聯(lián)排雙座乘員座椅頭部損傷判據(jù)仿真分析與實驗研究

摘要：介紹了聯(lián)排雙座乘員座椅后座乘員撞擊前部座椅的HIC仿真實驗以及仿真結(jié)果，并就實驗結(jié)果進(jìn)行了對比驗證。

關(guān)鍵詞：雙座座椅;頭部損傷判據(jù);HIC實驗

0? ? 引言

在航空事故中，頭部碰撞是導(dǎo)致人員傷亡的主要原因之一。飛機客艙的空間較小，在發(fā)生墜撞時人員頭部有很大概率撞擊到艙內(nèi)設(shè)備或者前排座椅，從而造成人員傷亡。目前，美國聯(lián)邦航空管理局FAA、歐洲航空安全局EASA、中國民航局等管理部門在相關(guān)的法規(guī)中已明確了頭部損傷判據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)（Head Injury Criteria，簡稱HIC）。

目前，驗證HIC符合性一般通過HIC實驗，但是HIC實驗對技術(shù)要求較高，飛機艙內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性和HIC實驗結(jié)果的不確定性，使得實驗較為復(fù)雜并且費時費力。HIC實驗為破壞性實驗，需要大量昂貴的一次性實驗件，如果能通過仿真分析準(zhǔn)確進(jìn)行HIC實驗?zāi)M，將會節(jié)省時間和經(jīng)濟(jì)成本，提升座椅研發(fā)效率。

1? ? 頭部損傷判據(jù)概述

AC25.562-1B中的頭部損傷判據(jù)HIC的計算方法如下式所示：

式中：t1為積分初始時間（s）;t2為積分終止時間（s）;a（t）為頭部撞擊總加速度對時間的關(guān)系曲線。

局方在適航條款中要求HIC的值不超過1 000，可以看出決定HIC大小的主要因素為頭部的加速度。

2? ? 聯(lián)排雙座乘員座椅HIC仿真實驗

聯(lián)排雙座乘員座椅靠背及吸能形式采用運輸類旅客座椅經(jīng)典設(shè)計形式，座椅主結(jié)構(gòu)如圖1所示。

AC25.562-1B詳細(xì)描述了HIC實驗方法，通過兩次實驗就可覆蓋座椅全部構(gòu)型的實驗。

實驗1：最大排距HIC實驗，50百分位假人頭部撞擊靠背底部或扶手，考慮10°偏航，圖2中所示A區(qū)或B區(qū)，該撞擊需有明顯的碰撞現(xiàn)象。通常旅客座椅靠背支撐為單側(cè)液壓鎖，圖2所示HIC實驗過程中頭部撞擊A區(qū)和B區(qū)的效果并不一致（A區(qū)有剪切吸能裝置和靠背調(diào)節(jié)機構(gòu)，B區(qū)無支撐），所以大排距HIC實驗需要沖擊兩次，但是對于兩聯(lián)或三聯(lián)座椅，可以通過加工完全對稱的靠背假件來實現(xiàn)單次沖擊完成兩次實驗。

實驗2：最小排距HIC實驗，50百分位假人頭部撞擊靠背，圖2中所示C區(qū)，無偏航。首先需評估該工況下的頭部初始撞擊點，在以初始撞擊點為中心的0.15 m（6 in）高、0.30 m（12 in）寬的區(qū)域內(nèi)，尋找最堅硬點，通過調(diào)整座椅位置實現(xiàn)頭部撞擊點為區(qū)域內(nèi)最堅硬位置。

HIC計算有限元建模保留主傳力結(jié)構(gòu)，清除裝飾件等非主傳力結(jié)構(gòu)，簡化分析模型，然后對應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格繪制，有限元建模。確立邊界載荷條件，依據(jù)座椅實際使用工況定義座椅邊界條件，給定座椅分析載荷;采用LS-dyna軟件進(jìn)行求解計算;利用META軟件進(jìn)行計算結(jié)果后處理，輸出相關(guān)計算結(jié)果。

座椅結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元形式主要包括：1D—梁單元，2D—殼單元，3D—實體單元。對于細(xì)長結(jié)構(gòu)，如桿件一般選擇梁單元劃分;而薄壁結(jié)構(gòu)一般選用殼單元，如座椅中的座面板等;對于壁厚較厚的結(jié)構(gòu)或形狀不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，一般選用實體單元劃分;對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以選擇實體單元和殼單元相結(jié)合的方式劃分，如椅腿和側(cè)支板，兩種單元連接部分埋入一層殼單元，如此也間接抵消了幾何特征清理過程中倒圓角清理所帶來的誤差。

無偏航，座椅安全帶為兩點式，使用50%混合Ⅲ型DETAILED假人。HIC仿真實驗假人姿態(tài)和座椅變形形式如圖3所示，假人頭部撞擊點及剪切環(huán)吸能過程如圖4所示。

考慮偏航10°，座椅安全帶為兩點式，使用50%混合Ⅲ型DETAILED假人。HIC仿真實驗撞擊A區(qū)如圖5所示，撞擊B區(qū)如圖6所示。

3? ? 聯(lián)排雙座乘員座椅HIC實驗結(jié)果和仿真結(jié)果對比

圖7為實驗結(jié)果和有限元計算速度曲線對比，速度線型基本一致，其中A區(qū)實驗最大值為11.7，計算最大值為12.2，誤差為4.3%;B區(qū)實驗最大值為15.5，計算最大值為13.9，誤差為10.3%。

圖8為實驗結(jié)果和有限元計算加速度曲線對比，其中第一道波峰為剪切環(huán)破壞極限載荷位置，第一道波峰計算和實驗結(jié)果誤差相對較小，其他位置誤差逐漸變大。

圖9為頭部撞擊A區(qū)實驗和仿真后剪切環(huán)吸能器狀態(tài)對比，剪切環(huán)所有環(huán)均全部剪開。頭部撞擊B區(qū)狀態(tài)類似。

4? ? 結(jié)語

本文基于LS-dyna軟件建立后排乘員撞擊前排座椅的仿真模型，對比仿真結(jié)果得到的頭部速度和加速度以及實驗得到的乘員頭部速度和加速度，得出結(jié)論：仿真結(jié)果和實驗結(jié)果誤差最大不超過15%，所以仿真模型結(jié)果能夠有效指導(dǎo)真實實驗，可以大大降低真實實驗的成本。

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收稿日期：2020-12-28

作者簡介：郝夢嬌（1993—），女，河南人，設(shè)計員，研究方向：直升機座椅等。