火箭彈射座椅椅盆側板在1100km/h速度氣動載荷下的安全性研究

韓圓珍 周 昊 李磊子

（航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003）

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火箭彈射座椅椅盆側板在1100km/h速度氣動載荷下的安全性研究

韓圓珍 周 昊 李磊子

（航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003）

摘 要：以火箭彈射座椅側板為研究對象，研究不同外形的側板在座椅彈射出艙后承受高速氣流吹襲的能力，評估側板及其連接件的安全性。這種研究方法可在同類型彈射座椅上推廣應用。

關鍵詞：側板；氣動載荷；仿真

0. 前言

火箭彈射座椅自誕生半個多世紀以來，其發展是多種多樣的，盡管座椅的結構形式、性能水平各有差異，但其基本組成大同小異。就其結構而言，一般由頭靠、骨架、靠背和椅盆組成。其中椅盆包含左右兩側側板、前梁、后梁、上梁等部件，它為乘員提供座位，并為操縱系統提供安裝位置。目前，大多數椅盆都是采用高強度鋁合金鈑材的鉚接結構。在彈射座椅的使用過程中，椅盆需承受各種載荷，如機動飛行狀態乘員的慣性載荷以及彈射出艙時的氣動載荷，其設計應具有足夠的強度和剛度。

1. 問題的來源

C型火箭彈射座椅在1100km/h速度試驗中，座椅在出艙后出現側板向椅盆外側大變形，進而與座椅主體分離的現象。通過對試驗現象的分析，設計師系統判斷側板受到較大氣動載荷是導致連接側板的螺釘、螺栓斷裂進而側板與座椅主體分離的原因。鑒于A型、B型及C型火箭彈射座椅最大安全救生速度相同，椅盆結構相似，為保證座椅救生安全可靠，需要對上述3種型號火箭彈射座椅在不同狀態的計算氣動載荷（含側板、乘員腿部）作用下，連接側板與椅盆前梁的螺釘、螺栓以及側板的受力情況進行仿真研究，評估3種型號座椅側板安全情況，并對加強后的座椅側板強度作進一步分析。

2. 有限元仿真

2.1 有限元模型的建立

首先采用CATIA軟件建立A型、B型及C型座椅側板的幾何模型（分別如圖1～圖3所示），在此基礎上，根據有限元模型建立原則，加以適當簡化，并采用四面體單元對座椅側板進行網格化建立有限元模型，再加入相應的載荷、約束條件，最后通過MSC.Nastran軟件進行有限元仿真計算。

表1座椅側板計算氣動載荷

2.2 材料

A型、B型、C型座椅側板材料均為7A04，屈服極限σs=410MPa，強度極限σb1=490MPa。

2.3 座椅側板在1100km/h速度條件下的氣動載荷

根據氣動分析得到的A型、B型、C型座椅側板在3種受力狀態下的計算氣動載荷見表1。

2.4 仿真分析策略

根據氣動分析結果，側板受到的氣動合力作用在側板前端。在該載荷作用下，連接側板與前梁的M5螺釘、螺栓主要受拉力。M5螺釘、螺栓（30CrMnSiA）的破壞拉力為14500N。當氣動載荷超過一定值（結構失效載荷），將首先導致最前端的螺釘斷裂；根據力學原理，一旦最前端螺釘斷裂，后面的螺栓將逐個失效，進而側板連接鉚釘斷裂，并最終導致側板在結構薄弱處失效，從而使側板與座椅主體分離。如何得出這一定值，是仿真分析的關鍵。為此采用以下分析策略。

判斷準則：連接側板與前梁的最前端螺釘剛達到其破壞拉力時的氣動載荷為結構失效載荷。

結構失效載荷尋找方法：

第一步：以初始載荷（P0）100N為基點，對連接側板與前梁的螺釘、螺栓處的支反力情況進行仿真分析。

第二步：若側板螺釘處支反力大于螺釘的破壞拉力，則載荷以10N的幅度逐步向下遞減進行計算，當載荷為（P0-10×n）N時的側板螺釘處支反力大于螺釘的破壞拉力而當載荷為［P0-10×（n+1）］N時的側板螺釘處支反力小于螺釘的破壞拉力，則以［P0-10×（n+1）］N為基點，以1N的幅度逐步向上遞增進行計算，直到側板螺釘處支反力達到螺釘的破壞拉力，這時的氣動載荷為結構失效載荷。

若側板螺釘處支反力小于螺釘的破壞拉力，則載荷以10N的幅度逐步向上遞增進行計算，當載荷為（P0+10×n）N時的側板螺釘處支反力小于螺釘的破壞拉力而當載荷為［P0+10×（n+1）］N時的側板螺釘處支反力大于螺釘的破壞拉力，則以（P0+10×n）N為基點，以1N的幅度逐步向上遞增進行計算，直到側板螺釘處支反力達到螺釘的破壞拉力，這時的氣動載荷為結構失效載荷。

3. 仿真結果

3.1 座椅側板在1100km/h速度條件下的結構失效載荷及安全情況

計算得到A型、B型、C型座椅在不同受力狀態下的結構失效載荷見表2。

側板受到氣動載荷作用，當側板氣動載荷小于結構失效載荷時，螺釘不會斷裂，側板處于安全狀態；當側板氣動載荷達到結構失效載荷時，連接側板與椅盆前梁的最前端螺釘斷裂，使得連接側板與椅盆前梁的螺栓逐個失效，最終導致側板與座椅分離，側板處于不安全狀態。將各受力狀態下A型、B型、C型座椅氣動載荷與結構失效載荷進行比較后得到座椅側板的安全性，具體見表2。

3.2 側板應力

當座椅側板氣動載荷達到結構失效載荷時的A型、B型、C型座椅側板應力圖分別如圖4～圖6所示，最前端的螺釘孔周側板應力最大為410MPa，側板材料發生屈服。

表2側板結構失效載荷及其安全性

3.3 加強側板

3.3.1 加強方案

鑒于座椅彈射出艙過程中，高速氣流的吹襲有可能會使乘員腿部碰觸側板，為了保證在1100km/h速度條件、側板自身氣動載荷加上全部腿部氣動載荷下的側板安全性滿足要求，必須對A型、B型、C型座椅側板進行加強：增加側板加強塊，改變側板載荷傳載路線，降低連接側板與椅盆前梁的螺釘（螺栓）的載荷。A型、B型、C型座椅加強后的側板結構模型分別如圖7～圖9所示。

表3加強后的側板及加強塊應力

3.3.2 加強后的側板強度及加強塊強度

在1100km/h速度條件、側板自身氣動載荷加上全部腿部氣動載荷下的A型、B型、C型座椅加強后的側板及加強塊應力見表3，應力圖分別如圖10～圖15所示。

加強塊的材料均為7A04，強度極限σb1=490MPa。A型、B型、C型座椅加強后的側板及加強塊的最大應力均小于材料的強度極限，強度足夠。

3.3.3 連接螺栓強度

根據以上計算得到A型、B型、C型座椅連接螺栓的載荷。連接螺釘、螺栓材料均為30CrMnSiA，強度極限σb2=1080MPa。經過計算，3種型號座椅的連接螺栓均滿足強度要求，安全性得到保證。

結論

綜上所述，得到以下結論：

（a）A型、B型、C型座椅側板受到自身氣動載荷作用及自身氣動載荷加上1/3乘員腿部氣動載荷下的強度足夠，處于安全狀態；當側板受自身氣動載荷加上全部腿部氣動載荷作用時，連接側板與前梁的最前端螺釘斷裂，側板處于不安全狀態。

（b）為保證座椅救生安全可靠，對A型、B型、C型座椅側板進行加強設計。經分析，A型、B型、C型座椅加強后的側板、加強塊及連接件的強度均足夠，滿足安全性要求。

參考文獻

［1］吳曉君， 馮光輝， 張巖. 基于姿態火箭的彈射座椅軌跡控制技術研究［J］. 艦船電子工程，2015（11）：133-136.

中圖分類號：V244

文獻標識碼：A