小腿擺放位置對(duì)航空座椅乘員損傷的影響研究

尹海群，解江，石霄鵬，馮振宇

(中國(guó)民航大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300300)

在飛機(jī)墜撞事故中，頭頸部損傷是常見(jiàn)的損傷方式。根據(jù)美國(guó)陸軍在1983—2005年的航空事故統(tǒng)計(jì)，頭部損傷占所有事故中受傷方式的69%，頸部損傷占所有事故中受傷方式的10%[1]。股骨損傷影響乘員的應(yīng)急撤離，過(guò)大的股骨損傷會(huì)使得乘員錯(cuò)過(guò)最佳逃生時(shí)機(jī)。航空座椅在飛機(jī)墜撞事故中對(duì)乘員保護(hù)具有重要作用，同時(shí)，采取合理的坐姿，能夠可有效避免或減輕損傷。因此，以雙排航空座椅為基礎(chǔ)建立座椅/乘員約束系統(tǒng)，開(kāi)展墜撞事故中乘員損傷評(píng)估是十分必要的。

適航規(guī)章《中國(guó)民用航空規(guī)章:第25部運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》(CCAR-25-R4)[2]中明確指出，“在頭部可能觸及座椅或其他構(gòu)件的情況下，必須提供保護(hù)措施以使頭部傷害判據(jù)(head injury criterion，HIC)不超過(guò)1 000”，其中HIC是頭部損傷的量化指標(biāo)。此外，民機(jī)制造商波音公司明確要求座椅供應(yīng)商評(píng)估頸部損傷。美國(guó)汽車(chē)安全技術(shù)法規(guī)OccupantCrashProtection(FMVSS 208)[3]中采用正面碰撞的頸部損傷準(zhǔn)則來(lái)評(píng)估乘員頸部損傷，限定普通乘員的4類(lèi)頸部損傷Nij值都必須小于1。美國(guó)聯(lián)邦航空局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)也在持續(xù)推動(dòng)頸部損傷判據(jù)的研究，與美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)聯(lián)合推出的PerformanceStandardforSeatsinCivilRotorcraft,TransportAircraftandGeneralAviationAircraft(SAE AS 8049D—2018)[4]將Nij準(zhǔn)則應(yīng)用到航空座椅的安全評(píng)估中，并對(duì)此準(zhǔn)則中的各個(gè)物理量進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。DynamicEvaluationofSeatRestraintSystemsandOccupantProtectiononTransportAirplanes(AC 25.562-1B CHG1)[5]中指出：在乘員的腿部有可能碰撞到前排座椅或飛機(jī)其他結(jié)構(gòu)時(shí)，需要對(duì)乘員的股骨損傷進(jìn)行評(píng)估。

航空座椅本身需要符合的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和裝機(jī)適航要求很多。目前工業(yè)方主要依靠滑臺(tái)沖擊試驗(yàn)獲取關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)并分析乘員損傷，存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高的問(wèn)題。例如，巴航工業(yè)的ERJ170/190新型客艙構(gòu)型開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中HIC驗(yàn)證項(xiàng)目花費(fèi)在適航取證費(fèi)用中占比達(dá)到35%[6]。數(shù)值分析方法不僅具備較高的可重復(fù)性，可以為試驗(yàn)驗(yàn)證提供支撐，而且合理的數(shù)值分析方法可以部分替代試驗(yàn)，能夠有效降低試驗(yàn)驗(yàn)證的風(fēng)險(xiǎn)。因此FAA建議發(fā)展仿真分析方法，并于2003年發(fā)布AC 20-146《23、25、27、29部飛機(jī)和旋翼航空器的動(dòng)態(tài)座椅合格審定的分析方法》，對(duì)仿真分析驗(yàn)證進(jìn)行了方法指導(dǎo)。

近年來(lái)，中外很多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者研究了航空器墜撞和汽車(chē)碰撞過(guò)程中乘員姿勢(shì)及其對(duì)損傷的影響。FAA于2003年在Passenger Safety Information Briefing and Briefing Cards(AC 121-24C)[7]中提出幾種防沖擊姿勢(shì)以減小乘員損傷。Viano等[8]開(kāi)展的滑臺(tái)沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)乘員采用上軀干缺少支撐的坐姿時(shí)，頭頸部傷害會(huì)大幅增加。2015年，F(xiàn)AA研究了各類(lèi)乘坐姿勢(shì)對(duì)乘員的損傷影響，改變乘員的小腿擺放位置進(jìn)行滑臺(tái)沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明小腿位置靠后擺放對(duì)股骨具備保護(hù)作用[9]。加拿大民航局發(fā)布BraceforImpactPositionsforAllAircraftOccupants(AC700-036)[10]建議乘員采用頭頂前排椅背的防沖擊姿勢(shì)。Chen[11]建立了雙排航空座椅有限元模型，指出假人的初始坐姿對(duì)頭部損傷有較大影響。Dong等[12]建立了具備內(nèi)臟和骨骼的精密有限元模型，對(duì)比研究了不同坐姿下汽車(chē)駕駛員的腰椎損傷差異。王世達(dá)等[13]建立不同邊界條件下的駕駛員損傷模型，確定了乘員損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)。解江等[14]建立多剛體模型，揭示了防沖擊姿勢(shì)對(duì)頭排乘員頭部的保護(hù)效果，結(jié)果表明：在水平?jīng)_擊下采用頭部前傾的抱腳式防護(hù)姿勢(shì)可使頭排乘員頭部、頸部、股骨損傷均小于限定值。李海巖等[15]研究了不同坐姿對(duì)6歲乘員損傷的影響，結(jié)果表明：頭部損傷會(huì)隨著乘員軀干后仰傾斜角度的增加而增加。

不同體型的乘員在相同的沖擊條件中存在損傷差異，Viano等[8]使用Hybrid III系列的不同體型假人展開(kāi)碰撞試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)體型較大的95th百分位假人上半身的損傷風(fēng)險(xiǎn)更大。Bhonge等[16]建立了航空座椅/乘員約束系統(tǒng)有限元模型，研究了50th百分位乘員和95th百分位乘員的動(dòng)態(tài)響應(yīng)差異。Tay等[17]利用MADYMO對(duì)假人進(jìn)行縮放，給出了FAA Hybrid III 5th和95th百分位假人的腰椎載荷耐受值。

綜上所述，目前中外少有學(xué)者通過(guò)建立雙排航空座椅/乘員約束系統(tǒng)有限元模型來(lái)研究小腿擺放位置對(duì)不同體型乘員的損傷影響。采用有限元數(shù)值分析方法可以建立人體和航空座椅結(jié)構(gòu)模型，能得到各個(gè)部件的形變，從而對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變分析，適用于航空座椅約束系統(tǒng)及乘員的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究。為此，以某型雙排三聯(lián)旅客座椅為研究對(duì)象，建立經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的水平動(dòng)態(tài)沖擊有限元模型，研究在相同沖擊條件下，不同的小腿擺放位置對(duì)Hybrid III 系列中50th和95th百分位假人的損傷影響。以期為乘員在乘坐飛機(jī)時(shí)采用相對(duì)安全的坐姿提供參考。

1 雙排航空座椅及乘員約束系統(tǒng)模型的建立

1.1 雙排航空座椅全尺寸滑臺(tái)水平?jīng)_擊試驗(yàn)

航空座椅數(shù)值模型必須經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的驗(yàn)證[18]，全尺寸滑臺(tái)沖擊試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，雙排座椅間排距為73.66 cm。試驗(yàn)所選取的座椅為典型客機(jī)三聯(lián)旅客座椅，將FAA Hybrid III 50th百分位假人擺放在后排座椅中間位置，試驗(yàn)方法參照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PerformanceStandardforSeatsinCivilRotorcraft,TransportAircraftandGeneralAviationAircraft(SAE AS 8049B—2005)[19]。理想加載三角脈沖和試驗(yàn)實(shí)際加載三角脈沖對(duì)比如圖2所示。

圖1 全尺寸滑臺(tái)沖擊試驗(yàn)Fig.1 Full-size sled impact test

圖2 加載脈沖Fig.2 Acceleration pulse

1.2 雙排航空座椅及乘員約束系統(tǒng)模型的建立

采用LS-DYNA建立顯式非線性有限元模型。航空座椅的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括：前后椅腿、椅管、座椅支板、椅盆、椅背、座椅剪切吸能裝置、坐墊、安全帶等。雙排航空座椅模型中使用的3種金屬、泡沫、安全帶材料模型與文獻(xiàn)[20]中單排航空座椅相同。模型中采用Hybrid III 50th百分位數(shù)值假人，此模型在水平?jīng)_擊下可準(zhǔn)確模擬乘員各項(xiàng)碰撞響應(yīng)，在航空和汽車(chē)領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。最終建立的雙排航空座椅及乘員約束系統(tǒng)水平?jīng)_擊模型如圖3所示，共包括453個(gè)部件，1 246 964個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 299 971個(gè)單元。

圖3 雙排座椅及乘員水平?jīng)_擊模型Fig.3 Repetitive seats and occupant horizontal impact model

1.3 乘員損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)

在飛機(jī)墜撞事故中，人體各個(gè)部位的損傷主要是由過(guò)大的瞬時(shí)加速度和載荷所致。因此，選取的損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)也是基于加速度和載荷提出，包括頭部、頸部、股骨3個(gè)部位的損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)。

應(yīng)用HIC量化評(píng)估頭部損傷，限定HIC值不得超過(guò)1 000，HIC可定義為

(1)

式(1)中：t1為得到HIC最大值過(guò)程中的初始時(shí)刻，s；t2為得到HIC最大值過(guò)程中的結(jié)束時(shí)刻，s；a(t)為頭部重心處測(cè)量的加速度，g；t為整個(gè)沖擊過(guò)程中的時(shí)間。

采用Nij準(zhǔn)則分析乘員頸部損傷，如圖4[21]所示，定義了4種頸部受載類(lèi)型：壓縮-伸展Nce、壓縮-屈曲Ncf、拉伸-伸展Nte、拉伸-屈曲Ntf，規(guī)定任何一種類(lèi)型的Nij值都不能超過(guò)1。如表1所示，不同體型乘員的臨界載荷和力矩不同[22]。

表1 不同體型假人頸部載荷和力矩的臨界值Table 1 Critical values of neck loads and torques for different size dummies

圖4 頸部加載模式[21]Fig.4 Neck loading mode[21]

(2)

式(2)中：Fz為軸向力，N；Fint為臨界軸向力；My為Y軸力矩，N；Mint為臨界力矩。

股骨載荷過(guò)大會(huì)影響乘員的應(yīng)急撤離，所以股骨載荷是雙排座椅中乘員損傷情況的重要考察項(xiàng)。要求在航空座椅進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)中，在可能與座椅或其他構(gòu)件碰撞導(dǎo)致腿部受傷的情況下，必須提供防護(hù)措施使每一股骨上的軸向壓縮載荷不超過(guò)10 008 N[2]。

2 模型的驗(yàn)證

模型和試驗(yàn)中乘員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、座椅響應(yīng)情況對(duì)比如圖5所示。0～100 ms假人向前滑動(dòng)，直到膝蓋接觸前排座椅椅背下沿。140 ms左右假人頭部與椅背上沿中間位置發(fā)生碰撞，碰撞位置同為椅背中間位置。試驗(yàn)和模型中乘員運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、座椅結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較為一致。

圖5 水平?jīng)_擊仿真和試驗(yàn)姿態(tài)對(duì)比Fig.5 Comparison of horizontal impact process between simulation and test

數(shù)值假人和物理假人的頭部重心加速度-時(shí)間曲線對(duì)比如圖6所示。在椅背吸能裝置的作用下出現(xiàn)兩個(gè)峰值。仿真中的假人頭部重心峰值加速度為114.73g(g為重力加速度)，峰值時(shí)刻為142 ms，試驗(yàn)中假人的頭部重心峰值加速度為108.28g，峰值時(shí)刻為146 ms。試驗(yàn)和仿真的頭部峰值加速度差異較小，根據(jù)頭部加速度曲線可以得到假人頭部HIC值，數(shù)值假人的HIC為567.6，物理假人的HIC為521.1，仿真結(jié)果稍保守。

圖6 假人頭部重心加速度-時(shí)間曲線Fig.6 Acceleration-time curve of anthropomorphic test device’s head center of gravity

試驗(yàn)與仿真的左右兩側(cè)股骨載荷對(duì)比如圖7所示，左側(cè)股骨峰值載荷仿真值為3.51 kN(在115.9 ms)，試驗(yàn)值為3.26 kN(在122.5 ms)，滿足誤差要求。右側(cè)股骨受力情況與之類(lèi)似。由于椅背的吸能裝置安裝在椅背左側(cè)，右側(cè)股骨載荷高于左側(cè)，試驗(yàn)和仿真都能捕捉到這一現(xiàn)象。

圖7 假人股骨軸向載荷對(duì)比Fig.7 Comparison of anthropomorphic test device’ axial femur load

工程上，使用曲線的峰值誤差GPV、峰值時(shí)刻誤差GPT和綜合誤差法CSG[18]來(lái)評(píng)估仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性。試驗(yàn)與仿真的相關(guān)性對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 仿真與試驗(yàn)誤差分析Table 2 Summary of error between test and simulation

試驗(yàn)與仿真的頸部軸向載荷對(duì)比情況如圖8所示。其中物理假人的頸部峰值拉伸載荷為1.85 kN，數(shù)值假人的頸部峰值拉伸載荷為1.94 kN，誤差為5.08%。

圖8 頸部z向載荷Fig.8 The z-direction load on anthropomorphic test device’s neck

通過(guò)比較試驗(yàn)與仿真的假人運(yùn)動(dòng)圖像、假人頭部重心加速度、頭部HIC值、頭部撞擊時(shí)刻、碰撞位置、股骨以及頸部軸向載荷驗(yàn)證了模型的有效性，各項(xiàng)誤差符合模型的驗(yàn)證要求，說(shuō)明仿真模型能夠較為準(zhǔn)確模擬在沖擊過(guò)程中乘員的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可用于仿真研究。

3 小腿擺放位置與椅背類(lèi)型對(duì)乘員損傷影響

3.1 小腿擺放位置對(duì)50th百分位乘員的損傷影響

對(duì)于50th百分位乘員而言，就坐時(shí)會(huì)采用的常見(jiàn)坐姿是小腿放置在雙排航空座椅中間位置，如圖9(a)所示，稱為小腿直立坐姿?？赡艹霈F(xiàn)的小腿擺放位置如圖9(b)所示，將假人的小腿后曲使其更貼近乘坐的座椅，稱為小腿后曲坐姿。以此模擬50th百分位乘員在真實(shí)乘坐飛機(jī)時(shí)會(huì)出現(xiàn)的兩種坐姿，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為200 ms。

圖9 各個(gè)碰撞時(shí)刻假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)比Fig.9 Comparison of dummy kinematics at each collision time

兩種坐姿的安全帶載荷對(duì)比如圖10所示，以小腿直立坐姿為例說(shuō)明安全帶受載情況，結(jié)合圖9，在0～100 ms期間假人骨盆水平前移，此后下肢開(kāi)始接觸前排座椅結(jié)構(gòu)，110 ms左右假人骨盆在X方向位移量達(dá)到最大，此時(shí)安全帶載荷出現(xiàn)第一個(gè)峰值。隨后骨盆出現(xiàn)往后運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，安全帶拉伸量減小則拉伸載荷減小。此后骨盆轉(zhuǎn)為垂向運(yùn)動(dòng)為主，安全帶拉伸量再次增加，安全帶載荷在160 ms左右出現(xiàn)第2個(gè)峰值。

圖10 安全帶載荷-時(shí)間曲線對(duì)比Fig.10 Comparison of belt load-time curves

骨盆重心最大位移量對(duì)比如圖11所示，小腿后曲坐姿中增加了骨盆重心在x方向的位移量，則110 ms左右出現(xiàn)的安全帶峰值載荷高于小腿直立的姿勢(shì)；同時(shí)小腿后曲減小了骨盆重心在z方向的位移量，使得在160 ms左右出現(xiàn)的安全帶峰值載荷小于小腿直立姿勢(shì)。小腿后曲產(chǎn)生的安全帶峰值載荷為6.14 kN，比小腿直立姿勢(shì)中的峰值載荷5.26 kN提高了16.9%。

圖11 骨盆重心在x、z方向的最大位移量對(duì)比Fig.11 Comparison of max displacement in x and z direction of anthropomorphic test device’s pelvis center of gravity

兩者的股骨載荷對(duì)比如圖12所示，小腿后曲坐姿中股骨峰值載荷是2.59 kN，比小腿直立的3.47 kN降低了25.4%。因此，小腿后曲會(huì)減輕乘員的股骨損傷。原因在于小腿后曲會(huì)使得下肢與椅背的撞擊點(diǎn)相比于小腿直立的坐姿位置更高，下肢接觸到座椅結(jié)構(gòu)的剛度變小。右側(cè)股骨載荷的整體情況與左側(cè)一致。

圖12 假人股骨軸向載荷對(duì)比Fig.12 Comparison of axial femur load of anthropomorphic test device

假人頭部重心加速度對(duì)比如圖13所示。小腿后曲姿勢(shì)中由于下肢撞擊椅背的位置較高，吸能裝置在頭部撞擊椅背前(134 ms)被下肢碰撞提前觸發(fā)。而小腿直立姿勢(shì)中的吸能裝置在頭部撞擊后(145 ms)才被觸發(fā)。將兩者頭部撞擊椅背時(shí)的情況進(jìn)行對(duì)比，如圖14所示，小腿直立姿勢(shì)中椅背接近垂直狀態(tài)，而小腿后曲姿勢(shì)中吸能裝置已被觸發(fā)椅背出現(xiàn)較大前折角，此后小腿后曲姿勢(shì)中頭部碰撞椅背時(shí)會(huì)更容易前折，椅背提供給頭部的反作用力減弱，從而使得頭部重心峰值加速度較小。同時(shí)也由于小腿后曲姿勢(shì)中吸能裝置被提前觸發(fā)，對(duì)頭部產(chǎn)生的吸能效果相對(duì)減弱，使得小腿后曲姿勢(shì)中頭部加速度的平均值較大，計(jì)算得到HIC為604.3，大于小腿直立姿勢(shì)約10%。

圖13 假人頭部重心加速度對(duì)比Fig.13 Comparison of acceleration of dummy headcenter of gravity

圖14 頭部碰撞椅背時(shí)假人姿態(tài)對(duì)比Fig.14 Comparison of anthropomorphic test device’s posture when head collides with seat back

從假人上頸部提取載荷和力矩。如圖15所示，假人頸部主要承受拉伸載荷，小腿后曲姿勢(shì)中頸部峰值拉伸載荷為2.08 kN，大于小腿直立的姿勢(shì)。假人在碰撞椅背前，頭部承受慣性作用對(duì)頸部產(chǎn)生拉伸載荷。小腿后曲姿勢(shì)中頭部受到慣性作用的階段相比小腿直立姿勢(shì)更長(zhǎng)，則頸部拉伸載荷有所增加。

圖15 頸部載荷-時(shí)間曲線Fig.15 Load-time curves of anthropomorphic test device’s neck

對(duì)于小腿直立姿勢(shì)，153～160 ms頭部與椅背接觸的部位由下巴逐漸轉(zhuǎn)換為臉部，如圖16(a)所示，假人出現(xiàn)繞y軸低頭的現(xiàn)象，頸部受力方式也逐漸由拉伸轉(zhuǎn)換為壓縮。160 ms時(shí)頭部承受向后的反作用力，所以上頸部出現(xiàn)0.43 kN的壓縮峰值載荷。隨后160～175 ms，與接觸椅背的部位逐漸轉(zhuǎn)換為額頭，頭部承受后上方的反作用力，使得頸部受力方式由壓縮逐漸轉(zhuǎn)換為拉伸。

對(duì)于小腿后曲姿勢(shì)，0～144 ms期間假人頭部承受慣性作用，頸部拉伸載荷逐漸增加。頭部在144 ms時(shí)與額頭較近的臉部區(qū)域與椅背接觸，如圖16(b)所示，頭部承受向后的反作用力，使得頸部拉伸載荷減小。144～165 ms期間頭部繞y軸低頭的現(xiàn)象沒(méi)有小腿直立式顯著，頸部拉伸載荷有所減小但并未出現(xiàn)壓縮載荷。165～175 ms期間假人與椅背接觸的部位逐漸轉(zhuǎn)換為額頭，頭部承受后上方的反作用力，拉伸載荷增加。此后頭部往胸部?jī)?nèi)收，頸部拉伸載荷逐漸減小。

圖16 不同坐姿下各個(gè)碰撞時(shí)刻頸部姿態(tài)Fig.16 Anthropomorphic test device’s neck posture with different sitting positions at each collision time

頸部力矩如圖17所示，小腿后曲姿勢(shì)中，假人未出現(xiàn)下巴掛在椅背上的現(xiàn)象，所以頸部承受的伸展力矩小于小腿直立的姿勢(shì)。但在200 ms出現(xiàn)的頸部屈曲峰值力矩大于小腿直立姿勢(shì)。原因在于：小腿后曲的姿勢(shì)中下肢與椅背的接觸點(diǎn)位置較高，使得椅背在未與頭部接觸前已經(jīng)前折，而后頭部碰撞椅背讓椅背繼續(xù)前折，最終前折角度大于小腿直立坐姿，且頸部屈曲現(xiàn)象更為顯著，如圖18所示。

圖17 頸部力矩-時(shí)間曲線Fig.17 Moment-time curves of anthropomorphic test device’s neck

圖18 200 ms時(shí)刻假人姿態(tài)對(duì)比Fig.18 Comparison of anthropomorphic test device’s posture at 200 ms

結(jié)合頸部載荷和力矩計(jì)算得到Nij，如圖19所示，由于小腿后曲姿勢(shì)中頸部主要承受拉伸載荷，因此得到的壓縮類(lèi)頸部損傷Nce和Ncf相比于小腿直立式降低。而由于伸展力矩小于小腿直立姿勢(shì)，所以Nte類(lèi)頸部損傷較小，同時(shí)屈曲力矩的增加使得Ntf類(lèi)頸部損傷增大。

圖19 頸部損傷參數(shù)對(duì)比Fig.19 Comparison of neck injury parameters

綜上所述，50th百分位假人小腿后曲的姿勢(shì)和小腿直立姿勢(shì)相比，下肢與椅背的接觸點(diǎn)剛度較小會(huì)減小股骨損傷。同時(shí)下肢與椅背的接觸點(diǎn)位置更高將吸能裝置提前觸發(fā)，使得頭部重心平均加速度變大，將頭部損傷HIC增加10%左右。由于小腿后曲姿勢(shì)中假人頭部未出現(xiàn)下巴掛在椅背上的現(xiàn)象所以頸部伸展力矩較小，從而使得假人承受的主要頸部損傷類(lèi)型Nte較小。根據(jù)Nij值取最大損傷類(lèi)型的原則，小腿后曲的姿勢(shì)不會(huì)增加頸部損傷。

3.2 小腿擺放位置對(duì)95th百分位乘員的損傷影響

作為對(duì)比，這里研究在雙排航空座椅沖擊環(huán)境中小腿擺放位置對(duì)95th百分位假人損傷的影響。95th百分位假人相比于50th百分位具有更大的體重和身高，表3為兩類(lèi)假人的體型對(duì)比情況。由于95th百分位假人的小腿較長(zhǎng)，因此在實(shí)際乘坐此型號(hào)飛機(jī)座椅時(shí)乘員可能采用的乘坐方式有小腿前伸坐姿和小腿直立坐姿。沖擊過(guò)程如圖20所示，采用小腿前伸坐姿時(shí)，頭部與前排座椅碰撞的時(shí)刻約為150 ms。而采用小腿直立的坐姿時(shí)，下肢撞擊椅背的位置更高，并且在下肢的碰撞下椅背幾乎已經(jīng)達(dá)到全折的狀態(tài)，此姿勢(shì)下頭部與椅背發(fā)生碰撞的時(shí)刻延遲到200 ms，因此為了更好地評(píng)估乘員損傷將計(jì)算的總時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為250 ms。

表3 兩種體型數(shù)值假人對(duì)比Table 3 Comparison of numerical anthropomorphic test device of two sizes

圖20 各個(gè)碰撞時(shí)刻假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)比Fig.20 Comparison of dummy kinematics at each collision time

圖21為兩類(lèi)坐姿下乘員安全帶所受載荷情況，小腿直立時(shí)安全帶峰值載荷為9.31 kN，小腿前伸時(shí)安全帶峰值載荷為8.81 kN。圖22為假人骨盆重心在x和z兩個(gè)方向位移量對(duì)比，小腿前伸后下肢受到前排座椅結(jié)構(gòu)的限制，使得假人在xz平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)空間小于小腿直立坐姿，所以安全帶受到的拉伸載荷小于小腿直立的坐姿。

圖21 安全帶載荷時(shí)間曲線Fig.21 Belt load-time curve

圖22 骨盆重心在x、z方向的最大位移量對(duì)比Fig.22 Comparison of max displacement in x and z direction of anthropomorphic test device’s pelvis center of gravity

股骨載荷如圖23所示，對(duì)于左側(cè)股骨，小腿前伸時(shí)股骨峰值載荷為5.99 kN，而小腿直立時(shí)股骨峰值載荷為5.26 kN。由于小腿直立時(shí)下肢與椅背接觸點(diǎn)的位置更高剛度更小，所以股骨載荷更大。右側(cè)股骨載荷受力情況與左側(cè)類(lèi)似。

圖23 假人左、右側(cè)股骨軸向載荷Fig.23 Axial loads on the left and right femurs of anthropomorphic test device

頭部重心合成加速度時(shí)間曲線如圖24所示，小腿前伸坐姿中頭部的峰值加速度為91.49g，峰值在150 ms左右出現(xiàn)，計(jì)算得到的HIC值分別為1 370.2。此時(shí)小腿直立的坐姿中頭部峰值加速度為85.68g，HIC值為1 157。兩者頭部損傷均超過(guò)人體耐受損傷極限。雖然小腿前伸加速度峰值更高，也因此在150～180 ms的時(shí)間區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生了更大的HIC值，但是值得注意的是小腿直立的坐姿在200 ms時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)107.94g的二次波峰。結(jié)合運(yùn)動(dòng)姿態(tài)圖20可以發(fā)現(xiàn)，小腿直立的坐姿中假人的頭部在200 ms才與座椅結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，而第一個(gè)峰值的出現(xiàn)只是假人在慣性的作用下形成。所以小腿直立的坐姿會(huì)給假人頭部造成二次傷害，代表著更高的損傷風(fēng)險(xiǎn)，相比之下采用小腿前伸的坐姿對(duì)乘員頭部更安全。

圖24 假人頭部重心加速度-時(shí)間曲線Fig.24 Acceleration-time curve of anthropomorphic test device’s head center of gravity

頸部載荷對(duì)比如圖25所示，小腿前伸坐姿下頸部主要承受拉伸載荷，且峰值為3.76 kN。對(duì)于小腿前伸坐姿而言，0～150 ms頭部承受慣性作用，此階段頸部拉伸載荷不斷增長(zhǎng)。隨后頭部在150 ms時(shí)碰撞前排椅背，隨后頭部承受椅背支撐力使得拉伸載荷逐漸減小。

圖25 頸部載荷-時(shí)間曲線Fig.25 Load-time curves of anthropomorphic test device’s neck

而小腿直立的坐姿中假人頭部在200 ms之前持續(xù)承受慣性作用。在167 ms時(shí)頸部拉伸載荷達(dá)到峰值4.78 kN，此后頭部開(kāi)始往胸部?jī)?nèi)收，頸部拉伸載荷逐漸減小。并在200 ms左右由于頭部撞擊椅背形成壓縮峰值載荷2.16 kN，這也使得其頸部損傷Nce和Ncf大于小腿前伸的坐姿。

頸部Y向力矩時(shí)間曲線如圖26所示，對(duì)于頸部伸展力矩，小腿直立峰值力矩為94.19 N·m，小腿前伸力矩為79.32 N·m小于前者15.8%。小腿前伸的姿勢(shì)中頭部在150 ms左右接觸椅背后承受向后上方的反作用力，頸部伸展力矩開(kāi)始減小并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榍绞?。而小腿直立坐姿中假人頸部持續(xù)承受慣性作用，會(huì)使得伸展現(xiàn)象更為顯著，因此伸展力矩更大。

圖26 頸部力矩-時(shí)間曲線Fig.26 Moment-time curves of anthropomorphic test device’s neck

對(duì)于頸部屈曲力矩，小腿直立峰值力矩為116 N·m，比小腿前伸63.52 N·m大45%。小腿直立式坐姿頭部在200 ms會(huì)與椅背底部結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞,如圖27所示，頸部在此階段內(nèi)的屈曲現(xiàn)象比小腿前伸姿勢(shì)更為顯著。

圖27 200 ms時(shí)假人姿態(tài)對(duì)比Fig.27 Comparison of anthropomorphic test device’s postures at 200 ms

結(jié)合頸部載荷和力矩計(jì)算得到Nij，兩類(lèi)姿勢(shì)頸部損傷對(duì)比如圖28所示，與小腿直立的姿勢(shì)相比小腿前伸會(huì)增加乘員的四類(lèi)頸部損傷，最終得到小腿直立姿勢(shì)中假人頸部損傷Nij為0.793。

圖28 頸部損傷參數(shù)對(duì)比Fig.28 Comparison of neck injury parameters

對(duì)95th百分位乘員而言，小腿直立的坐姿與小腿前伸坐姿相比，下肢與椅背的撞擊點(diǎn)位置更高剛度較小，從而減小了股骨損傷。小腿直立坐姿的頭部損傷HIC值相較于小腿前伸能減小15.6%，然而小腿直立坐姿在200 ms時(shí)頭部才撞擊椅背，此時(shí)頭部重心加速度出現(xiàn)第2個(gè)峰值(107.94g)，表示乘員頭部有二次損傷的風(fēng)險(xiǎn)。采用小腿直立的坐姿時(shí)，頭部承受慣性作用的階段更長(zhǎng)使得頸部拉伸載荷和伸展力矩大于小腿前伸坐姿。又因?yàn)樵?00 ms時(shí)頭部撞擊椅背剛度較大的下端位置，使得頸部壓縮載荷和屈曲力矩大于小腿前伸坐姿，所以小腿直立坐姿的四類(lèi)頸部損傷都大于小腿前伸坐姿。

4 結(jié)論

基于經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的雙排航空座椅/乘員約束系統(tǒng)水平?jīng)_擊有限元模型，對(duì)比分析了50th百分位假人小腿直立和小腿后曲、95th百分位假人小腿前伸和小腿直立的損傷差異。得出以下結(jié)論。

(1)兩類(lèi)體型假人的小腿越貼近后排座椅，碰撞過(guò)程中，假人下肢與前排椅背的接觸點(diǎn)位置會(huì)越高，結(jié)構(gòu)剛度會(huì)越小，從而假人承受的股骨損傷越小。

(2)對(duì)于50th百分位乘員，與小腿直立坐姿中頭部碰撞椅背從而觸發(fā)吸能裝置的情況不同，采用小腿后曲坐姿時(shí)下肢與椅背碰撞后將吸能裝置提前觸發(fā)，使得頭部重心平均加速度變大，將頭部損傷HIC增加10%左右。

(3)對(duì)于50th百分位假人，小腿后曲姿勢(shì)中頭部未出現(xiàn)下巴掛在椅背上的現(xiàn)象，所以頸部伸展力矩較小，從而使得假人主要承受的頸部損傷類(lèi)型Nte較小。根據(jù)Nij判據(jù)采取最大頸部損傷類(lèi)型的原則，小腿后曲的姿勢(shì)不會(huì)增加頸部損傷。

(4)對(duì)于95th百分位假人，小腿直立坐姿的頭部損傷HIC值相較于小腿前伸能減小15.6%。然而小腿直立坐姿在200 ms時(shí)頭部才撞擊椅背，此時(shí)頭部重心加速度出現(xiàn)第2個(gè)峰值(107.94g)，乘員頭部有存在二次損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

(5)對(duì)于95th百分位假人，采用小腿直立的坐姿時(shí)，頭部承受慣性作用的階段更長(zhǎng)使得頸部拉伸載荷和伸展力矩大于小腿前伸坐姿。又因?yàn)樵?00 ms時(shí)頭部撞擊椅背下端，使得頸部壓縮載荷和屈曲力矩大于小腿前伸坐姿，所以小腿直立坐姿的四類(lèi)頸部損傷都大于小腿前伸坐姿。