基于MADYMO的航空座椅約束系統優化設計

李杰　解江　袁鵬　馮振宇

【摘 要】本文以優化某航空座椅約束系統為目的，建立了某假人/座椅約束系統多剛體模型，運用MADYMO軟件進行分析。首先運用某機型座椅墜撞試驗數據進行比照，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化設計。最終結果表明：該優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響應進行了大量的研究，尤其是包含假人/座椅系統的整機墜撞研究。1995年，E.Schuller等人根據9g靜力試驗和16g動力試驗的要求對座椅的穩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等人研究通過優化航空座椅的坐墊和靠背等參數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，并根據乘員的動態響應，提出了座椅約束系統的設計改進方案。

本文以某型航空假人/座椅約束系統多剛體模型為基礎，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選，得到最優化的模型，最后分析優化結果的仿真數據，證明優化結果的優良性。

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。乘員與座椅系統由多個剛體所組成，MADYMO對多剛體系統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，而作載荷和響應數據依據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響應問題。

2 假人/座椅約束系統建模方法的驗證

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，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， 被各國法規和文件體系所重視。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據基本相同。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據提前15ms，而第二個峰值出現時刻在150ms左右，與試驗數據基本符合。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，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，因此試驗數據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向加速度動態響應數據對比分析，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 航空座椅約束系統模型

3.1 系統模型的建立

該假人/座椅約束系統模型包括客艙框段（艙壁和地板）、座椅、約束系統（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。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，FAA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

座椅約束系統的可靠性和優劣性，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/座椅約束系統為原始模型，按照正交試驗的設計要求，對座椅結構進行優化。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 正交試驗參數分析

該試驗的目標為脊椎載荷最小，根據這一原則，可以確定試驗的最優結果為B3A3D3C3，對應的仿真模型數據及乘員脊椎載荷。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化設計方法，在產品設計初期具很強的實用性。對于正交試驗數據的處理，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，以優化某航空座椅約束系統為目的，首先，建立簡化的MD-500直升機座椅/假人模型，并與墜撞試驗數據對照，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，按照法規對假人姿態及安全帶進行調整，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]