基于有限元仿真的電動(dòng)飛機(jī)座椅的適航分析

薛凱勛，蘇長(zhǎng)青,2*，趙銳，劉浩淼

（1.沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136； 2.遼寧省飛機(jī)火爆防控及可靠性適航技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110136； 3.遼寧通用航空研究院，遼寧 沈陽 110136）

0 引言

電動(dòng)飛機(jī)使用電力推進(jìn)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)飛機(jī)的內(nèi)燃機(jī)，具有低噪音、低成本、零排放和維修方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。 座椅是電動(dòng)飛機(jī)的重要裝置之一。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和有限元仿真驗(yàn)證是適航符合性驗(yàn)證的主要途徑[2]，而有限元仿真驗(yàn)證是飛機(jī)座椅適航符合性驗(yàn)證的主要方法，Kokorikou[3]等人對(duì)座椅的靠背和椅盆進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化；Nijholt[4]等人研究了不同工況下人體在飛機(jī)座椅上的壓力分布；羅亨存[5]等人研究了飛機(jī)連接裝置的動(dòng)態(tài)失效問題；段辰龍[6]等人評(píng)估了四座電動(dòng)飛機(jī)各項(xiàng)參數(shù)對(duì)性能的提升效果；余新剛[7]等人通過對(duì)飛機(jī)座椅進(jìn)行有限元建模分析不同工況下人體各部分的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

本文以電動(dòng)飛機(jī)座椅適航驗(yàn)證為背景，根據(jù)通用飛機(jī)適航規(guī)章CCAR-23-R3部對(duì)其進(jìn)行適航符合性仿真驗(yàn)證，通過計(jì)算得出飛機(jī)座椅在兩種不同工況下的靜力學(xué)特性，并基于電動(dòng)飛機(jī)巡航和爬升過程，對(duì)座椅進(jìn)行模態(tài)分析，得到其固有振動(dòng)特性。

1 飛機(jī)座椅有限元建模

飛機(jī)座椅是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，在飛機(jī)起飛和降落的過程中起到緩解沖擊力的作用[8]，飛機(jī)座椅由椅盆、靠背、頭靠、座椅骨架和滑軌等座椅連接件組成[9]，電動(dòng)飛機(jī)中座椅椅盆、靠背和頭靠的材料為碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料[10]，縱向彈性模量E1為155GPa，橫向彈性模量E2為12.1GPa，泊松比v為0.248，剪切彈性模量G12為4.4GPa，G13為4.4GPa，G23為3.2GPa[11]。座椅骨架和滑軌為AZ91D鎂合金[12]，彈性模量E為45GPa，泊松比v為0.3，屈服強(qiáng)度σs為160MPa。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在hyperworks中對(duì)座椅模型進(jìn)行有限元前處理，劃分網(wǎng)格并施加邊界條件，在座椅滑軌下方地腳螺栓與飛機(jī)接觸的地方施加全約束，考慮到座椅本身的重量，對(duì)其施加重力邊界條件。根據(jù)CTSO-C127b及SAE AS 8049，提出極限狀態(tài)下的兩種工況：座椅總成，對(duì)椅盆施加向下的5420N的面載荷；座椅靠背，對(duì)靠背施加向后的4450N的面載荷。

2 飛機(jī)座椅復(fù)合材料鋪層及有限元分析

2.1 飛機(jī)座椅復(fù)合材料鋪層

自20世紀(jì)70年代，航空工業(yè)中復(fù)合材料的使用量在不斷地增加，復(fù)合材料可以減輕模型重量，增強(qiáng)材料性能。在此次飛機(jī)座椅分析中，使用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料為座椅的椅盆、靠背和頭靠進(jìn)行鋪層。鋪層方向?yàn)閇0/45/90/-45].

2.2 飛機(jī)座椅有限元分析

基于hyperworks對(duì)飛機(jī)座椅在兩種不同工況下進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，其結(jié)果如下：

（1）座椅總成

由應(yīng)力云圖和位移云圖可知，在此工況下，座椅承受的最大應(yīng)力為40.4MPa，最大位移為1.185mm，遠(yuǎn)小于復(fù)合材料的許用應(yīng)力和許用應(yīng)變，其最大應(yīng)力和最大位移均處于座椅椅盆中心。復(fù)合材料各鋪層應(yīng)力云圖如圖4-圖7所示。

（2）座椅靠背

由應(yīng)力云圖和位移云圖可知，在此工況下，座椅承受的最大應(yīng)力為135.0MPa，最大位移為8.524mm，遠(yuǎn)小于復(fù)合材料的許用應(yīng)力和許用應(yīng)變，其最大應(yīng)力點(diǎn)位于座椅椅盆和靠背兩側(cè)相連處，最大位移點(diǎn)位于頭靠頂部。復(fù)合材料各鋪層應(yīng)力云圖如圖10-圖13所示。

3 飛機(jī)座椅模態(tài)分析

在適航飛行中，要避免機(jī)械振動(dòng)使座椅產(chǎn)生共振[13]。 結(jié)構(gòu)的抗振能力主要取決于其動(dòng)力學(xué)特性，主要包括固有特性、動(dòng)力響應(yīng)和動(dòng)力穩(wěn)定性[14]。固有特性主要指固有頻率和主振型。模態(tài)分析可以確定一個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，當(dāng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)頻率在固有頻率附近時(shí)，將引起劇烈的共振，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成座椅結(jié)構(gòu)的破壞[15]。

通過對(duì)座椅進(jìn)行模態(tài)分析，選取第1階到第4階，其分析結(jié)果如表1所示。

表1 座椅模態(tài)分析結(jié)果

各階振型云圖如圖14-圖17所示。

模態(tài)分析結(jié)果表明，座椅在第1階振型時(shí)產(chǎn)生的變形最大，最大變形為41.5mm，對(duì)應(yīng)的頻率為73.276Hz，在此頻率下，座椅頭靠頂部沿X軸方向前后擺動(dòng)。某型電動(dòng)飛機(jī)巡航狀態(tài)轉(zhuǎn)速1700r/min，爬升狀態(tài)轉(zhuǎn)速2340r/min，其頻率范圍為28.333Hz-39Hz[1]，該頻率范圍遠(yuǎn)小于座椅的第一階固有頻率73.276Hz，所以不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，座椅的穩(wěn)定性和抗振型符合適航要求。

4 結(jié)論

（1）本文以某型電動(dòng)飛機(jī)座椅適航驗(yàn)證為背景，對(duì)某型電動(dòng)飛機(jī)座椅的靠背、椅盆和頭靠進(jìn)行復(fù)合材料鋪層，基于CTSO-C127b及SAE AS 8049中規(guī)定工況進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，得到兩種不同工況下應(yīng)力云圖、位移云圖以及各鋪層在不同鋪層方向下的應(yīng)力云圖，其最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，且最大變形量小于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的變形量。

（2）座椅的模態(tài)分析結(jié)果表明，座椅在第1階振型的最大變形量為41.5mm，固有頻率為73.276Hz，飛機(jī)在巡航狀態(tài)和爬升狀態(tài)時(shí)工作頻率范圍為28.333Hz-39Hz，和固有頻率不在同一范圍，不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，符合適航要求。