基于MADYMO的航空座椅約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

1、    基于madymo的航空座椅約束系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計    李杰解江袁鵬馮振宇【摘 要】本文以優(yōu)化某航空座椅約束系統(tǒng)為目的，建立了某假人/座椅約束系統(tǒng)多剛體模型，運用madymo軟件進(jìn)行分析。首先運用某機(jī)型座椅墜撞試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比照，驗證建模方法的有效性。其次建立某型座椅模型進(jìn)行墜撞仿真試驗。最后，采用正交試驗極差分析法，設(shè)計五因素四水平試驗方案，對該航空座椅進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。最終結(jié)果表明：該優(yōu)化設(shè)計方法使得乘員的脊椎載荷減小了11.14%，顯著降低了乘員的損傷風(fēng)險?！娟P(guān)鍵詞】墜撞；航空座椅；正交試驗；仿真0 引言對航空事故的調(diào)查表明，如果飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中考慮

2、墜撞安全性因素，那么92.8%的墜撞事故都將是可生存或部分可生存的，從而可以大大提高乘員的生存率1-2。對于民用飛機(jī)而言，除了滿足基本的飛行要求以外，還必須具有很高的可靠性和安全性，因此開展飛機(jī)結(jié)構(gòu)適墜性的研究非常必要。在飛機(jī)發(fā)生墜撞過程中，主要利用機(jī)身底部的吸能結(jié)構(gòu)，來減緩吸收墜撞的沖擊能量，從而保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性。然而，從提高乘員的生存率的方面考慮，座椅系統(tǒng)是關(guān)鍵設(shè)備，對乘員的安全有重要影響。國外對于航空座椅及假人動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了大量的研究，尤其是包含假人/座椅系統(tǒng)的整機(jī)墜撞研究。1995年，e.schuller等人根據(jù)9g靜力試驗和16g動力試驗的要求對座椅的穩(wěn)定性和乘客的保護(hù)措施進(jìn)行研

3、究，結(jié)果表明嚴(yán)重撞擊引起的座椅變形，將會影響乘員的生存和逃生空間3。2006年，patil a.a對兒童座椅及約束系統(tǒng)的建模和性能進(jìn)行了評估，其利用hypermesh和madymo程序?qū)煞N兒童座椅進(jìn)行有限元建模，并進(jìn)行了動力學(xué)仿真，最終證明了模型的有效性。2008年，john rasmussen和mark de zee等人研究通過優(yōu)化航空座椅的坐墊和靠背等參數(shù)以達(dá)到最佳的空間舒適度和安全性。我國對于航空座椅及其假人動態(tài)響應(yīng)的研究起步較晚，而且主要集中在計算機(jī)仿真研究。2007年，西北工業(yè)大學(xué)的周昊等人，采用ls-dyna軟件建立座椅有限元模型和hybrid型假人多剛體模型，模擬了航空座椅和假

4、人在沖擊中的響應(yīng)過程， 評估了航空座椅結(jié)構(gòu)的動態(tài)沖擊性能。南京航空航天大學(xué)的何歡等人，使用帶有hybrid iii型標(biāo)準(zhǔn)假人的全機(jī)模型進(jìn)行了縱向墜撞分析，并根據(jù)乘員的動態(tài)響應(yīng)，提出了座椅約束系統(tǒng)的設(shè)計改進(jìn)方案。本文以某型航空假人/座椅約束系統(tǒng)多剛體模型為基礎(chǔ)，對座椅靠背角度、坐墊剛度、安全帶剛度和安全帶錨點位置等主要影響因素設(shè)定3種不同水平（變量值），以人體脊椎受力為評價指標(biāo)，采用正交試驗設(shè)計極差分析法進(jìn)行優(yōu)選，得到最優(yōu)化的模型，最后分析優(yōu)化結(jié)果的仿真數(shù)據(jù)，證明優(yōu)化結(jié)果的優(yōu)良性。1 madymo理論基礎(chǔ)本文采用madymo多剛體動力學(xué)仿真軟件，進(jìn)行乘員的運動和動力響應(yīng)計算和分析。乘員與座椅系統(tǒng)

5、由多個剛體所組成，madymo對多剛體系統(tǒng)的動力學(xué)算法采用達(dá)朗伯-拉格朗日方程描述，以剛體來代表座椅系統(tǒng)和假人，各剛體之間的相互作用通過接觸來定義，剛體表面無變形，而作載荷和響應(yīng)數(shù)據(jù)依據(jù)穿透量和接觸特性來計算。因此，僅限于研究乘員的沖擊動態(tài)響應(yīng)問題。2 假人/座椅約束系統(tǒng)建模方法的驗證在madymo軟件建模中，座椅部件、安全帶的建立、假人的調(diào)用和坐姿的調(diào)整，模型中接觸的合理定義，對假人響應(yīng)的正確性起到了決定性的影響。建模方法的準(zhǔn)確合理性，成為了模型是否有效的關(guān)鍵點。因此，首先對標(biāo)仿真模擬md-500型直升機(jī)墜撞試驗，以此驗證建模方法的合理有效性。2.1 試驗簡介2009年12月，美國nasa在

6、langley 研究中心針對md-500直升機(jī)進(jìn)行了全尺寸墜撞試驗8，試驗假人為四點式安全帶的hybrid iii型50百分位男性假人。測得駕駛員座椅處的墜撞速度、加速度脈沖和假人頭部、胸部和盆骨處加速度響應(yīng)。2.2 模型建立由于在試驗中，測得了座椅處的加速度脈沖，因此建立簡化的假人/座椅約束系統(tǒng)模型，其中座椅包括坐墊和靠背的橢球?qū)嶓w。安全帶選用madymo自帶的混合型安全帶，定義有限元安全帶參數(shù)，指定安全帶與假人身體的貼合部位，模塊化建立兩條肩部安全帶和腰部安全帶。然后，采用命令 contact.mb_fe對安全帶與人體部位進(jìn)行接觸定義，其中主面 master_surface選擇人體，從面

7、slave_surface為有限元安全帶。此外，選擇與試驗相同的hybrid iii 型50百分位男性仿真假人，其坐姿按照實際假人坐姿進(jìn)行調(diào)整。將測得的速度及加速度脈沖加載在座椅上，進(jìn)行仿真試驗。2.3 方法驗證由于在墜撞試驗中，垂直z向加速度最大，對人體損傷也最嚴(yán)重，因此選擇輸出頭部、胸部和盆骨處的垂直方向加速度響應(yīng)曲線，與試驗進(jìn)行對照，驗證建模方法的有效性.。在飛機(jī)墜撞事故中，人體為柔性體，器官的載荷響應(yīng)中載荷峰值對人體的損傷最大。同時，頭部損傷作為汽車、航空領(lǐng)域乘員保護(hù)的最重要傷害參數(shù)， 被各國法規(guī)和文件體系所重視。因此，本試驗以頭部加速度為主要指標(biāo)。結(jié)果表明，頭部z向加速度曲線與試驗符

8、合性較好，兩條曲線的波形趨勢大體一致，響應(yīng)曲線峰值為9.75g，而試驗中響應(yīng)曲線峰值為10.01g，兩者相對誤差為2.6%，第二個波峰的時刻與試驗數(shù)據(jù)基本相同。胸部z向加速度響應(yīng)的兩條曲線波形趨勢基本一致。仿真試驗首個峰值時間較試驗數(shù)據(jù)提前15ms，而第二個峰值出現(xiàn)時刻在150ms左右，與試驗數(shù)據(jù)基本符合。此外，對仿真結(jié)果動畫與試驗過程視頻進(jìn)行比較，模型響應(yīng)過程基本一致。對于仿真結(jié)果存在的誤差，分析由于以下原因：1）由于座椅幾何形狀和材料接觸特性不夠精確，模型僅為簡化模型。仿真模型墜落時不考慮空氣等外界阻力的影響，所以仿真結(jié)果的峰值時刻比試驗結(jié)果較早出現(xiàn)，但其波形趨勢大體一致。 2）座椅結(jié)構(gòu)為

9、剛體，僅依靠物體間的接觸特性來描述物體的變形，在碰撞的瞬間，以及假人與座椅接觸的過程，峰值突起劇烈，因此試驗數(shù)據(jù)的曲線比仿真結(jié)果曲線更加平滑。通過以上對md-500直升機(jī)座椅和乘員模型的建立，以及與試驗中乘員頭部、胸部和骨盆的z向加速度動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)對比分析，最終可知，該模型基本上能夠反映出假人的響應(yīng)特征，建模方法有效合理。3 航空座椅約束系統(tǒng)模型3.1 系統(tǒng)模型的建立該假人/座椅約束系統(tǒng)模型包括客艙框段（艙壁和地板）、座椅、約束系統(tǒng)（安全帶）和假人組成。如圖1所示，在madymo軟件中，建立某客艙機(jī)身框段雙排座椅多剛體模型，其中假人采用madymo假人家族庫中faa hybrid 型假人模型。

10、faa頒布的咨詢通告ac25.562-1b建議，假人模型應(yīng)位于座椅中心位置，并依靠在座椅靠背上，大腿放置于座墊上，雙手應(yīng)置于大腿上，假人雙腳至于地板上。同時，咨詢通告ac25.785-1a對乘員安全帶的安裝也做出了要求，將假人調(diào)整到合適的乘員姿態(tài)。此外，同樣選用madymo軟件特有的有限元和剛體的混合型安全帶模型，建立兩點式腰部安全帶。3.2 初始條件的設(shè)定1999年，faa在亞特蘭大的技術(shù)中心進(jìn)行了b737機(jī)身框段的垂直墜撞試驗9，以分析飛機(jī)在墜撞過程中，機(jī)體的結(jié)構(gòu)變形和乘員的響應(yīng)。根據(jù)試驗測得墜撞垂直速度為9.144m/s，以及座椅地板處的速度及加速度響應(yīng)。本試驗以上述faa所做的boei

11、ng 737機(jī)身框段的垂直墜撞試驗為參照，通過速度加載命令initial.joint_vel，設(shè)定與試驗相同的初速度。通過motion.joint_acc命令，將試驗脈沖加載在座椅模型上。3.3 假人響應(yīng)的輸出設(shè)置座椅約束系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)劣性，需要一定的評價準(zhǔn)則，以確定乘員的傷害在可接受的范圍內(nèi)。由于飛機(jī)在垂直墜撞過程中，脊椎受到的損傷最大，對乘員的安全具有重要的影響，因此本文選用脊椎下部受力輸出指標(biāo)。最后對模型仿真計算后，得到假人腰椎下部所受載荷為4.10kn。4 正交試驗的設(shè)計以上述假人/座椅約束系統(tǒng)為原始模型，按照正交試驗的設(shè)計要求，對座椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)定4個變量因素，分別為座椅角度、

12、安全帶錨點位置、相對于原模型的安全帶剛度和坐墊剛度，每一因素選擇3水平（變量），如表1所示。選擇四因素三水平l9 （34）正交試驗表。5 正交試驗參數(shù)分析該試驗的目標(biāo)為脊椎載荷最小，根據(jù)這一原則，可以確定試驗的最優(yōu)結(jié)果為b3a3d3c3，對應(yīng)的仿真模型數(shù)據(jù)及乘員脊椎載荷。如表3所示，最終乘員脊椎載荷減少了11.14%。6 結(jié)論正交試驗設(shè)計作為一種快捷的優(yōu)化設(shè)計方法，在產(chǎn)品設(shè)計初期具很強(qiáng)的實用性。對于正交試驗數(shù)據(jù)的處理，往往采用極差分析法，具有簡單易懂，計算量少，快捷高效的優(yōu)點。本文基于以上考慮，在航空座椅設(shè)計初期，采用正交試驗極差分析法，基于madymo軟件，以優(yōu)化某航空座椅約束系統(tǒng)為目的，首

13、先，建立簡化的md-500直升機(jī)座椅/假人模型，并與墜撞試驗數(shù)據(jù)對照，驗證建模方法的有效性。其次，建立客艙機(jī)身框段假人/座椅約束同模型，按照法規(guī)對假人姿態(tài)及安全帶進(jìn)行調(diào)整，參照b737墜撞試驗，對其進(jìn)行墜撞仿真試驗。最后，采用正交試驗極差分析法，設(shè)計四因素三水平正交試驗方案，對該航空座椅進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，同時分析得到影響評價目標(biāo)的各因素主次性排序。最終結(jié)果表明：該座椅模型運用正交試驗設(shè)計方法，可以使得乘員的脊椎載荷減小11.14%，顯著降低了乘員的損傷風(fēng)險，改善了座椅的乘員安全性?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1shanahan df， shanahan mo. kinematics of u.s. army helicopter crashes： 1979