42 直升机抗坠毁座椅与atb假人模型耦合仿真分析-温永海(5)

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1、第二十八届（2012）全国直升机年会论文直升机抗坠毁座椅与ATB假人模型耦合仿真分析温永海宫少波孙秀文（中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，哈尔滨市，150066）摘要：为了满足民用航空适航标准和国家军用标准对直升机的抗坠毁要求，进行直升机座椅设计时必须进行坠撞过程的理论分析和试验研究。本文首先从满足结构强度刚度、美观、乘坐舒适、抗坠毁性能出发设计一种抗坠毁座椅，然后按照规范要求，运用非线性瞬态动力学有限元程序对带有ATB假人模型的抗坠毁座椅垂直下落情况进行了动响应分析，模拟了直升机在着陆或坠撞过程中人体的响应和运动姿态，为直升机抗坠毁座椅结构设计中考虑

2、人体的动态响应提供了一种有效的技术手段。分析表明，经过特殊设计的抗坠毁座椅能够吸收坠撞产生的能量，显著降低乘员的加速度水平，保障了乘员安全。关键词：直升机；抗坠毁座椅；ATB假人；仿真分析1概述随着科技和武器装备的发展，在现代战争中对飞机乘员的生命安全提出了更高的要求。座椅和乘员约束系统构成了保障驾驶员及乘员安全的最后防线，在飞机坠地时，经过起落架和机身两级能量吸收和减振以后，剩余的能量吸收和缓冲作用将由座椅和乘员约束系统来承担。所以，座椅结构在满足强度刚度、美观、乘坐舒适等基本要求之外，还要求其最大限度地保护乘员飞机坠地时的生命安全。因而，对直升机座椅在抗

3、坠毁设计方面又提出了更高的要求，国外先进国家在抗坠毁座椅设计研究方面做了大量的工作，已经达到了较高水平。国外先进国家在武装直升机抗坠毁座椅设计研究及应用方面起步较早，在早期生产的机型中，如美国西科斯基公司生产的黑鹰、法国宇航公司生产的小羚羊以及俄罗斯生产的米系列直升机，均在飞行员座椅上采取了一些措施来吸收冲击能量，尤其国外生产的较新型号直升机，如EC120、EC130等，在其抗坠毁座椅结构上采用了先进的“弯曲式”结构减振吸能技术，该抗坠毁座椅结构简单、体积小、重量轻，并且抗坠毁的性能指标得到了大幅度提高。本文首先从满足结构强度刚度、美观、乘坐舒适、抗坠毁性能

4、出发，设计了一款新型抗坠毁座椅，然后按照《直升机抗坠毁座椅通用规范》的要求，运用非线性瞬态动力学有限元程序对带有ATB假人模型的抗坠毁座椅垂直下落情况进行了动响应分析，为直升机抗坠毁座椅详细设计提供了依据。2抗坠毁座椅结构设计直升机抗坠毁座椅结构如图1所示，座椅安装在地板滑轨上，由椅盆、骨架、肩带、腰带、变载吸能装置等几部分组成。椅盆是复合材料层压板结构，采用5234/T700树脂体系，骨架采用高强度铝合金2618A，吸能部件采用塑性变形良好的6061T42铝合金。当发生坠撞地面的事故时，通过吸能部件变形吸收能量，降低乘员的加速度环境，从而保护乘员的安全。6

5、88图1抗坠毁座椅结构简图3仿真分析模型建立3.1座椅系统分析模型根据抗坠毁座椅几何外形，建立了座椅系统有限元模型，见图2。骨架采用梁单元，椅盆采用CQUAD4板单元，吸能部件采用3D体单元，安全带采用CROD杆单元，采用PBELT卡定义了安全带的加载与卸载曲线。图2座椅系统有限元模型3.2ATB假人模型及有限元模型建立本文利用采用前处理程序GEBOD创建ATB混合三号（HybridⅢ）50%假人模型文件run503.ain，在文件D卡上添加了脚踏板和平台刚性平面，在F1卡定义了刚性平面和ATB椭球体接触以及ATB假人模型与脚踏板接触。在G卡进行了初始布置输

6、入，在H卡定义ATB输出请求。通过PATRAN程序建立了假人有限元模型，最后将座椅有限元模型与假人模型文件整合到一起，形成一个新的文件，ATB片段与结构部分耦合通过CONTREL来定义。通过CONTACT688卡定义安全带与假人接触，采用点与面接触，安全带选取单元节点，面采用假人单元性质，通过选取性质号来确定安全带与假人的哪些部位接触。最后通过PATRAN将文件读回，形成的整体有限元模型见图3。图3带有ATB假人的抗坠毁座椅整体有限元模型3.3初始条件设置在run503.ain文件的C卡给运输工具施加向下初始速度和加速度，通过C.2卡定义初始速度为10.2m

7、/s，C.3定义加速度，加速度曲线见图4，满足军用标准对抗座椅的要求。ATB假人初始速度通过G.1.a定义为与运输工具初始速度相同。图4座椅加速度曲线3.4分析结果进行了120ms坠撞有限元分析，带ATB假人的抗坠毁座椅变形云图见图5，图6为座椅及人体动响应曲线。分析计算结果，可以得到如下结论：1）从图5可以看出，在座椅向下动态坠撞过程中，座椅椅盆和椅腿等结构没有发生塑性变形或损坏，试验假人和椅盆在Z轴方向向下位移100mm，椅盆没有触底，座椅吸能部件发生塑性变形，吸收了大量的坠撞能量，降低了乘员的加速度水平；2）从曲线6(a)可以知道，座椅面测量点加速度水

8、平超过23g688的累积时间不到10ms,没有超过国