàn)對(duì)比分析

已知本次試驗(yàn)要求瞬態(tài)沖擊速度v=10.2m/s,為了獲得滿足試驗(yàn)要求的沖擊載荷譜，借助仿真分析及參數(shù)優(yōu)化，本次試驗(yàn)在可行域范圍內(nèi)選擇了一組數(shù)據(jù)組合，開(kāi)孔面積S取值0.1119m2，投放質(zhì)量M取值為275kg，試驗(yàn)開(kāi)始前通過(guò)安裝堵帽及改變配重的方式完成優(yōu)化后的參數(shù)值。

把仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)所得響應(yīng)曲線(見(jiàn)圖7)進(jìn)行對(duì)比分析，曲線形狀和變化趨勢(shì)比較相符，表明數(shù)值仿真計(jì)算方法是正確的，可以為座椅抗墜毀環(huán)境模擬裝置的設(shè)計(jì)、改進(jìn)及試驗(yàn)時(shí)選擇合適的配重及開(kāi)孔方案提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

本文應(yīng)用理論分析與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，對(duì)航空座椅抗墜毀環(huán)境模擬裝置進(jìn)行了研究分析，得出了環(huán)境模擬裝置各參數(shù)及試驗(yàn)工況對(duì)模擬沖擊載荷譜的影響。然后，借助優(yōu)化算法對(duì)投放質(zhì)量和開(kāi)孔面積進(jìn)行計(jì)算分析，得到試驗(yàn)所需要的沖擊環(huán)境載荷譜。最后，把試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，二者結(jié)果基本吻合，證明了文章選用分析方法是正確的，可以為航空座椅抗墜毀環(huán)境模擬裝置在設(shè)計(jì)、改進(jìn)及試驗(yàn)時(shí)選擇合適的配重及開(kāi)孔方案提供一定的理論參考，滿足不同規(guī)格及可生存墜毀概率條件下的座椅抗墜毀試驗(yàn)要求。

[1] 王 濟(jì),胡 曉.Matlab在數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用,第1版[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006:259.

[2] 黃儒欽.水力學(xué)教程,第3版[M].成都:西南交通大學(xué)出版社.2006:174.

[3] 楊 利，牟讓科.阻尼孔可調(diào)式緩沖器的性能分析[C].沈陽(yáng):全國(guó)振動(dòng)工程及應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議，2010.

[4] 孫 爽.多孔式液壓緩沖器仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué),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

鄧先來(lái)(1984-)，男，河南周口人，碩士，工程師，主要研究方向：振動(dòng)及抗墜毀。

1673-1220(2017)04-023-06

V216.5+5

A