聯(lián)排雙座乘員座椅頭部損傷判據(jù)仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究

摘

要：介紹了雙座乘員座椅后座乘員撞擊前部座椅的HIC實(shí)驗(yàn)仿真以及仿真結(jié)果，并就實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：雙座座椅；頭部損傷判據(jù)；HIC實(shí)驗(yàn)0

引言在航空事故中，頭部碰撞是導(dǎo)致人員傷亡的主要原因之一。飛機(jī)客艙的空間較小，在發(fā)生墜撞時(shí)人員頭部有很大概率撞擊到艙內(nèi)設(shè)備或者前排座椅，從而造成人員傷亡。目前，美國(guó)聯(lián)邦航空管理局FAA、歐洲航空安全局EASA、中國(guó)民航局等管理部門在相關(guān)的法規(guī)中已明確了頭部損傷判據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)（HeadInjuryCriteria，簡(jiǎn)稱HIC）。目前，驗(yàn)證HIC符合性一般通過(guò)HIC實(shí)驗(yàn)，但是HIC實(shí)驗(yàn)對(duì)技術(shù)要求較高，飛機(jī)艙內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性和HIC實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定性，使得實(shí)驗(yàn)較為復(fù)雜并且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。HIC實(shí)驗(yàn)為破壞性實(shí)驗(yàn)，需要大量昂貴的一次性實(shí)驗(yàn)件，如果能通過(guò)仿真分析準(zhǔn)確進(jìn)行HIC實(shí)驗(yàn)?zāi)M，將會(huì)節(jié)省時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，提升座椅研發(fā)效率。1

頭部損傷判據(jù)概述AC25.562-1B中的頭部損傷判據(jù)HIC的計(jì)算方法如下式所示：式中：t1為積分初始時(shí)間（s）；t2為積分終止時(shí)間（s）；a（t）為頭部撞擊總加速度對(duì)時(shí)間的關(guān)系曲線。局方在適航條款中要求HIC的值不超過(guò)1000，可以看出決定HIC大小的主要因素為頭部的加速度。2

聯(lián)排雙座乘員座椅HIC仿真實(shí)驗(yàn)

聯(lián)排雙座乘員座椅靠背及吸能形式采用運(yùn)輸類旅客座椅經(jīng)典設(shè)計(jì)形式，座椅主結(jié)構(gòu)如圖1所示。AC25.562-1B詳細(xì)描述了HIC實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)兩次實(shí)驗(yàn)就可覆蓋座椅全部構(gòu)型的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)1：最大排距HIC實(shí)驗(yàn)，50百分位假人頭部撞擊靠背底部或扶手，考慮10°偏航，圖2中所示A區(qū)或B區(qū)，該撞擊需有明顯的碰撞現(xiàn)象。通常旅客座椅靠背支撐為單側(cè)液壓鎖，圖2所示HIC實(shí)驗(yàn)過(guò)程中頭部撞擊A區(qū)和B區(qū)效果并不一致（A區(qū)有剪切吸能裝置和靠背調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，B區(qū)無(wú)支撐），所以大排距HIC實(shí)驗(yàn)需要沖擊兩次，但是對(duì)于兩聯(lián)或三聯(lián)座椅，可以通過(guò)加工完全對(duì)稱的靠背假件來(lái)實(shí)現(xiàn)單次沖擊完成兩次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)2：最小排距HIC實(shí)驗(yàn)，50百分位假人頭部撞擊靠背，圖2中所示C區(qū)，無(wú)偏航，首先需評(píng)估該工況下的頭部初始撞擊點(diǎn)，在以初始撞擊點(diǎn)為中心的0.15m（6英寸）高、0.30m（12英寸）寬的區(qū)域內(nèi)，尋找最堅(jiān)硬點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整座椅位置實(shí)現(xiàn)頭部撞擊點(diǎn)為區(qū)域內(nèi)最堅(jiān)硬位置。HIC計(jì)算有限元建模保留主傳力結(jié)構(gòu)，清除裝飾件等非主傳力結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化分析模型，然后對(duì)應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格繪制，有限元建模。確立邊界載荷條件，依據(jù)座椅實(shí)際使用工況定義座椅邊界條件，給定座椅分析載荷；采用LS-dyna軟件進(jìn)行求解計(jì)算；利用META軟件進(jìn)行計(jì)算結(jié)果后處理，輸出相關(guān)計(jì)算結(jié)果。座椅結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元形式主要包括：1D—梁?jiǎn)卧?D—?dú)卧?D—實(shí)體單元。對(duì)于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，如桿件一般選擇梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐?；而薄壁結(jié)構(gòu)一般選用殼單元，如座椅中的座面板等；對(duì)于壁厚較厚的結(jié)構(gòu)或形狀不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，一般選用實(shí)體單元?jiǎng)澐?；?duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以選擇實(shí)體單元和殼單元相結(jié)合的方式劃分，如椅腿和側(cè)支板，兩種單元連接部分埋入一層殼單元，如此也間接抵消了幾何特征清理過(guò)程中倒圓角清理所帶來(lái)的誤差。無(wú)偏航，座椅安全帶為兩點(diǎn)式，使用50%混合Ⅲ型DETAILED假人。HIC仿真實(shí)驗(yàn)假人姿態(tài)和座椅變形形式如圖3所示，假人頭部撞擊點(diǎn)及剪切環(huán)吸能過(guò)程如圖4所示。考慮偏航10°，座椅安全帶為兩點(diǎn)式，使用50%混合Ⅲ型DETAILED假人。HIC仿真實(shí)驗(yàn)撞擊A區(qū)如圖5所示，撞擊B區(qū)如圖6所示。3

聯(lián)排雙座乘員座椅HIC實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果圖7為實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算速度曲線對(duì)比，速度線型基本一致，其中A區(qū)實(shí)驗(yàn)最大值為11.7，計(jì)算最大值為12.2，誤差為4.3%，B區(qū)實(shí)驗(yàn)最大值為15.5，計(jì)算最大值為13.9，誤差為10.3%。圖8為實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算加速度曲線對(duì)比，其中第一道波峰為剪切環(huán)破壞極限載荷位置，第一道波峰計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差相對(duì)較小，其他位置誤差逐漸變大。圖9為頭部撞擊A區(qū)實(shí)驗(yàn)和仿真后剪切環(huán)吸能器狀態(tài)對(duì)比，剪切環(huán)所有環(huán)均全部剪開(kāi)。頭部撞擊B區(qū)狀態(tài)類似。4

結(jié)語(yǔ)本文通過(guò)LS-dyna軟件建立后排乘員撞擊前排座椅的仿真模型，對(duì)比仿真