坠撞是一个高度非线性的冲击动力学过程。目前,试验是航空座椅适坠性评估与设计最可靠的手段。但是,在座椅适坠性设计过程中,反复的冲击试验不仅会增加设计周期,还会大大提高设计成本。因此,数值模拟技术成为了最主要的研究方法之一。国外已经开展了大量的研究工作[11, 12, 13, 14, 15],验证了数值仿真方法评估航空座椅适坠性的可行性和有效性。国内研究[16, 17]主要关注了坠撞下乘员座椅系统模型的有效性,在已开展的相关研究中,基本上都是基于简化的航空座椅模型,仅能够对座椅进行简单的分析,难以准确评估适坠性,更不可能开展座椅设计。为了能够准确预测冲击中航空座椅的结构动态响应和吸能特性,在设计中能够部分甚至完全替代冲击试验,达到大大缩短设计周期并提高设计效率的目的,急需建立一套航空座椅的适坠性评估与分析方法。
本文从仿真分析角度出发,建立了一套航空座椅的适坠性评估与分析方法,并采用该方法对某轻型公务机座椅进行了适坠性评估与分析。首先研究了航空座椅的建模方法,建立了真实的有限元座椅模型,然后结合瞬态非线性有限元分析技术和多刚体动力学方法,将50分位Hybrid Ⅲ型多刚体假人模型与座椅模型耦合,通过数值分析研究了适航条例要求下座椅假人耦合系统的结构完整性和乘员动态响应。为仿真分析技术辅助航空座椅设计提供了可供参考的依据。
1 基本原理1.1 瞬态非线性有限元法座椅结构在坠撞中遵循的冲击动力学方程、力的边界条件、位移边界条件和接触边界条件分别为
式中:i,j,α=1,2,3;xi、$\dot{x}$i和xi分别为i方向的位移、速度和加速度张量;c为阻尼系数;σij为柯西应力张量;ρ为密度;fi为i方向单位质量的体积力张量;ti(t)和Di(t)分别为i方向的边界力和边界位移张量;上标“+”和“-”分别表示边界的内侧和外侧;ni为i方向垂直于边界指向外侧的单位张量;Xα为转换坐标;t为时间变量。
式(1)~式(4)表示了一个集高度几何非线性和材料非线性于一体的瞬态响应问题。对于此类冲击接触问题,一般采用显式积分算法求解[18]。
1.2 多刚体动力学法多刚体假人系统中刚体间通过运动铰连接[19]。根据刚体质心运动方程和虚功原理,系统内所有刚体的运动方程可以写为
式中:h为运动方程;q、$\dot{q}$和q为铰位置的广义坐标向量及其对时间的一阶和二阶导数。给定初值q0和$\dot{q}$0后,可以采用改进欧拉法求解式(5)。
2 数值仿真分析方法航空座椅的适坠性评估采用瞬态非线性有限元法和多刚体动力学法相结合的数值仿真分析方法。其中,瞬态非线性有限元法用于计算冲击中座椅的动态响应;多刚体动力学法用于计算冲击中乘员的动态响应。
乘员座椅系统包括有限元座椅模型、多点式安全带和多刚体假人模型,如图 1所示。复杂的坠撞环境、座椅和假人之间的强烈耦合以及座椅各部件之间的复杂接触对系统的建模提出了很高要求,并且坠撞中座椅结构的变形方式和吸能特性对座椅设计有着重要的指导作用。因此,必须建立一套合理的适坠性评估与分析方法来保证仿真结果的有效性。图 2表示了整个数值仿真分析过程。
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| 图 1 乘员座椅系统Fig. 1 Seat/occupant system |
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| 图 2 乘员座椅系统适坠性评估流程Fig. 2 Flowchart of crashworthiness evaluation of seat/occupant system |
| 图选项 |
2.1 座椅建模2.1.1 模型简化方法航空座椅包括椅腿、椅管梁、靠背等结构组件和坐垫、靠背垫等非结构组件。简化后的座椅模型必须能够如实反映原来结构的几何特性和力学特性。简化方法包括：
1) 保留主要的承力和传力结构,简化扶手、头枕以及旋转装置等部件。
2) 采用杆单元连接法、公用单元法和公用节点法来模拟各部件间的焊接、铆接和螺栓连接。公用节点法将连接处2个零件的单元节点直接连接;公用单元法通过建立公用单元连接2个零件;杆单元连接法采用无质量的刚性杆单元将2个零件对应位置的节点连接起来[20]。
3) 忽略半径小于预估最小单元尺寸的倒角和小孔。
2.1.2 有限元模型座椅的有限元建模需要采用体单元、壳单元和梁单元。体单元用来模拟导轨、椅腿、椅管梁、坐垫和靠背垫等结构;壳单元用来模拟圆管、靠背、坐垫板和其他薄壁结构。四边形壳单元采用的是适合于大变形计算的Hughes-Liu理论,三角形壳单元采用C0-Triangle 理论。壳单元均采用三点高斯积分方案;体单元采用单点积分方案。由于体单元的节点没有转动自由度,因此在体单元和壳单元连接的地方,为了交接面上位移协调,不能直接进行节点耦合。常见的节点耦合方法有约束方程法和多点约束法。图 3通过插入一层壳单元到体单元中来实现体单元和壳单元的连接,这层壳单元和其他壳单元不同,它的节点为体单元和壳单元共用。座椅有限元模型如图 4和图 5所示。
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| 图 3 体单元和壳单元的连接示意图Fig. 3Schematic diagram of connection between body elements and shell elements |
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| 图 4 座椅有限元模型Fig. 4 Finite element model of seat |
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| 图 5 座椅底部有限元模型Fig. 5 Finite element model of seat bottom |
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2.1.3 材料模型座椅骨架选用铝合金2A12,对于承受过载大的连接件,选用结构钢30CrMnSiA,坐垫和靠背垫选用低密度的聚氨酯泡沫。铝合金2A12和结构钢30CrMnSiA均采用随动强化的弹塑性材料模型,动态屈服应力σY=[1+($\dot{\varepsilon }$/C)1/p]σ0,其中：σ0为静态屈服应力；C和p为由最小二乘法拟合得到的材料敏感性参数；应变率$\dot{\varepsilon }$采用Cowper-Symonds模型考虑,屈服条件采用von Mises准则,材料的破坏使用最大塑性应变准则描述。低密度聚氨酯泡沫的材料属性通过定义加载和卸载名义应力-应变曲线来确定,使用拉伸切断应力来判断泡沫材料的破坏。
2.2 多刚体动力学系统多刚体动力学系统包括多点式安全带和多刚体椭球假人模型,如图 6所示。多点式安全带由有限元部分和多体动力学部分组成。假人为椭球假人模型,假人的几何外形由刚性的椭球、圆柱和平面组成,各部分通过运动铰连接,假人表面的变形特性由椭球表面给定的应力-穿透/厚度特性来模拟。
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| 图 6 安全带假人模型Fig. 6 Model of seatbelt and dummy |
| 图选项 |
2.3 有限元座椅和多刚体假人耦合2.3.1 设置接触有限元座椅各部件之间的接触均采用自动面面接触类型,椅腿、椅管梁等部件采用自动单面接触类型。坐垫、靠背垫和假人的接触以及安全带和假人的接触采用主从面接触类型。
在有限元座椅和多刚体假人的接触中,将假人表面视作“刚性面”,有限元表面视作“变形面”[19]。根据弹性接触模型,有限元节点i上的接触力为
式中:Ai为节点面积或节点上的单元面积;σe为弹性接触应力,由给定的应力-穿透/厚度特性得到;λi为主或从接触面厚度;ti为可变性接触面厚度;Cd为阻尼系数常数;σd为阻尼应力函数;fd为阻尼放大因子。
2.3.2 耦合分析方法有限元座椅和多刚体假人的耦合通过交换接触面上的力和位移数据来实现[21]。在耦合计算中,多刚体求解器作为主程序,有限元模型中的节点和单元信息被复制到多刚体求解器中。多刚体求解器和有限元求解器同时开始计算,在每个积分点,多刚体求解器根据式(6)计算出接触力,并将其传递给有限元求解器;有限元求解器计算出节点位移并将其传递给多刚体求解器,如图 7所示。
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| 图 7 有限元程序和多刚体程序耦合机理Fig. 7 Coupling mechanism of finite element program and multi-body program |
| 图选项 |
2.4 约束和加载中国民用航空技术标准(CTSO-C127b)规定,通用航空类飞机座椅(C2型)必须按照图 8所示的2种应急着陆条件完成动力试验。仿真中将过载施加到座椅导轨上,并将导轨设置为密度很大的刚体来模拟试验中的冲击平台,这样可以消除假人和座椅的惯性对仿真的影响。客舱地板变形要求如图 9所示,通过设置导轨刚体质心的位置,并定义向量使其绕局部坐标轴转动来模拟客舱地板的变形。
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| 图 8 乘员座椅系统冲击加载要求Fig. 8 Impact load requirements of seat/occupant system |
| 图选项 |
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| 图 9 客舱地板变形示意图Fig. 9 Schematic diagram of cabin floor deformation |
| 图选项 |
3 数值仿真结果按照上述分析方法建立了某轻型公务机乘员座椅系统(C2型),该座椅有限元模型包含67918个节点、85个梁单元、17261个壳单元和33855个体单元。座椅骨架各部分采用公用节点法连接,坐垫、靠背垫和座椅结构之间采用梁单元连接。壳单元和体单元的连接选用插入一层壳单元到体单元中的连接方式。多刚体动力学系统采用四点式安全带和50分位的Hybrid Ⅲ型椭球刚体假人模型。座椅靠背与座面之间的夹角为84.7°,坐垫上表面与水平方向夹角为6°,前端高后端低,从而使假人保持后倾的坐姿。假人臀部紧贴坐垫,躯干后倾4°,双手水平放置,如图 10所示。
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| 图 10 乘员座椅系统模型Fig. 10 Model of seat/occupant system |
| 图选项 |
为了验证此建模方法的有效性,使用非线性有限元软件LS-DYNA和多刚体动力学软件MADYMO,将按上述分析方法建立的乘员座椅系统按照试验加载方式进行了仿真分析,并将仿真结果和试验结果进行了比较,如图 11所示。从中可以看出,仿真计算数据在整体形状、峰值大小和脉冲持续时间上均与试验测量数据保持较好的一致性,说明此建模方法是合理有效的。
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| 图 11 乘员座椅系统响应Fig. 11 Response of seat/occupant system |
| 图选项 |
3.1 座椅结构动态响应分析冲击结束后,座椅的结构变形以主结构的塑性变形为主,乘员和座椅向前向下合成运动。这种变形方式不仅能增加座椅的吸能效率,还可以减少对座椅导轨接头的作用力,如图 12所示。从图中可以看出,试验2中座椅靠背有较大前倾,椅管梁变形严重,椅腿有失稳趋势。因此,相对于试验1来说,试验2是比较严重的工况。
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| 图 12 座椅结构的变形Fig. 12 Deformation of seat structure |
| 图选项 |
试验2中座椅靠背出现了大幅度前倾,对椅管梁产生了很大的作用力和力矩,使椅管梁前部发生了明显的塑性变形,如图 13(a)所示。这种大幅前倾出现的主要原因是客舱地板变形破坏了前后椅腿、椅管和左右椅管梁组成的整体受力框架,增加了靠背和座椅底部连接部件的过载。图 13(b)表示了地板变形结束后座椅底部的变形情况,从中可以看出,前后椅腿变形很大且后椅腿出现了局部破坏。同时,地板变形导致了左右椅腿变形不同,相对于俯仰变形,客舱地板滚转变形不仅增大了人椅惯性载荷在座椅导轨接头上引起的力和力矩,而且使椅腿的破坏更加严重,说明客舱地板变形对座椅结构动态响应有很大影响。
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| 图 13 座椅部件的变形Fig. 13 Deformation of seat parts |
| 图选项 |
座椅各部件吸能情况如图 14所示。在客舱地板变形阶段(0~70ms),客舱地板变形使椅腿发生了滚转和俯仰变形,此时椅腿是主要吸能结构。随着冲击开始,假人的惯性载荷通过假人与坐垫、靠背垫的接触以及安全带对假人的约束传递到座椅上,坐垫、椅管和椅管梁等成为主要吸能部件,吸收的内能快速增加。在冲击后期,由于靠背在肩部安全带拉力作用下持续变形,靠背调节机构受到的压力大大增加,吸收了大量的冲击动能。虽然靠背调节机构产生了失稳趋势,但由于其过于刚硬,在靠背前倾时变形较小,加剧了椅管梁前部的变形,如图 13(c)所示。
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| 图 14 试验2座椅的内能Fig. 14 Internal energy of seat in test 2 |
| 图选项 |
3.2 乘员响应分析冲击中假人上躯干安全带和骨盆安全带都保持在假人身体上,假人的各项伤害指标如表 1所示。
表 1 假人各项伤害指标Table 1 Injury indicators of dummy
| 评估指标 | 标准要求 | 试验1结果 | 试验2结果 |
| 头部30ms HIC | 1000.00 | 47.84 | 136.81 |
| 颈部NIJ | 1.00 | 0.27 | 0.35 |
| 胸部3ms加速度/g | 60.00 | 24.29 | 16.50 |
| 胸部压缩量/mm | 52.00 | 3.63 | 6.67 |
| 腰椎压缩载荷/kN | 6.67 | 5.43 | 5.38 |
| 大腿轴向力/kN | 10.00 | 1.44 | 3.52 |
| 注:HIC表示头部伤害指标;NIJ表示颈部伤害指标。 | |||
表选项
假人头部没有和座椅其他部件碰撞,所以HIC值较小;腰椎压缩载荷较大,说明座椅向下变形位移不够并且坐垫的吸能效果还需要提高。试验2中假人的各项伤害指标都较大,说明试验2对假人伤害较严重。试验1沿斜向下方冲击,对假人的骨盆和腰椎损伤较大。
3.3 适坠性评估与改进从仿真结果可以看出,2种试验后,虽然座椅产生了较大的塑性变形,但整个结构完整,主要载荷传递路径保持完好,乘员各项伤害指标均未超过标准规定值,说明该座椅基本满足适坠性标准要求。但座椅靠背的变形太大,对乘员的撤离有不利影响。腰椎压缩载荷过大,易对乘员造成伤害。因此,需要加强座椅椅腿结构、靠背与座椅底部连接结构的强度,降低靠背调节机构的刚度,提高坐垫的吸能效果,使座椅传力路径更为合理,吸收更多的冲击动能,达到改善适坠性的目的。
4 结 论1) 本文建立的航空座椅适坠性评估与分析方法能够比较准确地分析出复杂坠撞环境下座椅的结构特性和假人的动态响应。仿真结果与试验结果的较好一致性,说明了该分析方法是合理有效的。
2) 该轻型公务机座椅基本满足适坠性标准要求。座椅椅管梁、靠背与座椅底部连接处以及后椅腿相对薄弱;座椅中过于刚硬的部件会使结构在冲击中局部变形过大,不利于吸收冲击动能;客舱地板变形会加剧椅腿和导轨接头的破坏,在座椅的设计中应加以考虑。
3) 结合瞬态非线性有限元分析技术和多刚体动力学方法能够较好地模拟座椅结构碰撞冲击过程。该分析方法可以应用于不同的座椅结构、材料属性、接触类型和边界条件问题,还可用于防撞座椅的优化。仿真分析能够发现设计中存在的问题,有针对性提出设计改进方案,加快新产品的研发和设计进程。
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