航空座椅抗墜毀環(huán)境模擬技術(shù)分析

鄧先來，王 翔

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

航空座椅抗墜毀環(huán)境模擬技術(shù)分析

鄧先來，王 翔

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

針對不同規(guī)格及可生存墜毀概率條件下航空座椅所承受墜毀瞬間的沖擊載荷各不相同這一狀況，對座椅抗墜毀環(huán)境模擬裝置液壓緩沖吸能系統(tǒng)建立了物理學模型，應用數(shù)值仿真分析得出不同參數(shù)變量及試驗工況對沖擊環(huán)境波形的影響，最后應用優(yōu)化算法，通過改變投放質(zhì)量及開孔面積得到符合試驗要求的沖擊波形。

航空座椅；環(huán)境模擬；緩沖吸能

0 引言

抗墜毀設計是直升機設計當中必須考慮的因素，在直升機意外墜毀時，起落架系統(tǒng)、機體及座椅裝置，通過吸收瞬間沖擊能量，可以有效提高機組人員的生存率。航空座椅裝置作為吸收剩余能量的最后一道防線，它傳遞到乘員身上的過載，是否超出人體耐受極限，直接決定了乘員的生命安全，因此直升機座椅的抗墜毀性能成為直升機設計的重要指標。而對直升機座椅進行抗墜毀試驗，是獲取直升機座椅抗墜毀性能，驗證座椅是否滿足抗墜毀設計要求的重要途徑。縱觀國內(nèi)，有能力承擔航空座椅抗墜毀試驗任務的科研廠所還為數(shù)不多，其重要原因就是對座椅抗墜毀環(huán)境模擬較為困難，限制了該項試驗的發(fā)展。因此，能否有效模擬航空座椅墜毀瞬間的沖擊環(huán)境決定了試驗的成敗。文章在前人研究成果的基礎(chǔ)上，應用數(shù)值仿真的方法對試驗室座椅抗墜毀環(huán)境模擬裝置液壓緩沖吸能系統(tǒng)進行了研究分析，通過建立物理學模型和數(shù)值分析得出該環(huán)境模擬裝置各參數(shù)變量及不同試驗工況對沖擊載荷波形的影響，從而為緩沖吸能裝置的前期設計、后期改進和試驗過程中選擇合適的配重及開孔方案提供理論參考。最后基于Matlab平臺[1]，應用優(yōu)化算法，通過改變投放質(zhì)量及開孔面積得到符合試驗要求的沖擊波形，以滿足不同規(guī)格及可生存墜毀概率條件下的座椅抗墜毀試驗。

1 環(huán)境模擬裝置理論分析

1.1環(huán)境模擬裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

試驗臺整體布局示意圖及緩沖吸能裝置結(jié)構(gòu)示意圖分別見圖1、圖2。其中：M：運動結(jié)構(gòu)體質(zhì)量；Ft：壓縮空氣彈性力；f：阻尼力和摩擦力；x=h+h水：活塞行程。(說明：①緩沖吸能裝置結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及試驗工況的改變均會對生成的環(huán)境模擬載荷譜產(chǎn)生影響，具體結(jié)果參見數(shù)字仿真分析章節(jié)。②緩沖吸能裝置外筒阻尼孔開孔分別沿圓周方向和軸向均勻分布，在使用過程中對其進行優(yōu)化后依然盡量保持其均布特性，從而保證阻尼力的穩(wěn)定性。③緩沖吸能裝置一旦設計出來并投入運行，其主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)就已經(jīng)固定，這時可以方便改變和調(diào)整的參數(shù)就只剩下運動結(jié)構(gòu)部件質(zhì)量M和開孔總面積S，因此在參數(shù)優(yōu)化分析時文章只選擇了優(yōu)化變量M、S進行計算分析。)

1.2阻尼孔流量方程[2]

根據(jù)水利學知識，不同的孔口類型，其對應的流量公式也會有所不同，按照阻尼孔長度L與孔口直徑d的比值大小，可以把孔口劃分以下三種類型：

薄壁孔：L/d≤0.5

短 孔：0.5

細長孔：L/d>4

其中：q：孔口流量；ρ：液體密度(水的密度：1.0×103kg/m3)；ΔP：阻尼孔兩側(cè)壓力差；Cd：流量系數(shù)；(取值范圍：0.6～0.65)；Ak：小孔通流面積；η：液體動力粘度；l：阻尼孔長度；d：阻尼孔直徑。

1.3流量連續(xù)方程

Δt時間內(nèi)阻尼孔流出液體體積：-N·q·Δt；

根據(jù)液壓吸能裝置內(nèi)筒活塞行程與體積變化的關(guān)系可以得到以下方程：

則：

其中：Ah：活塞有效截面面積；x：活塞行程；Vk：空氣體積，Vk=(S2-x+h水)；Vs：流動阻尼介質(zhì)體積，Vs=(S1-h水)；Δt：時間間隔；N：產(chǎn)生阻尼力的阻尼孔數(shù)量；ΔP：壓強差。

1.4運動方程

根據(jù)牛頓第二定律對緩沖吸能裝置進行受力分析可以得到：

則：

2 方程求解

由以上分析可以得到一階微分方程組：

由環(huán)境模擬裝置的工作原理可以得到方程組的初始條件：

P(0)=0，v(0)=vmax，x(0)=0

以上方程組建立了所研究對象的數(shù)學模型，為了獲取系統(tǒng)的動態(tài)響應信息，需要選擇一種合適的算法對其進行求解。上述狀態(tài)方程是以常微分方程組的形式存在的，目前用于求解微分方程的數(shù)值方法也有若干種，每一種方法都各有優(yōu)缺點。在求解一階微分方程組領(lǐng)域，龍格庫塔法比較有優(yōu)勢，這種方法運算速度快、求解效率高，應用也最為廣泛。因此，本文采用龍格庫塔法作為該方程組的計算方法，利用其公式轉(zhuǎn)化后的數(shù)值仿真模型表達如下：

中華人民共和國成立前的軍用糧票種類豐富，這是我黨我軍在特定歷史條件下的必然產(chǎn)物，極其珍貴，但其種類還無法統(tǒng)計完全，有待繼續(xù)挖掘和考證。

Kp1=fp(Pn，vn，xn)

Kp4=fp(Pn+HKp3，vn+HKv3，xn+HKx3)

Kv1=fp(Pn，vn)

Kv4=fv(Pn+HKp3，vn+HKv2)

Kx1=fx(vn)

Kx4=fx(vn+HKv3)

式中：Pn：當t=n時刻環(huán)境模擬系統(tǒng)腔內(nèi)的壓強；vn：當t=n時刻環(huán)境模擬系統(tǒng)內(nèi)筒活塞與試驗件的速度；xn：當t=n時刻環(huán)境模擬系統(tǒng)內(nèi)筒活塞與試驗件的位移；H：數(shù)值積分的步長。

在本文中，考慮到環(huán)境模擬裝置系統(tǒng)響應較快，狀態(tài)變量值隨時間有大幅度的變化，出于計算速度和計算精度兩方面的權(quán)衡，取計算步長H=0.0002。

3 數(shù)值仿真分析

3.1沖擊環(huán)境模擬分析

緩沖吸能裝置[3]模擬沖擊環(huán)境原理：試驗室所用緩沖吸能裝置通過壓縮空氣產(chǎn)生彈性恢復力，并且借助流動介質(zhì)孔口出流消耗瞬態(tài)沖擊質(zhì)量的動能，從而達到緩沖吸能的效果。在該裝置工作過程中，其沖擊載荷譜的形狀及幅值與投放質(zhì)量M、活塞內(nèi)筒有效截面直徑D1、活塞內(nèi)筒長度S2等以及沖擊工況和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)有密切的關(guān)系。本節(jié)就對緩沖吸能裝置各項參數(shù)對載荷譜的影響進行分析，并根據(jù)試驗需要對運動部件質(zhì)量M和活塞外筒開孔面積S參數(shù)進行優(yōu)化，從而獲得航空座椅抗墜毀試驗所需要的沖擊波形。

已知：目前試驗室投入運行的座椅抗墜毀環(huán)境模擬裝置的結(jié)構(gòu)尺寸及特性參數(shù)如下：

活塞桿截面直徑：D1=260mm；活塞桿長度：S2=1000mm；阻尼孔開孔總面積：S=4·π·d2·(n+1)mm2(注：開孔均布)，其中：d=25mm，n=18；阻尼系數(shù)：c=2。

圖3及表1仿真結(jié)果給出了緩沖吸能裝置各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對沖擊波形的影響。

綜合以上分析，對沖擊波形的影響因素可分為以下兩種類型：

沖擊工況參數(shù)影響：M，v。

結(jié)構(gòu)尺寸及特性參數(shù)影響：D1，S2，c，S。

其中，D1，S2與結(jié)構(gòu)的尺寸有關(guān)，c，S與結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。

由于座椅抗墜毀試驗響應信號具有響應迅速及快速衰減的特點，因此在環(huán)境模擬裝置設計的初級階段要求模擬裝置本身的活塞截面直徑D1、開孔總面積S、及阻尼系數(shù)c要足夠大，活塞桿長度S2要足夠短，才能保證環(huán)境模擬裝置的響應信號迅速衰減。綜合考慮以上限制條件(比如試驗臺架尺寸決定了活塞截面積不能無限大；沖擊過程中活塞桿有效行程決定了活塞桿長度不能過短；為了防止試驗沖擊后的回彈，開孔面積不能取值太小等)，在環(huán)境模擬裝置初始設計階段要選擇合適的尺寸及特性值，來最大限度地滿足各種試驗工況的需要。在后續(xù)的座椅抗墜毀試驗中，針對不同的座椅可生存墜毀概率試驗，其瞬態(tài)沖擊速度是相對應的，并且是一個固定值，因此試驗過程中只考慮投放質(zhì)量M的影響，同時環(huán)境模擬裝置的開孔均為螺栓孔并且配備了相應的堵帽(通過安裝和拆卸堵帽可以改變環(huán)境模擬裝置的開孔面積)。綜合以上分析，在處理不同的試驗工況時，可以通過改變投放質(zhì)量M及開孔總面積S來獲得滿足試驗要求的沖擊波形，由于上述兩種因素的選擇并不是任意組合的，為了獲得合適的組合數(shù)值，本文應用數(shù)學優(yōu)化方法對其進行了求解，進而獲取兩種數(shù)值組合的可行域。

表1 各參數(shù)變量增加時對沖擊波形參數(shù)值的影響

注：↑：數(shù)值增加；↓：數(shù)值減少；?：數(shù)值無變化。

3.2模擬環(huán)境裝置參數(shù)優(yōu)化[4]

根據(jù)試驗任務的要求，已知某試驗工況下沖擊波形的形狀和幅值有了明確的規(guī)定，為了模擬該工況下的沖擊波形(見圖4)，本文選擇M，S作為優(yōu)化變量，通過數(shù)值求解，得到了一組可行域(見圖5)，在可行域范圍內(nèi)選擇M，S任意一組數(shù)據(jù)組合，均可以滿足該項試驗沖擊載荷譜(見圖6)的要求。

目標函數(shù)：max(a)。

優(yōu)化變量：M，S。其中：M≥MmaxSmin≤S≤Smax(Mmax=150kg,Smax=0.25·pi·0.0252·12,Smax=0.25·pi·0.0402·12)。

約束條件：24g≤max(Gp)≤28g且 0.0292s≤t≤0.0584s。

4 試驗對比分析

已知本次試驗要求瞬態(tài)沖擊速度v=10.2m/s,為了獲得滿足試驗要求的沖擊載荷譜，借助仿真分析及參數(shù)優(yōu)化，本次試驗在可行域范圍內(nèi)選擇了一組數(shù)據(jù)組合，開孔面積S取值0.1119m2，投放質(zhì)量M取值為275kg，試驗開始前通過安裝堵帽及改變配重的方式完成優(yōu)化后的參數(shù)值。

把仿真數(shù)據(jù)與試驗所得響應曲線(見圖7)進行對比分析，曲線形狀和變化趨勢比較相符，表明數(shù)值仿真計算方法是正確的，可以為座椅抗墜毀環(huán)境模擬裝置的設計、改進及試驗時選擇合適的配重及開孔方案提供理論依據(jù)。

5 結(jié)論

本文應用理論分析與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，對航空座椅抗墜毀環(huán)境模擬裝置進行了研究分析，得出了環(huán)境模擬裝置各參數(shù)及試驗工況對模擬沖擊載荷譜的影響。然后，借助優(yōu)化算法對投放質(zhì)量和開孔面積進行計算分析，得到試驗所需要的沖擊環(huán)境載荷譜。最后，把試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行對比，二者結(jié)果基本吻合，證明了文章選用分析方法是正確的，可以為航空座椅抗墜毀環(huán)境模擬裝置在設計、改進及試驗時選擇合適的配重及開孔方案提供一定的理論參考，滿足不同規(guī)格及可生存墜毀概率條件下的座椅抗墜毀試驗要求。

[1] 王 濟,胡 曉.Matlab在數(shù)據(jù)處理中的應用,第1版[M].北京:中國水利水電出版社,2006:259.

[2] 黃儒欽.水力學教程,第3版[M].成都:西南交通大學出版社.2006:174.

[3] 楊 利，牟讓科.阻尼孔可調(diào)式緩沖器的性能分析[C].沈陽:全國振動工程及應用學術(shù)會議，2010.

[4] 孫 爽.多孔式液壓緩沖器仿真與優(yōu)化設計[D].大連：大連理工大學,2006.

StudytheSimulationTechniqueofAnti-CrashEnvironmentaboutAirlineSeat

DENG Xianlai, WANG Xiang

(China Helicopter Research and Development Institute, Jingdezhen 333001, China)

According to the different specifications and survive probability of crash conditions, airline seat bears different crash load, this article established a physics model of the anti-crash environment simulation equipment for hydraulic buffer energy absorbing device, by numerical simulation analysis to gain different parameters and test conditions on the impact of variables that affect the waveform, finally used optimization algorithm, by changing the delivery quality and hole area can meet the requirements of the shock wave of test.

airline seats; environment simulation; energy absorption

2016-10-24

鄧先來(1984-)，男，河南周口人，碩士，工程師，主要研究方向：振動及抗墜毀。

1673-1220(2017)04-023-06

V216.5+5

A