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联排双座乘员座椅头部损伤判据仿真分析与实验研究

摘要:介绍了联排双座乘员座椅后座乘员撞击前部座椅的HIC仿真实验以及仿真结果,并就实验结果进行了对比验证。

关键词:双座座椅;头部损伤判据;HIC实验

0    引言

在航空事故中,头部碰撞是导致人员伤亡的主要原因之一。飞机客舱的空间较小,在发生坠撞时人员头部有很大概率撞击到舱内设备或者前排座椅,从而造成人员伤亡。目前,美国联邦航空管理局FAA、欧洲航空安全局EASA、中国民航局等管理部门在相关的法规中已明确了头部损伤判据的标准(Head Injury Criteria,简称HIC)。

目前,验证HIC符合性一般通过HIC实验,但是HIC实验對技术要求较高,飞机舱内环境的复杂性和HIC实验结果的不确定性,使得实验较为复杂并且费时费力。HIC实验为破坏性实验,需要大量昂贵的一次性实验件,如果能通过仿真分析准确进行HIC实验模拟,将会节省时间和经济成本,提升座椅研发效率。

1    头部损伤判据概述

AC25.562-1B中的头部损伤判据HIC的计算方法如下式所示:

式中:t1为积分初始时间(s);t2为积分终止时间(s);a(t)为头部撞击总加速度对时间的关系曲线。

局方在适航条款中要求HIC的值不超过1 000,可以看出决定HIC大小的主要因素为头部的加速度。

2    联排双座乘员座椅HIC仿真实验

联排双座乘员座椅靠背及吸能形式采用运输类旅客座椅经典设计形式,座椅主结构如图1所示。

AC25.562-1B详细描述了HIC实验方法,通过两次实验就可覆盖座椅全部构型的实验。

实验1:最大排距HIC实验,50百分位假人头部撞击靠背底部或扶手,考虑10°偏航,图2中所示A区或B区,该撞击需有明显的碰撞现象。通常旅客座椅靠背支撑为单侧液压锁,图2所示HIC实验过程中头部撞击A区和B区的效果并不一致(A区有剪切吸能装置和靠背调节机构,B区无支撑),所以大排距HIC实验需要冲击两次,但是对于两联或三联座椅,可以通过加工完全对称的靠背假件来实现单次冲击完成两次实验。

实验2:最小排距HIC实验,50百分位假人头部撞击靠背,图2中所示C区,无偏航。首先需评估该工况下的头部初始撞击点,在以初始撞击点为中心的0.15 m(6 in)高、0.30 m(12 in)宽的区域内,寻找最坚硬点,通过调整座椅位置实现头部撞击点为区域内最坚硬位置。

HIC计算有限元建模保留主传力结构,清除装饰件等非主传力结构,简化分析模型,然后对应进行网格绘制,有限元建模。确立边界载荷条件,依据座椅实际使用工况定义座椅边界条件,给定座椅分析载荷;采用LS-dyna软件进行求解计算;利用META软件进行计算结果后处理,输出相关计算结果。

座椅结构网格单元形式主要包括:1D—梁单元,2D—壳单元,3D—实体单元。对于细长结构,如杆件一般选择梁单元划分;而薄壁结构一般选用壳单元,如座椅中的座面板等;对于壁厚较厚的结构或形状不规则的结构,一般选用实体单元划分;对于复杂结构,可以选择实体单元和壳单元相结合的方式划分,如椅腿和侧支板,两种单元连接部分埋入一层壳单元,如此也间接抵消了几何特征清理过程中倒圆角清理所带来的误差。

无偏航,座椅安全带为两点式,使用50%混合Ⅲ型DETAILED假人。HIC仿真实验假人姿态和座椅变形形式如图3所示,假人头部撞击点及剪切环吸能过程如图4所示。

考虑偏航10°,座椅安全带为两点式,使用50%混合Ⅲ型DETAILED假人。HIC仿真实验撞击A区如图5所示,撞击B区如图6所示。

3    联排双座乘员座椅HIC实验结果和仿真结果对比

图7为实验结果和有限元计算速度曲线对比,速度线型基本一致,其中A区实验最大值为11.7,计算最大值为12.2,误差为4.3%;B区实验最大值为15.5,计算最大值为13.9,误差为10.3%。

图8为实验结果和有限元计算加速度曲线对比,其中第一道波峰为剪切环破坏极限载荷位置,第一道波峰计算和实验结果误差相对较小,其他位置误差逐渐变大。

图9为头部撞击A区实验和仿真后剪切环吸能器状态对比,剪切环所有环均全部剪开。头部撞击B区状态类似。

4    结语

本文基于LS-dyna软件建立后排乘员撞击前排座椅的仿真模型,对比仿真结果得到的头部速度和加速度以及实验得到的乘员头部速度和加速度,得出结论:仿真结果和实验结果误差最大不超过15%,所以仿真模型结果能够有效指导真实实验,可以大大降低真实实验的成本。

[参考文献]

[1] 中国民用航空局.中国民用航空规章 第25部 运输类飞机适航标准:CCAR-25-R4—2011[S].

[2] FAA.Tile 14 Code of Fed Eral Regulation, Part25, A-mendment 25-64,Section 562[S].Federal Register,1988.

[3] FAA ANM-110.Dynamic Evaluaion of Seat restraint System and Occupant Protection on Transport Airplanes:AC25.562-1B[S].2006.

收稿日期:2020-12-28

作者简介:郝梦娇(1993—),女,河南人,设计员,研究方向:直升机座椅等。

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