飛機彈射座椅的隨機振動響應仿真與試驗對比分析

李 雷,白雅潔,何新黨,王海云

(1.中國飛行試驗研究院， 西安 710089； 2.西北工業大學 力學與土木建筑學院，西安 710129)

飛機彈射座椅是在緊急情況下載飛行員彈離飛行器，使飛行員安全返回地面的裝備[1]。飛行器在空中高速飛行時，機身會不可避免地產生復雜的隨機振動激勵[2]。由此引起彈射座椅相關的振動環境，可能造成彈射座椅及椅載設備損壞，在關鍵時刻影響飛行員的生命安全。因此，在彈射系統的設計過程中，必須充分考慮彈射座椅椅載設備在隨機振動環境的動力響應。

飛機彈射座椅結構復雜，椅載設備多，隨機動力響應仿真計算困難，缺乏成熟規范的方法。國內外目前大多采用振動試驗進行彈射座椅隨機振動分析，其缺點是費時費力，成本高昂[3]；而采用振動仿真方法能夠保證低成本、高效率獲得彈射座椅響應[4]，且具有較高的可靠度，因此需要對彈射座椅進行振動仿真。以往進行隨機振動數值仿真模擬的對象大都模型零件較少，組成結構較簡單，如Hanna[5]對汽車環抱死剎車系統中的電子控制元器件進行了隨機振動仿真分析，用試驗驗證；Chan Kyu Choi[6]對旋轉梁進行了隨機振動分析;季享文[7]對飛機阻力傘鎖隨機振動載荷環境進行了研究;羅楊陽等[8]對空空導彈的吊掛進行了隨機振動仿真，劉威等[9]對火箭發射裝置炮口進行了振動響應分析等等，但從中形成的仿真方法未考慮復雜結構的模型處理。由于彈射座椅上裝有眾多實現彈射救生功能椅載設備，且連接形式多變，在數值仿真方面技術難度較大，缺乏相關研究。

本文以某型彈射座椅為研究對象，借助有限元分析軟件對彈射座椅的振動響應仿真問題展開研究，結合有限元建模的基本原則，分析座椅結構特點及振動特性，總結出座椅有限元模型的處理方法，計算該座椅在耐久載荷譜下的隨機響應，并將響應結果與試驗結果對比，以椅背火箭為例，利用灰色關聯度的方法比較測點位置處的隨機響應加速度均方根值及加速度功率譜密度曲線和關聯程度。該計算得到的結果可揭示彈射座椅隨機振動規律，對彈射座椅的結構設計具有指導意義，仿真方法可為復雜結構的振動仿真提供參考。

1 彈射座椅的模型處理方法

由于座椅模型太繁雜，故先要對模型簡化處理。幾何模型處理地合理與否很大程度上決定了振動仿真結果是否正確。模型處理要遵循三個基本簡化原則，一是保證傳力路徑不發生變化；二是保證零件連接和實際情況一致；三是保證主結構的完整性。其次要明確仿真目的，考慮本次進行振動仿真，故簡化過程中，要保證模型質量、質量分布及剛度不發生改變，選取合適的阻尼值，并兼顧計算精度、計算速度和經濟性。此外，還要熟悉座椅的結構特點，了解工作原理，明確各零部件的連接方式，根據各零部件功能確定模型的結構件、功能件及裝飾件。本文研究的座椅三維模型如圖1所示，其主要由椅盆、滑軌和彈射筒組件組成，其中椅盆主要由上梁、下梁、前梁、側板等結構件組成。座椅通過上下掛點固定在飛機座艙內，并通過滑軌與彈射筒連接，滑軌的導槽與4對滑塊相配合，彈射筒分為內筒和外筒。緊急情況下，飛行員拉動彈射手柄，啟動彈射分離系統，彈射筒內筒、滑軌及椅盆沿著導槽彈射出座艙外。

模型處理的第一步是要區分出主結構件和非主結構件。根據研究對象來確定零件的取舍：若研究對象是主結構件，則只保留主結構件及其連接件；若研究對象是非主結構件，則保留主結構件、研究對象及其連接件，其余零件用質量點代替。本文最終需輸出椅載設備處(非主結構件)的隨機響應，因此忽略坐墊、靠墊等舒適性組件及不必要的功能件，保留主結構件、關心的椅載設備及其連接件。例如座椅的主結構件滑軌組件原模型如圖2所示，省去部分零件后滑軌組件模型，如圖3所示。

圖1 某型座椅的三維模型

圖2 滑軌組件原模型

圖3 零件取舍后滑軌組件模型

模型處理的第二步是將保留的結構進行簡化，其簡化方法為：

1) 在確保關注部位有限元分析精度的前提下可以填充和修改局部結構，盡可能地簡化主結構件的棱角、小凸臺、小凹槽等幾何模型細節特征，對于剛度影響較大的須保留。如某型彈射座椅的椅盆幾何模型處理前后如圖4、圖5所示。

圖4 椅盆幾何原模型

2) 椅載設備分為結構式椅載設備和電子式椅載設備。對于結構式椅載設備，盡量去除倒角、圓角等，其與座椅連接位置處圓角盡量保留；對于電子式椅載設備，由于其內部結構非常復雜，須用與原模型外形相近的殼體表示，質量屬性采用添加質量元的方式實現，但它與座椅連接關系應保持不變。如某型彈射座椅電子式程控器的幾何模型處理前后如圖6、圖7所示。

圖5 簡化后椅盆幾何模型

圖6 程控器原幾何模型 圖7 簡化后程控器幾何模型

3) 激勵輸入位置和傳力部件的簡化，須保證其結構基本不變，保證模型初始激勵的準確施加，傳力路徑基本與原模型一致，以確保響應結果的正確輸出。

4)主結構件與功能件及裝飾件的連接位置盡可能保留；填充距測點位置較遠的小孔，避免在孔周圍發生應力集中導致響應結果不理想。

根據上述方法，最終某型座椅模型經簡化處理后如圖8所示。

圖8 某型座椅的簡化模型

2 彈射座椅的有限元模型

將模型導入有限元分析軟件MSC.Patran中，座椅在裝機狀態下椅盆與滑軌成22°夾角，如圖4、圖5所示。人-椅系統坐標系坐標原點O位于導軌上梁上表面中心與縱向對稱平面的交點，OY軸沿彈射軸線向下，OX軸垂直于OY軸沿航向向前為正，OZ軸按右手螺旋法則確定。人-椅系統(第95百分位假人，座椅處于低位)的總質量為196 kg，質心位置為(250 mm，814 mm，0 mm)。

由于座椅的零部件眾多，故對其進行有限元網格劃分時整個座椅模型采用四面體網格，其中單元數為 734 073個，節點數為 158 654個。振動試驗中所用到的假人模型為第95百分位的剛性假人，且該研究的目的是為了得到椅載設備處的振動響應，不考慮假人處的響應，故在有限元仿真中只考慮將假人簡化為質量點固連到彈射座椅模型上。座椅的振動計算模型如圖9所示。

圖9 某型座椅振動計算模型

某型彈射座椅中多數零部件采用7A04-T6，有的零部件由于其特殊的工作環境選擇為TC4和30CrMnSiA。其材料性能如表1所示。依據GJB150的相關規定，得到該座椅與機艙相連的上下掛點處的耐久加速度載荷譜如圖10所示。

表1 主要材料及物理特性

圖10 飛機座艙振動耐久加速度載荷譜

3 結果分析

3.1 隨機響應仿真結果

如圖11所示，為彈射座椅在垂向加速度激勵下的隨機振動加速度響應均方根云圖。可以看出，在傘箱的前板和椅盆側板處的加速度均方根較高，輸入的振動總能量偏大；在滑軌和彈射筒處的加速度均方根相對較小，輸入的振動總能量偏小，仿真結果與試驗結果相一致。因此在彈射座椅的結構設計過程中，考慮到環境載荷的影響，選擇將程控器、開傘器等易損壞的電子器件安裝在導軌上相較于椅盆上而言，其振動環境相對沒有那么嚴苛，符合工程實際情況。

圖11 垂向加速度激勵下彈射座椅隨機振動加速度響應均方根云圖

3.2 仿真結果與試驗結果對比分析

對試驗件進行檢查，未發現異常后，按規定要求安裝好試驗件與座椅系統，保證各緊固部分連接牢固可靠。傳感器測試軸為試驗軸向。試驗系統的組成框圖如圖12。

圖12 彈射座椅隨機振動試驗系統框圖

其中，1為隨機信號源；2為均衡系統；3是功率放大器；4是振動臺；5是座椅系統；6、7是加速度傳感器；8是電荷放大器；9是磁記錄器；10是數據處理裝置

檢測件為左側椅背火箭、程控器、開傘器，將傳感器設置在盡量靠近椅載設備安裝位置處。試驗時傳感器測點位置如圖13～圖15所示，通過磁記錄器和數據處理裝置得到測點傳感器安裝位置處的響應曲線，與仿真曲線進行對比，來驗證仿真曲線的正確性。下面對椅載設備測點處的響應結果與試驗結果進行對比。以椅背火箭測點處為例：

圖13 椅背火箭測點位置圖14 程控器測點位置

圖15 開傘器測點位置

3.2.1仿真結果與試驗結果的加速度均方根值(RMS)對比

總加速度均方值[10]代表加給試件的總振級，即輸給試件的總能量。與振動試驗得到的均方根值對比，可以用來判斷振動仿真給椅載設備輸入的總能量是否與試驗相同，從而初步判斷仿真方法正確與否。當仿真與試驗值誤差小于10%時，認為仿真結果基本正確。圖16為椅背火箭測點處的垂向加速度功率譜密度曲線以及加速度均方根值。

圖16 椅背火箭測點處垂向加速度功率譜密度曲線

與試驗所得加速度均方根值進行誤差計算，椅背火箭測點處RMS仿真=5.338 g，該位置處實測均方根加速度值為RMS實測=5.067 7 g，其誤差為：

|RMS實測-RMS仿真RMS實測|×100%=

|5.067 7-5.3385.067 7|×100%=5.334%<10%

3.2.2基于灰色關聯分析的仿真與試驗加速度功率譜密度曲線的相似程度對比

首先進行直觀對比，將椅背火箭測點處的加速度功率譜密度曲線輸出并導入Matlab中。提取測點處試驗曲線的若干點，在Matlab中進行曲線擬合，得到椅背火箭測點處的仿真曲線與試驗曲線，如圖17所示。對比發現，仿真曲線的幅值和趨勢與試驗曲線大致相同。

其次，為了定量衡量仿真曲線與試驗曲線的相關程度，利用灰色關聯方法對其進行曲線關聯度計算。將試驗曲線作為參考對象，仿真曲線作為比較對象。故仿真曲線與試驗曲線在各時刻(即曲線中的各點)的關聯系數ε0i(k)可由下式[11]算出：

(1)

圖17 椅背火箭上測點處仿真曲線與試驗曲線對比

則關聯度γ公式如下：

(2)

利用式(1)、式(2)計算椅背火箭上測點的曲線關聯度，提取試驗曲線數據如表2所示，仿真曲線及差值數據如表3、表4所示。

表2 椅背火箭試驗曲線數據

表3 椅背火箭仿真曲線數據

表4 椅背火箭試驗曲線與仿真曲線差值數據

取ρ=0.5，由表4可知Δ(min)=0.001，Δ(max)=0.028。由(1)、(2)式計算得兩曲線關聯度為：γ=0.815。

關聯度越接近1表示仿真曲線與試驗曲線的相關程度越高，一般關聯度高于0.7認為參考對象和比較對象的相關程度高[10]。椅背火箭處的曲線關聯度是0.815，滿足工程實際要求。

4 結論

1) 從彈射座椅隨機振動加速度響應均方根云圖中可看出各部件的振動載荷環境；

2) 輸出彈射座椅椅載設備測點位置處的加速度功率譜密度曲線，采用灰色關聯度的方法對仿真與試驗進行對比，通過比較加速度均方根值及曲線關聯度值，定量地衡量其相關程度，仿真與試驗結果吻合較好。

3) 建立了有效可行的座椅模型處理方法，可以為其他結構復雜、零件繁多的大型機械結構的振動仿真研究提供參考。