民機座椅扶手在垂直沖擊中對乘員腰椎載荷影響研究

摘要：在座椅的適航試驗中，因為座椅的坐寬尺寸限制，乘員手臂在沖擊過程中不可避免地會與座椅扶手接觸，影響試驗測試的腰椎載荷。對民機座椅扶手對乘員在垂向14G沖擊中腰椎的影響進行研究，通過民機座椅有、無扶手對比試驗，研究乘員腰椎力變化。根據(jù)試驗狀態(tài)，建立可信的仿真模型，通過改變乘員手臂與扶手之間的相對位置，研究手臂位置變化對乘員腰椎的影響，給出民機座椅扶手對乘員腰椎載荷的影響規(guī)律，為民機座椅乘員腰椎防護提供數(shù)據(jù)支持。

關鍵詞：民機座椅扶手垂直沖擊腰椎載荷

AStudyontheInfluenceofCivilAircraftSeatArmrestsonPassengerLumbarLoadinVerticalImpact

LILeizi

（HubeiAerospaceJiataiAircraftEquipmentCo.，Ltd.，Xiangyang， HubeiProvince，441003China）

Abstract：Fortheaircraftseat，theseatarmrestscancontactthearmandpreventthebodyfrommovingdownwardsintheverticalemmencyimpact，sothelumbarloadsofpassengerswillbeaffected.Inthispaper，theinfluenceofarmrestonpassengerslumbarloadshadbeenstudiedinthevertical14Gimpact.Basedonthedynamictestresults，asimulationmodelwasestablishedandcalibrated.Bychangingtherelativepositionbetweenthepassenger'sarmandarmrest，theinfluenceofthearmpositionchangeonthepassenger'slumbarloadswasstudied，andtheinfluencelawofthepassenger'slumbarloadwasalsogiventoprovidedatasupportforthelumbarprotectionofpassenger'sseat.

KeyWords：Aircraftseat;Armrest;Verticalimpact;Lumbarload

在適航規(guī)章AC562.1B中第10章節(jié)中，對民機座椅垂向14G試驗中乘員手臂與座椅扶手擺放位置進行了規(guī)定，以減少扶手對乘員腰椎載荷的采集影響，更真實地考核座椅對乘員腰椎的防護[1]。在座椅的適航試驗中，因為座椅的坐寬尺寸限制，乘員手臂在沖擊過程中不可避免會與座椅扶手接觸，影響試驗測試的腰椎載荷，因此，需要對沖擊過程中乘員手臂與扶手相對位置對乘員腰椎載荷的影響進行研究。

1研究思路

本文針對該問題進行研究。首先，通過座椅有扶手和無扶手垂直沖擊試驗對比，考核扶手對腰椎的影響。根據(jù)試驗工況，建立仿真分析模型，將試驗結果與仿真結果進行對比分析，確定動態(tài)模型的可信性。模型經(jīng)標定后，對乘員手臂與扶手相對位置進行變參分析，研究手臂不同擺放角度下對乘員腰椎力大小的影響[2]，如圖1所示。

2有無扶手垂直沖擊對比試驗

根據(jù)適航規(guī)章的規(guī)定，選取某型經(jīng)濟艙座椅為對象，在單個乘員乘坐狀態(tài)下，開展兩發(fā)14G垂向動態(tài)沖擊試驗。試驗1為座椅扶手正常狀態(tài)，試驗2為無扶手狀態(tài)（通過扶手抬起模擬），試驗沖擊波形如圖2所示。

將試驗獲取的乘員最大腰椎載荷進行對比，試驗1和試驗2的腰椎載荷對比如圖3所示。無扶手狀態(tài)下，乘員最大腰椎載荷為6464N；有扶手情況下，乘員腰椎載荷最大值為7840N，扶手抬起后，其腰椎載荷增加21.28%。

3座椅有限元模型

在建模工作中，應遵循力學等效和質量等效原則，同時要兼顧計算精度、計算速度和經(jīng)濟性。在座椅系統(tǒng)有限元模型的建立過程中，需要采用六面體單元、殼單元和梁單元[3]。在座椅有限元模型中，座椅支板、椅腿、轉盤、座椅墊使用六面體單元模擬，座椅椅管、滑竿、靠背板等薄壁結構使用殼單元模擬。使用公共節(jié)點法來模擬各部件之間的焊接、鉚接和螺栓連接。使用LS-DYNA網(wǎng)格前處理軟件進行座椅各部件的有限元建模，建立座椅的有限元網(wǎng)格模型（包括腰部和肩部安全帶、防撞墊和隔板）。假人有限元模型為LSTC.H3_50TH假人。最終建立整體模型，總網(wǎng)格110萬，模型如圖3所示。

4仿真計算及結果標定

4.1仿真計算結果

模型建立后，根據(jù)試驗工況的沖擊波形條件，利用LS-DYNA軟件對模型進行計算[4]。計算完成后，獲得乘員腰椎三向加速度。按照SAEJ211碰撞儀器要求的腰椎力加速度，按照通道級1000的要求，進行濾波處理，獲得乘員腰椎力加速度曲線與試驗結果對比，如圖4所示。

4.2模型精度評價

根據(jù)ARP5765中附錄中誤差分析方法，對合成加速度兩條曲線進行誤差分析。根據(jù)AC20-146A《23、25、27、29部飛機和旋翼航空器的動態(tài)座椅合格審定的分析方法》中仿真模型評定方法[5]，幅值精度為0.9175，相位精度為0.9329，綜合精度為0.8937，模型精度滿足要求。

5假人手臂位置變化

5.1假人手臂與扶手相對位置定義

本文以手臂向兩側伸直狀態(tài)位置為90°，手臂與軀干平行時為0°，定義座椅試驗狀態(tài)手臂與扶手相對位置[6]，如圖5所示。分別選取乘員手臂與軀干的角度為15°（工況1）、10°（工況2）和5°（工況3）工況進行仿真分析，如圖6所示，不同手臂位置變參工況模型如圖7所示。

5.2手臂與扶手相對位置變參結果

對建立的三個工況模型分別進行計算，獲得乘員手臂與座椅扶手三個位置下腰椎載荷和腰椎載荷隨乘員手臂與扶手角度的關系，如圖8～9所示。

6結語

根據(jù)以上分析，可以得到以下結論。（1）從有、無扶手的對比試驗可以看出，因為扶手的存在，沖擊過程中，_{K+xzzJtgz1ynuBwK9lZtYw==}乘員手臂會與扶手接觸，將會降低乘員垂向載荷，進而降低乘員腰椎，降低21.28%。（2）相同條件下，乘員手臂擺放姿態(tài)會影響腰椎載荷，沖擊過程中，手臂與扶手的可能的接觸區(qū)域越小，腰椎載荷越大。（3）手臂角度5°時，腰椎為7795N；手臂角度10°時，腰椎為6762N，已經(jīng)超過了人體耐受極限的6667N；在15°姿態(tài)下，乘員腰椎5431N，低于耐受極限。（4）垂直沖擊的乘員腰椎載荷與手臂角度近似滿足Y=19.76X2-546.8X+10264的回歸方程關系。

參考文獻

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2. 林策，李磊子，李慶鋒.基于乘員腰椎損傷指標的座椅垂直沖擊波形包線研究[J].機械強度，2024，46（1）：77-86.
3. 王昱，蘇長青，薛凱勛，等.電動飛機座椅的可靠性分析及優(yōu)化[J].新能源航空，2023，1（2）：42-49.
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