運(yùn)輸類飛機(jī)旅客座椅動(dòng)態(tài)沖擊仿真方法研究

李 杰 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

0 引言

隨著國際民航界對運(yùn)輸類飛機(jī)客艙安全重視程度的逐步提高，乘員保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)得到飛速發(fā)展，這些在運(yùn)輸類飛機(jī)座椅產(chǎn)品上得到了充分的體現(xiàn)，新的座椅符合性分析驗(yàn)證技術(shù)也順應(yīng)而生，F(xiàn)AA頒布了AC20-146[1]，同意在沒有充足的數(shù)據(jù)支持時(shí)，允許使用分析方法來代替動(dòng)態(tài)試驗(yàn)以表明規(guī)章符合性。

在我國尚未有使用計(jì)算機(jī)模型仿真分析來支持根據(jù)CCAR25.562[2]進(jìn)行的運(yùn)輸類飛機(jī)旅客座椅審定的先例。

1 仿真平臺

文章基于有限元和多體瞬態(tài)分析方法，通過計(jì)算機(jī)仿真模擬運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的應(yīng)急著陸的動(dòng)力要求?？梢允褂肕ADYMO瞬態(tài)有限元/多體軟件、MSC/DYTRAN瞬態(tài)有限元軟件和LS-DYNA3D瞬態(tài)有限元軟件中的任意一種軟件作為載體，推薦搭配使用Hybrid III假人模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)座椅設(shè)計(jì)和符合性驗(yàn)證，但Hybrid III假人模型需要滿足以下條件：

1) 已按照SAE 1999-01-1609[3]修正，并已完成全部座椅基準(zhǔn)試驗(yàn)；

2) 滿足SAE AS8094C[4]的5.3.2.4節(jié)要求；

3) 軟件使用的ATD模型與試驗(yàn)過程所采用的、已按SAE 1999-01-1609修正的Hybrid III假人模型相符。

2 仿真建模

建模的目的是為準(zhǔn)確地表示真實(shí)存在的系統(tǒng)，建模的精度取決于模型的預(yù)期用途。用于評估計(jì)算機(jī)模型在表示物理實(shí)體和基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型兩者之間的準(zhǔn)確性的過程被稱為驗(yàn)證和確認(rèn)(Verification & Validation， 簡稱V&V)的過程[5]。推薦的建模方法是基于ASME計(jì)算固體力學(xué)驗(yàn)證和確認(rèn)指南(ASME V&V10-2006)提出的，修改后的指南可以更好地適用于航空座椅。

無論是有限元分析法還是多體技術(shù)，用于動(dòng)態(tài)沖擊模擬的飛機(jī)座椅模型的主要組件包括：整體參數(shù)、結(jié)構(gòu)的物理離散化、材料定義、初始和邊界條件、輸出控制。這些組件定義了結(jié)構(gòu)與環(huán)境的幾何和物理屬性以及結(jié)構(gòu)之間在該環(huán)境下如何相互作用。

首先要確定是否正確地使用軟件建立了模型，這個(gè)過程稱為代碼驗(yàn)證。接下來要確定時(shí)間步長和網(wǎng)格分辨率(對有限元模型)的數(shù)值誤差是很低的，該過程稱為計(jì)算驗(yàn)證。然后將模型的結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行定量比較。當(dāng)觀察到可接受的一致性時(shí)，該模型就可以用于預(yù)測對未經(jīng)測試但類似的情況的系統(tǒng)響應(yīng)。推薦使用靈敏度分析來指導(dǎo)外推的程度，并定義模型的局限性。本文僅選擇了部分典型座椅部件進(jìn)行建模描述。

2.1 座椅連接件建模

連接件和接頭是典型的座椅高承載結(jié)構(gòu)元件，其特點(diǎn)是載荷路徑的不確定性、接觸(自由活動(dòng)空間)的非線性，難以進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。這些元件的載荷路徑和材料性能的變化會(huì)影響座椅結(jié)構(gòu)完整性和性能。在建模時(shí)要非常謹(jǐn)慎，需要特別注意所有可能失效的機(jī)理。盡管某些連接件和接頭的改變通過模擬來驗(yàn)證是可接受的，但材料或載荷傳遞路徑發(fā)生重大改變時(shí)還是需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

大多數(shù)座椅的失效都與連接件相關(guān)，對這些連接件建模的方法主要有兩種：第一種為使用剛體技術(shù)或梁單元生成一個(gè)簡化近似的模型，第二種為對組成連接件的實(shí)際硬體進(jìn)行顯式建模。第一種建模方法計(jì)算速度快，但不能捕獲所有相關(guān)的物理特性。第二種方法能夠捕獲所有的物理特性，但計(jì)算速度太慢，尤其是當(dāng)螺栓為鉸鏈時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量必須很好。

可以使用近似剛體來進(jìn)行連接件建模并進(jìn)行分析計(jì)算，運(yùn)用有限元技術(shù)，將剛體單元與等效強(qiáng)度量單元結(jié)合起來。這項(xiàng)技術(shù)有助于對軸承應(yīng)力進(jìn)行仿真以及幫助構(gòu)建現(xiàn)實(shí)存在的預(yù)緊力，這種建模方法也能夠很好地復(fù)現(xiàn)連接件的剪切與約束行為。螺帽與螺栓公共面上的節(jié)點(diǎn)可以通過剛性連接實(shí)現(xiàn)融合，應(yīng)注意對螺栓配合面摩擦系數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩x。

在有限元分析中，有時(shí)由于有限元網(wǎng)格太粗劣而不能在某一指定關(guān)注的區(qū)域產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果，譬如上述提及的連接件。通常情況下，尺寸的轉(zhuǎn)化是通過分建模的方法解決，分建模方法也被稱為切割邊界位移法或指定邊界位移法。切割邊界為子模型的邊界，代表了對粗略模型的切割邊界，粗略模型切割邊界的位移被指定為子模型的邊界條件。除了位移之外，材料特性或狀態(tài)變量被用于邊界交換中以便提高模型的精確性。例如，整體座椅模型可能會(huì)包括一個(gè)粗略的使用一維單元的螺栓表現(xiàn)形式，局部模型可能會(huì)使用三維體單元來更好地捕獲接觸、載荷條件及由此產(chǎn)生的緊固件內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)。局部模型提升了數(shù)據(jù)的精確性，同時(shí)允許全局模型保留可接受的計(jì)算次數(shù)。

2.2 座椅墊建模

在設(shè)計(jì)的早期階段，不需要座椅墊的詳細(xì)變形時(shí)，載荷-撓度曲線能夠直接被用來描述由于虛擬ATD (Anthropomorphic Test Dummy)與(剛性表面)座椅穿透而產(chǎn)生的接觸力，這是剛體分析技術(shù)可能會(huì)被用到的地方。椅盆和座椅墊之間的剛性連接也可以被使用來轉(zhuǎn)移加載到坐墊上。為了進(jìn)行更加詳細(xì)的分析，通常座椅墊的建模要使用三維8節(jié)點(diǎn)六面體單元或者4節(jié)點(diǎn)或10節(jié)點(diǎn)四面體單元，這是有限元分析技術(shù)能夠被用到的地方。如果在座墊模型中發(fā)現(xiàn)負(fù)體積的單元，則需要在高應(yīng)變區(qū)域強(qiáng)化泡沫材料。建議進(jìn)行組件試驗(yàn)和仿真，以此評估有限元變量對仿真精度的影響。

2.3 約束系統(tǒng)建模

飛機(jī)類型和座椅位置不同，約束系統(tǒng)的變化也非常大。最基本的約束系統(tǒng)是安全腰帶，它是運(yùn)輸類飛機(jī)乘員座椅中最常見的約束。這種系統(tǒng)由安全帶織帶、兩個(gè)錨點(diǎn)和帶扣組成。在基本模型中，錨點(diǎn)被考慮為完全剛性連接，帶扣被忽略。更高級的模型將包含顯式建模約束硬件，以便全面地采集約束系統(tǒng)的真正性能。附加的組件可集成到約束系統(tǒng)中，包括肩帶、預(yù)緊器、載荷限制器、多種多樣的帶扣設(shè)計(jì)以及充氣式約束。許多程序都包含有單元、計(jì)算公式及為約束系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)的仿真硬件(比如拉鉤)。建議執(zhí)行部件試驗(yàn)和/或仿真來評估復(fù)雜約束系統(tǒng)的性能。

3 仿真評估

在分析模型的建立過程中，座椅及其約束系統(tǒng)模型的驗(yàn)證是關(guān)鍵的一步，決定了模型是否可被接受用于適航審定。

在進(jìn)行瞬態(tài)有限元分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果比較時(shí)，應(yīng)該驗(yàn)證那些在仿真分析中起到重要作用的參數(shù)。如果出于分析的目的，可以不必滿足AC20-146中提供的所有驗(yàn)證準(zhǔn)則。申請人應(yīng)注意的是模型中產(chǎn)生嚴(yán)重偏差的地方，譬如不實(shí)際的傳力路徑或失效模式，這些不符合特性可能會(huì)影響模型評估所關(guān)注的參數(shù)。

在有限元模型的驗(yàn)證過程中，高水平的工程判斷是不可或缺的。申請人應(yīng)該根據(jù)相關(guān)指南和標(biāo)準(zhǔn)跟審定人員進(jìn)行必要的溝通和協(xié)調(diào)。

3.1 評估總則

如果計(jì)算機(jī)模型符合以下規(guī)定的判據(jù)，則該模型可以用來進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)仿真。

1) 模型必須通過動(dòng)態(tài)試驗(yàn)來驗(yàn)證；

2) 模型使用條件應(yīng)與物理模型驗(yàn)證條件相似，包括載荷條件、座椅構(gòu)型和最嚴(yán)酷工況；

3) 乘員運(yùn)動(dòng)軌跡一般由時(shí)間歷程曲線來驗(yàn)證，并應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

根據(jù)AC25.562-1B[6]建議的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)仿真，除上述模型驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)外，申請人還需要通過選擇以下幾個(gè)方面來驗(yàn)證仿真模型與仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 乘員(ATD)運(yùn)動(dòng)軌跡

使用SAE AS5526D[7]所定義的座椅參考點(diǎn)(Seating Reference Point，簡稱SRP)作為基準(zhǔn)。乘員軌跡包括頭部路徑和骨盆位移即軀干位移。如果關(guān)注股骨受傷，則乘員軌跡也可以包括腿的運(yùn)動(dòng)。

模型分析得到的乘員軌跡應(yīng)該與動(dòng)力試驗(yàn)的高速影像對比。把二維空間的時(shí)間歷程圖同原型動(dòng)力試驗(yàn)經(jīng)校準(zhǔn)后的影像數(shù)據(jù)對比，就能確定計(jì)算機(jī)模型預(yù)測乘員軌跡的能力。如果不要求精確的乘員軌跡數(shù)據(jù)，通過目視對比數(shù)據(jù)即可。

對大多數(shù)情況而言，驗(yàn)證乘員軌跡往往僅限于驗(yàn)證頭部撞擊包線的關(guān)鍵部分。該關(guān)鍵部分或是正好撞上之前的那塊區(qū)域，或是頭部最靠近可能撞上表面時(shí)那一段時(shí)間間隔。對此，申請人應(yīng)提供在頭部位置和速度在試驗(yàn)值和分析值之間的吻合度，頭部角速度對頭部傷害可能也有重要影響。

圖1是AC20-146中給出的驗(yàn)證乘員XZ平面內(nèi)頭部軌跡的示意圖。它表明了計(jì)算機(jī)模型預(yù)測乘員軌跡的能力，乘員軌跡通過對比平面空間的時(shí)間歷程曲線來創(chuàng)建。如果需要評估XY平面軌跡，也可參照圖示的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 XZ平面內(nèi)的乘員頭部路徑對比分析示意圖

3.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

需要評估座椅的內(nèi)部載荷和結(jié)構(gòu)變形。內(nèi)部載荷一般通過地板支反力和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)在時(shí)間歷程上的一致性兩個(gè)方面進(jìn)行評估。地板支反力可表明從乘員到約束系統(tǒng)到地板的傳力路徑是恰當(dāng)?shù)?。需要注意的是，地板連接件上三個(gè)坐標(biāo)軸上的載荷并非都需要進(jìn)行修正。申請人與審定人員必須協(xié)調(diào)確定哪些地板支反力在分析的過程中是最關(guān)鍵的，分析和試驗(yàn)之間的地板支反力峰值相差應(yīng)在10%以內(nèi)。除此之外，還應(yīng)該提供數(shù)據(jù)以展示與試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)的地板支反力的時(shí)間歷程曲線。當(dāng)存在某種關(guān)于主傳力路徑的獨(dú)特設(shè)計(jì)時(shí)，可以選擇安裝試驗(yàn)電子儀器來監(jiān)測內(nèi)部載荷并對相關(guān)數(shù)據(jù)濾波。

對于座椅系統(tǒng)的整個(gè)性能或結(jié)構(gòu)完整性起關(guān)鍵作用的構(gòu)件，用分析得到的結(jié)構(gòu)變形模式和數(shù)值大小應(yīng)該與試驗(yàn)數(shù)據(jù)有比較好的一致性。并非所有零部件的安全裕度或失效模式都需要檢查，僅需要對審查人員和申請人認(rèn)為是關(guān)鍵的部分進(jìn)行檢查即可。由分析得到的二維空間圖同動(dòng)力試驗(yàn)得到影像資料互相比較，能幫助對模型的驗(yàn)證。非關(guān)鍵的構(gòu)件則直接比較試驗(yàn)和分析的數(shù)據(jù)。

3.4 約束系統(tǒng)

除了少數(shù)情況外，約束系統(tǒng)對乘員起了顯著的保護(hù)作用，并作為乘員到座椅的主要載荷路徑。約束載荷的時(shí)間歷程同載荷的最大值之間應(yīng)該存在一定的關(guān)系。如果約束載荷最大值相差在10%范圍內(nèi)，這說明計(jì)算機(jī)模型可以預(yù)測從乘員到座椅的慣性力傳遞情況。

除載荷外，還有其他一些參數(shù)對驗(yàn)證模型有效性來說也很關(guān)鍵，如安全帶松弛量或永久性伸長率。如果在動(dòng)力試驗(yàn)期間記錄了這些類似的測量數(shù)據(jù)，他們之間也可能存在著一定關(guān)系。對于座椅的合格審定，不要求監(jiān)控和記錄這些參數(shù)，但在驗(yàn)證模型的時(shí)候，這些監(jiān)控和記錄對申請人可能會(huì)很有幫助。

乘員軌跡和約束系統(tǒng)載荷兩者是密切相關(guān)的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)必須驗(yàn)證約束系統(tǒng)載荷時(shí)，審查人員和申請人應(yīng)比較乘員的全部軌跡以及乘員模型的相關(guān)情況。不能接受用乘員運(yùn)動(dòng)軌跡的符合性代替約束系統(tǒng)性能的符合性，或者通過使用乘員軌跡來驗(yàn)證約束系統(tǒng)的性能。

3.5 頭部傷害判據(jù)

AC25.562定義了頭部傷害判據(jù)的合格審定要求。申請人應(yīng)使用計(jì)算機(jī)建模結(jié)果展示對該條款的符合性，但如果座椅的安裝變化導(dǎo)致頭部撞擊速度大大增加，則要進(jìn)行試驗(yàn)。建模結(jié)果的限制條件總結(jié)如下(它并沒有包含所有的限制條件，但可以遵循以下情況進(jìn)行建模)。

1)乘員頭部撞擊包線表明頭部與鄰近的座椅、結(jié)構(gòu)或艙內(nèi)其他物體不發(fā)生接觸。

2)座椅安裝有變化，但頭部可能會(huì)撞擊到的表面與原來相同，只改變了撞擊包線的幾何形狀。如果頭部撞擊速度明顯增大，原來的HIC(Head Injury Criterion)值超過了700時(shí)，通常不再建議使用分析的方法來驗(yàn)證。

3)已經(jīng)在現(xiàn)有的剛性結(jié)構(gòu)上完成了動(dòng)力試驗(yàn)。希望重新安排座椅在飛機(jī)上的位置，使頭部撞在一個(gè)剛度較弱的結(jié)構(gòu)上，但頭部撞擊速度相同。

4)如果試驗(yàn)的HIC值低于700，模型分析在50單位內(nèi)變化，只要分析的HIC不超過700，就可以使用模型，包括頭部撞擊表面有更改的情況。

沖擊加速度時(shí)間歷程圖的剖面(即形狀和峰值“G”)以及分析得到的頭部合成加速度的平均“G”載荷值應(yīng)該同動(dòng)力試驗(yàn)的結(jié)果相匹配。應(yīng)注意要在ATD頭部重心處測量平均“G”載荷值，還應(yīng)檢查乘員仿真軟件中頭部加速度的基準(zhǔn)位置。

即使兩次動(dòng)力試驗(yàn)具備同樣預(yù)期的減速度時(shí)間歷程剖面，HIC的最大值多半也會(huì)變化，所以試驗(yàn)得到的HIC和分析得到的HIC要想精確吻合是不現(xiàn)實(shí)的，但是分析得到的最大HIC值與試驗(yàn)得到的最大HIC值的差值應(yīng)該在50單位之內(nèi)變化，故而建議使用保守的HIC預(yù)測模型。

圖2是AC20-146中給出的頭部CG合成加速度時(shí)間歷程、HIC值、Δt和平均加速度的試驗(yàn)與仿真分析對比示意圖。

圖2 試驗(yàn)和仿真分析的HIC數(shù)據(jù)對比示意圖

通過圖示可以發(fā)現(xiàn)，分析的頭部減速度-時(shí)間曲線與試驗(yàn)得到的減速度-時(shí)間曲線比較，兩者嚴(yán)格地吻合是很困難的。在試驗(yàn)與分析中使用的初始和最終積分時(shí)間t1和t2也很有可能是各不相同的。然而也有其他參數(shù)來表明試驗(yàn)和分析的相關(guān)性，譬如HIC的分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差值在50以內(nèi)，且分析數(shù)據(jù)更保守，Δt和平均加速度也相當(dāng)，這就說明模型是能夠預(yù)測HIC值的。

4 結(jié)論

本文給出了運(yùn)輸類飛機(jī)座椅系統(tǒng)在其母系家族完成動(dòng)力試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊仿真的方法。其中仿真模型評估和仿真結(jié)果評估是整個(gè)仿真分析過程極其重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)，雖然仿真模型評估中ATD校準(zhǔn)和座椅材料特性分析還需要更加深入的解析說明，但文中給出的評估原則可以在具體的審定過程中與審查人員協(xié)調(diào)使用。

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