基于MADYMO的航空座椅約束系統(tǒng)優(yōu)化設計

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軟件進行分析。首先運用某機型座椅墜撞試驗數(shù)據(jù)進行比照，驗證建模方法的有效性。其次建立某型座椅模型進行墜撞仿真試驗。最后，采用正交試驗極差分析法，設計五因素四水平試驗方案，對該航空座椅進行優(yōu)化設計。最終結果表明：該優(yōu)化設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險。

【關鍵詞】墜撞；航空座椅；正交試驗；仿真

0 引言

對航空事故的調查表明，如果飛機結構設計過程中考慮墜撞安全性因素，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，因此開展飛機結構適墜性的研究非常必要。在飛機發(fā)生墜撞過程中，主要利用機身底部的吸能結構，來減緩吸收墜撞的沖擊能量，從而保證飛機結構的完整性。然而，從提高乘員的生存率的方面考慮，座椅系統(tǒng)是關鍵設備，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)響應進行了大量的研究，尤其是包含假人/座椅系統(tǒng)的整機墜撞研究。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)定性和乘客的保護措施進行研究，結果表明嚴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)的建模和性能進行了評估，其利用Hypermesh和MADYMO程序對兩種兒童座椅進行有限元建模，并進行了動力學仿真，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)響應的研究起步較晚，而且主要集中在計算機仿真研究。2007年，西北工業(yè)大學的周昊等人，采用LS-DYNA軟件建立座椅有限元模型和HybridⅡ型假人多剛體模型，模擬了航空座椅和假人在沖擊中的響應過程， 評估了航空座椅結構的動態(tài)沖擊性能。南京航空航天大學的何歡等人，使用帶有Hybrid III型標準假人的全機模型進行了縱向墜撞分析，并根據(jù)乘員的動態(tài)響應，提出了座椅約束系統(tǒng)的設計改進方案。

本文以某型航空假人/座椅約束系統(tǒng)多剛體模型為基礎，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定3種不同水平（變量值），以人體脊椎受力為評價指標，采用正交試驗設計極差分析法進行優(yōu)選，得到最優(yōu)化的模型，最后分析優(yōu)化結果的仿真數(shù)據(jù)，證明優(yōu)化結果的優(yōu)良性。

1 MADYMO理論基礎

本文采用MADYMO多剛體動力學仿真軟件，進行乘員的運動和動力響應計算和分析。乘員與座椅系統(tǒng)由多個剛體所組成，MADYMO對多剛體系統(tǒng)的動力學算法采用達朗伯-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、假人的調用和坐姿的調整，模型中接觸的合理定義，對假人響應的正確性起到了決定性的影響。建模方法的準確合理性，成為了模型是否有效的關鍵點。因此，首先對標仿真模擬MD-500型直升機墜撞試驗，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Langley 研究中心針對MD-500直升機進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。

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實體。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行接觸定義，其中主面 MASTER_SURFACE選擇人體，從面 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行調整。將測得的速度及加速度脈沖加載在座椅上，進行仿真試驗。

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曲線，與試驗進行對照，驗證建模方法的有效性.。

在飛機墜撞事故中，人體為柔性體，器官的載荷響應中載荷峰值對人體的損傷最大。同時，頭部損傷作為汽車、航空領域乘員保護的最重要傷害參數(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。結果表明，頭部Z向加速度曲線與試驗符合性較好，兩條曲線的波形趨勢大體一致，響應曲線峰值為9.75g，而試驗中響應曲線峰值為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，對仿真結果動畫與試驗過程視頻進行比較，模型響應過程基本一致。

對于仿真結果存在的誤差，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，所以仿真結果的峰值時刻比試驗結果較早出現(xiàn)，但其波形趨勢大體一致。

2）座椅結構為剛體，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)的曲線比仿真結果曲線更加平滑。

通過以上對MD-500直升機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 Ⅲ型假人模型。

FAA頒布的咨詢通告AC25.562-1B建議，假人模型應位于座椅中心位置，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 初始條件的設定

1999年，F(xiàn)AA在亞特蘭大的技術中心進行了B737機身框段的垂直墜撞試驗[9]，以分析飛機在墜撞過程中，機體的結構變形和乘員的響應。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。

本試驗以上述FAA所做的Boeing 737機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 假人響應的輸出設置

座椅約束系統(tǒng)的可靠性和優(yōu)劣性，需要一定的評價準則，以確定乘員的傷害在可接受的范圍內。由于飛機在垂直墜撞過程中，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。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，按照正交試驗的設計要求，對座椅結構進行優(yōu)化。設定4個變量因素，分別為座椅角度、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)結果為B3A3D3C3，對應的仿真模型數(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 結論

正交試驗設計作為一種快捷的優(yōu)化設計方法，在產(chǎn)品設計初期具很強的實用性。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，首先，建立簡化的MD-500直升機座椅/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)及安全帶進行調整，參照B737墜撞試驗，對其進行墜撞仿真試驗。最后，采用正交試驗極差分析法，設計四因素三水平正交試驗方案，對該航空座椅進行優(yōu)化設計，同時分析得到影響評價目標的各因素主次性排序。最終結果表明：該座椅模型運用正交試驗設計方法，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險，改善了座椅的乘員安全性。

【參考文獻】

[1]Shanahan DF， Shanahan MO. Kinematics of U.S. Army helicopter crashes： 1979-1985[J].Aviation Space and Environmental Medicine，1989，60（2）：112-121.

[2]張弘，魏榕祥.通用飛機抗墜撞設計指南[M].北京：航空工業(yè)出版社，2009：4-7.

[3]E.Schuller， M.Sperber. Crash Safety in Aircraft Cabins[z]. AIAA，1995：95-3978.

[責任編輯：王偉平]