一种直升机适坠座椅的动态设计方法

摘要

本发明提供了一种直升机适坠座椅的动态设计方法，包括获得坠毁过程中座椅的典型外部冲击载荷，以典型外部冲击载荷、人员典型质量、身体典型刚度作为设计输入，建立系统动力学方程，根据翻卷管吸能器的线弹性刚度，将系统动力学方程变化为分段响应形式，得到离散微分方程组，根据离散微分方程组计算得出人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷，根据人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷修订翻卷管参数与座椅刚度。本发明通过对直升机坠毁冲击过程进行力学建模，从系统动态响应的视角形成适合抗坠毁座椅设计的动态力学模型，通过系统动态响应结果展开抗坠毁设计，能客观分析出各影响因素对人体腰椎动态载荷的影响，降低设计周期。

说明书

技术领域

本发明属于直升机救生与机上设备系统领域，具体涉及一种直升机适坠座椅的动态设计方法。

背景技术

国内直升机适坠座椅的传统设计主要是根据人体在坠毁过程中的可承受载荷设计翻卷管吸能装置的翻卷力：

F_翻卷＝F_{人体可承受}/λ₁

其中：λ₁——动响应系数，根据大量试验经验获得。

国内现有设计方法是一种半经验的准静态设计，其设计过程必须通过大量实验获得动响应系数，将人体可承受的动态惯性载荷转化为座椅翻卷管稳定的翻卷力。整个设计过程中人体刚度、座椅结构刚度、以及各种阻尼在坠毁过程中的对人体响应载荷的影响全部由动响应系数决定，座椅各部分(主结构、吸能装置、束带装置)的设计无关联性，故现有设计方法无法体现座椅结构刚度、以及各种阻尼对人体响应载荷的影响。由于传统的设计归根结底是一种静态的设计方法，很难体现系统的动态特性，且响应系数由试验给出，设计成本很高。

例如，专利号为CN 103249643A的中国发明专利中提到了一种航空座椅椅盆与椅管的连接固定装置，其特征在于：在椅盆与椅管间增加一连接装置装置，连接装置采用半圆形卡箍结构，其一端固定在椅盆的底面，另一端与椅管进行装配的装配端设有缺口；所述的连接装置采用弹性材料制成，连接装置分为两组，每组均为若干个，每一组的中轴线均在同一条直线上，两组连接装置之间的距离等于椅管之间的距离。

再如，专利号为CN201729274U的中国实用新型专利中提到了一种减震弹射座椅，在椅背和椅座上设有橡胶压缩块。该实用新型的主要优点是飞行员在遇到弹射等突发情况时，减少受伤的概率。另外在飞行员驾驶战斗机做正向的大过载时也会减少飞行员的痛苦。在正常驾驶飞机时，飞行员也会感到更加舒适。

再如，专利号为CN201313634的中国实用新型专利提到了一种整体吸能航空座椅，该实用新型采用整体式的椅腿，即前椅腿和后椅腿互相联系，在飞机坠地过程中，支撑杆可将飞机坠地产生的能量传递给斜杆，使斜杆变形，从而有效地吸收冲击能量，达到保护乘员的目的。

发明内容

为了体现系统的动态特性，本发明提供了一种直升机适坠座椅的动态设计方法，包括：

第一步、获得坠毁过程中座椅的典型外部冲击载荷；

第二步、以典型外部冲击载荷、人员典型质量、身体典型刚度作为设计输入，建立系统动力学方程；

第三步、根据翻卷管吸能器的线弹性刚度，将系统动力学方程变化为分段响应形式，得到离散微分方程组；

第四步、根据离散微分方程组计算得出人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷；

第五步、根据人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷修订翻卷管参数与座椅刚度，设计出具体座椅结构。

优选的是，对设计出的座椅结构进一步包括强度校核。

上述方案中优选的是，所述第五步包括迭代算法进行最优求解。

上述方案中优选的是，所述第四步中，通过隐式NEWMARK平均加速迭代算法进行求解。

上述方案中优选的是，所述第二步的建模过程包括将模型设定为人体刚度和人体阻尼集中体现在人体躯干的步骤。

上述方案中优选的是，所述建模过程包括将人体质量离散为上半身质量和下半身质量，并将座椅质量附加到人体下半身质量中去的步骤。

上述方案中优选的是，所述动力学方程组为：

其中，M，C，K为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，s为座椅坠地时的冲击位移，t为对应的时间。

本发明通过对直升机坠毁冲击过程进行力学建模，从系统动态响应的视角形成适合抗坠毁座椅设计的动态力学模型，能客观分析出各影响因素对人体腰椎动态载荷的影响，从而指导参数的设计。本发明可大大降低设计成本，降低设计周期。

附图说明

图1为本发明直升机适坠座椅的动态设计方法的一优选实施例的力学分析示意图。

图2为本发明图1所示实施例的建模示意图。

图3为本发明图1所示实施例的翻卷力与响应载荷关系示意图。

图4为本发明图1所示实施例的座椅及吸能装置综合刚度与响应载荷示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明提供了一种直升机适坠座椅的动态设计方法，包括：

第一步、获得坠毁过程中座椅的典型外部冲击载荷；

第二步、以典型外部冲击载荷、人员典型质量、身体典型刚度作为设计输入，建立系统动力学方程；

第三步、根据翻卷管吸能器的线弹性刚度，将系统动力学方程变化为分段响应形式，得到离散微分方程组；

第四步、根据离散微分方程组计算得出人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷；

第五步、根据人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷修订翻卷管参数与座椅刚度，设计出具体座椅结构

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明中直升机适坠座椅动态设计方法综合考虑人体与座椅的重量、刚度以及阻尼在整个坠毁过程中对坠毁各阶段的影响，动态地分析和仿真坠毁过程中各阶段人体腰椎响应力与吸能力间的关系来指导座椅的结构与吸能装置的设计。

本发明通过对直升机坠毁冲击过程进行力学建模，如图1及图2所示，从系统动态响应的视角形成适合抗坠毁座椅设计的动态力学模型，通过系统动态响应结果展开抗坠毁设计。本发明的主要实施步骤如下：

1.根据坠毁过程统计规律，得出坠毁过程中座椅的典型外部冲击载荷。

2.以典型外部冲击载荷、人员典型质量、身体典型刚度等作为设计输入，建立系统动力学方程：

1)将模型设定为人体刚度和人体阻尼集中体现在人体躯干，如此可以在体现出人体腰部对系统本质影响的同时，大大简化计算模型；

2)人体质量离散为上半身质量和下半身质量，并将座椅质量附加到人体下半身质量中去，如此可以最大限度的简化计算模型，同时由于该简化不改变腰椎以上的系统，故简化模型的同时不影响腰椎以上的系统。

3)为了体现座椅吸能装置刚度、阻尼和座椅结构刚度、阻尼的影响，将该部分视为无质量的刚度、阻尼系统进行串联(如图1所示)。对于腰部载荷计算，必须如此构建离散系统，才可以在使用人体上半身、人体下半身+座椅进行离散建模而不影响腰椎处载荷计算结果。

3.通过以上模型的建立，可以使用“直接刚度”法快速建立动力学方程组：

其中，M，C，K为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，s为座椅坠地时的冲击位移，t为对应的时间，式中还包括一阶导与二阶导。由于结构使用的是翻卷管式吸能器，故需对C矩阵做处理，形成分段，同时刚度矩阵K中关于吸能器刚度应直接考虑翻卷管吸能器的线弹性刚度，当吸能装置进入吸能阶段时，屈服力转化为稳态阻尼形式(与系统动态参数无关)计入阻尼矩阵，因此可将计算方程变化为分段响应形式。又由于设计仅关注冲击阶段腰部的峰值载荷，故计算可进一步简化并进行时间分段离散计算，方程组如下：

4.得到离散微分方程组后，需要求解该瞬态冲击动力学系统。对该坠毁过程的具体动力学方程组进行NEWMARK方法的程序编写，使用隐式NEWMARK平均加速迭代算法进行求解：

1)首先构造载荷子程序。将典型冲击载荷与稳态阻尼结合，构造出方程组右边项计算的子程序。

2)根据该方程组，编写NEWMARK子程序。将质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵、载荷向量、时间离散向量、动力系统初值、NEWMARK算法系数(M,K,C,F,t,xva0,parameters)作为输入接口参数；然后根据时间离散情况和算法系数构造8个NEWMARK系数，并结合M、C、K矩阵构造等效静态刚度矩阵和NEWMARK迭代。最后输出计算得到的系统每个自由度的动力学参数：位移、速度、加速度。

3)进行人体腰椎动态载荷主程序和敏感度分析主程序的编写。动态载荷计算主程序首先识别各个自由度加速度响应，然后结合人体上半身质量系数(根据人体工程学，可以考虑人体上半身质量与人体总质量的比例在统计意义上是恒定的)进行惯性载荷计算，考虑到人体腰椎是冲击过程中上半身主要的传力路径，从而可得出人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷，进而得到吸能装置翻卷力与响应载荷之间的关系，如图3所示。敏度分析程序是在动态载荷计算主程序基础上加上循环计算结构即可实现参数向量和腰椎动态载荷的敏度分析。

5.结合人体工程学和设计要求，可以使用该程序对关键设计参数(翻卷管参数、座椅刚度)进行敏感度分析，参考图3及图4，其中图4为座椅吸能装置综合刚度与响应载荷之间的关系，根据分析结果进行迭代设计，使得计算出的动态峰值载荷满足人体工程学和适航要求。

6.使用迭代设计得到的特性参数作为结构详细设计的目标，在最终实现具体的结构设计。

7.最后对结构进行强度校核。

本发明的关键技术点如下：

1.本发明创新性地建立直升机适坠座椅的动态分析力学模型，并根据力学模型综合考虑座椅刚度、座椅阻尼、人体刚度、人体阻尼等因素建立座椅坠毁过程中的数学模型。

2.根据数学模型、设计要求编制的适合直升机抗坠毁设计工作流程的计算代码；

3.求解该力学模型的NEWMARK算法。

4.本发明可直观分析出关键设计参数(翻卷管参数、座椅刚度)对腰椎动态载荷的敏感度，从而指导关键设计参数(翻卷管参数、座椅刚度)设计，并可通过迭代设计进行结构优化与设计。

5.本发明不仅不应用于翻卷管式适坠座椅的设计，同时该理论模型也可用于指导新式适坠座椅的设计(如变载适坠座椅的设计)。

本发明通过对直升机坠毁冲击过程进行力学建模，从系统动态响应的视角形成适合抗坠毁座椅设计的动态力学模型，能客观分析出各影响因素对人体腰椎动态载荷的影响，从而指导参数的设计。本发明可大大降低设计成本，降低设计周期。

该设计方法了适用于军机、民机抗坠毁座椅的设计。本发明通过在某型民机上的具体应用，并与实验数据进行对比分析：腰椎动态载荷的响应曲线载荷峰值出现时间及曲线走势契合度达到99％；载荷峰值大小契合度达到80％，其误差因设计假设人体刚度和人体阻尼集中体现在人体躯干而产生，后续的进一步优化可解决此类问题。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。