運輸類飛機旅客座椅動態沖擊仿真方法研究

李 杰 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

0 引言

隨著國際民航界對運輸類飛機客艙安全重視程度的逐步提高，乘員保護設計技術得到飛速發展，這些在運輸類飛機座椅產品上得到了充分的體現，新的座椅符合性分析驗證技術也順應而生，FAA頒布了AC20-146[1]，同意在沒有充足的數據支持時，允許使用分析方法來代替動態試驗以表明規章符合性。

在我國尚未有使用計算機模型仿真分析來支持根據CCAR25.562[2]進行的運輸類飛機旅客座椅審定的先例。

1 仿真平臺

文章基于有限元和多體瞬態分析方法，通過計算機仿真模擬運輸類飛機適航標準中規定的應急著陸的動力要求。可以使用MADYMO瞬態有限元/多體軟件、MSC/DYTRAN瞬態有限元軟件和LS-DYNA3D瞬態有限元軟件中的任意一種軟件作為載體，推薦搭配使用Hybrid III假人模型進行動態座椅設計和符合性驗證，但Hybrid III假人模型需要滿足以下條件：

1) 已按照SAE 1999-01-1609[3]修正，并已完成全部座椅基準試驗；

2) 滿足SAE AS8094C[4]的5.3.2.4節要求；

3) 軟件使用的ATD模型與試驗過程所采用的、已按SAE 1999-01-1609修正的Hybrid III假人模型相符。

2 仿真建模

建模的目的是為準確地表示真實存在的系統，建模的精度取決于模型的預期用途。用于評估計算機模型在表示物理實體和基礎數學模型兩者之間的準確性的過程被稱為驗證和確認(Verification & Validation， 簡稱V&V)的過程[5]。推薦的建模方法是基于ASME計算固體力學驗證和確認指南(ASME V&V10-2006)提出的，修改后的指南可以更好地適用于航空座椅。

無論是有限元分析法還是多體技術，用于動態沖擊模擬的飛機座椅模型的主要組件包括：整體參數、結構的物理離散化、材料定義、初始和邊界條件、輸出控制。這些組件定義了結構與環境的幾何和物理屬性以及結構之間在該環境下如何相互作用。

首先要確定是否正確地使用軟件建立了模型，這個過程稱為代碼驗證。接下來要確定時間步長和網格分辨率(對有限元模型)的數值誤差是很低的，該過程稱為計算驗證。然后將模型的結果與物理實驗的結果進行定量比較。當觀察到可接受的一致性時，該模型就可以用于預測對未經測試但類似的情況的系統響應。推薦使用靈敏度分析來指導外推的程度，并定義模型的局限性。本文僅選擇了部分典型座椅部件進行建模描述。

2.1 座椅連接件建模

連接件和接頭是典型的座椅高承載結構元件，其特點是載荷路徑的不確定性、接觸(自由活動空間)的非線性，難以進行數學建模。這些元件的載荷路徑和材料性能的變化會影響座椅結構完整性和性能。在建模時要非常謹慎，需要特別注意所有可能失效的機理。盡管某些連接件和接頭的改變通過模擬來驗證是可接受的，但材料或載荷傳遞路徑發生重大改變時還是需要通過試驗進行驗證。

大多數座椅的失效都與連接件相關，對這些連接件建模的方法主要有兩種：第一種為使用剛體技術或梁單元生成一個簡化近似的模型，第二種為對組成連接件的實際硬體進行顯式建模。第一種建模方法計算速度快，但不能捕獲所有相關的物理特性。第二種方法能夠捕獲所有的物理特性，但計算速度太慢，尤其是當螺栓為鉸鏈時，網格質量必須很好。

可以使用近似剛體來進行連接件建模并進行分析計算，運用有限元技術，將剛體單元與等效強度量單元結合起來。這項技術有助于對軸承應力進行仿真以及幫助構建現實存在的預緊力，這種建模方法也能夠很好地復現連接件的剪切與約束行為。螺帽與螺栓公共面上的節點可以通過剛性連接實現融合，應注意對螺栓配合面摩擦系數進行適當的定義。

在有限元分析中，有時由于有限元網格太粗劣而不能在某一指定關注的區域產生令人滿意的結果，譬如上述提及的連接件。通常情況下，尺寸的轉化是通過分建模的方法解決，分建模方法也被稱為切割邊界位移法或指定邊界位移法。切割邊界為子模型的邊界，代表了對粗略模型的切割邊界，粗略模型切割邊界的位移被指定為子模型的邊界條件。除了位移之外，材料特性或狀態變量被用于邊界交換中以便提高模型的精確性。例如，整體座椅模型可能會包括一個粗略的使用一維單元的螺栓表現形式，局部模型可能會使用三維體單元來更好地捕獲接觸、載荷條件及由此產生的緊固件內部應力分布狀態。局部模型提升了數據的精確性，同時允許全局模型保留可接受的計算次數。

2.2 座椅墊建模

在設計的早期階段，不需要座椅墊的詳細變形時，載荷-撓度曲線能夠直接被用來描述由于虛擬ATD (Anthropomorphic Test Dummy)與(剛性表面)座椅穿透而產生的接觸力，這是剛體分析技術可能會被用到的地方。椅盆和座椅墊之間的剛性連接也可以被使用來轉移加載到坐墊上。為了進行更加詳細的分析，通常座椅墊的建模要使用三維8節點六面體單元或者4節點或10節點四面體單元，這是有限元分析技術能夠被用到的地方。如果在座墊模型中發現負體積的單元，則需要在高應變區域強化泡沫材料。建議進行組件試驗和仿真，以此評估有限元變量對仿真精度的影響。

2.3 約束系統建模

飛機類型和座椅位置不同，約束系統的變化也非常大。最基本的約束系統是安全腰帶，它是運輸類飛機乘員座椅中最常見的約束。這種系統由安全帶織帶、兩個錨點和帶扣組成。在基本模型中，錨點被考慮為完全剛性連接，帶扣被忽略。更高級的模型將包含顯式建模約束硬件，以便全面地采集約束系統的真正性能。附加的組件可集成到約束系統中，包括肩帶、預緊器、載荷限制器、多種多樣的帶扣設計以及充氣式約束。許多程序都包含有單元、計算公式及為約束系統專門設計的仿真硬件(比如拉鉤)。建議執行部件試驗和/或仿真來評估復雜約束系統的性能。

3 仿真評估

在分析模型的建立過程中，座椅及其約束系統模型的驗證是關鍵的一步，決定了模型是否可被接受用于適航審定。

在進行瞬態有限元分析與試驗數據的結果比較時，應該驗證那些在仿真分析中起到重要作用的參數。如果出于分析的目的，可以不必滿足AC20-146中提供的所有驗證準則。申請人應注意的是模型中產生嚴重偏差的地方，譬如不實際的傳力路徑或失效模式，這些不符合特性可能會影響模型評估所關注的參數。

在有限元模型的驗證過程中，高水平的工程判斷是不可或缺的。申請人應該根據相關指南和標準跟審定人員進行必要的溝通和協調。

3.1 評估總則

如果計算機模型符合以下規定的判據，則該模型可以用來進行動態沖擊試驗仿真。

1) 模型必須通過動態試驗來驗證；

2) 模型使用條件應與物理模型驗證條件相似，包括載荷條件、座椅構型和最嚴酷工況；

3) 乘員運動軌跡一般由時間歷程曲線來驗證，并應根據試驗數據進行修正。

根據AC25.562-1B[6]建議的方法進行動態沖擊試驗仿真，除上述模型驗證標準外，申請人還需要通過選擇以下幾個方面來驗證仿真模型與仿真結果的準確性。

3.2 乘員(ATD)運動軌跡

使用SAE AS5526D[7]所定義的座椅參考點(Seating Reference Point，簡稱SRP)作為基準。乘員軌跡包括頭部路徑和骨盆位移即軀干位移。如果關注股骨受傷，則乘員軌跡也可以包括腿的運動。

模型分析得到的乘員軌跡應該與動力試驗的高速影像對比。把二維空間的時間歷程圖同原型動力試驗經校準后的影像數據對比，就能確定計算機模型預測乘員軌跡的能力。如果不要求精確的乘員軌跡數據，通過目視對比數據即可。

對大多數情況而言，驗證乘員軌跡往往僅限于驗證頭部撞擊包線的關鍵部分。該關鍵部分或是正好撞上之前的那塊區域，或是頭部最靠近可能撞上表面時那一段時間間隔。對此，申請人應提供在頭部位置和速度在試驗值和分析值之間的吻合度，頭部角速度對頭部傷害可能也有重要影響。

圖1是AC20-146中給出的驗證乘員XZ平面內頭部軌跡的示意圖。它表明了計算機模型預測乘員軌跡的能力，乘員軌跡通過對比平面空間的時間歷程曲線來創建。如果需要評估XY平面軌跡，也可參照圖示的方法進行驗證。

圖1 XZ平面內的乘員頭部路徑對比分析示意圖

3.3 結構響應

需要評估座椅的內部載荷和結構變形。內部載荷一般通過地板支反力和相關試驗數據在時間歷程上的一致性兩個方面進行評估。地板支反力可表明從乘員到約束系統到地板的傳力路徑是恰當的。需要注意的是，地板連接件上三個坐標軸上的載荷并非都需要進行修正。申請人與審定人員必須協調確定哪些地板支反力在分析的過程中是最關鍵的，分析和試驗之間的地板支反力峰值相差應在10%以內。除此之外，還應該提供數據以展示與試驗結果相關的地板支反力的時間歷程曲線。當存在某種關于主傳力路徑的獨特設計時，可以選擇安裝試驗電子儀器來監測內部載荷并對相關數據濾波。

對于座椅系統的整個性能或結構完整性起關鍵作用的構件，用分析得到的結構變形模式和數值大小應該與試驗數據有比較好的一致性。并非所有零部件的安全裕度或失效模式都需要檢查，僅需要對審查人員和申請人認為是關鍵的部分進行檢查即可。由分析得到的二維空間圖同動力試驗得到影像資料互相比較，能幫助對模型的驗證。非關鍵的構件則直接比較試驗和分析的數據。

3.4 約束系統

除了少數情況外，約束系統對乘員起了顯著的保護作用，并作為乘員到座椅的主要載荷路徑。約束載荷的時間歷程同載荷的最大值之間應該存在一定的關系。如果約束載荷最大值相差在10%范圍內，這說明計算機模型可以預測從乘員到座椅的慣性力傳遞情況。

除載荷外，還有其他一些參數對驗證模型有效性來說也很關鍵，如安全帶松弛量或永久性伸長率。如果在動力試驗期間記錄了這些類似的測量數據，他們之間也可能存在著一定關系。對于座椅的合格審定，不要求監控和記錄這些參數，但在驗證模型的時候，這些監控和記錄對申請人可能會很有幫助。

乘員軌跡和約束系統載荷兩者是密切相關的函數關系。當必須驗證約束系統載荷時，審查人員和申請人應比較乘員的全部軌跡以及乘員模型的相關情況。不能接受用乘員運動軌跡的符合性代替約束系統性能的符合性，或者通過使用乘員軌跡來驗證約束系統的性能。

3.5 頭部傷害判據

AC25.562定義了頭部傷害判據的合格審定要求。申請人應使用計算機建模結果展示對該條款的符合性，但如果座椅的安裝變化導致頭部撞擊速度大大增加，則要進行試驗。建模結果的限制條件總結如下(它并沒有包含所有的限制條件，但可以遵循以下情況進行建模)。

1)乘員頭部撞擊包線表明頭部與鄰近的座椅、結構或艙內其他物體不發生接觸。

2)座椅安裝有變化，但頭部可能會撞擊到的表面與原來相同，只改變了撞擊包線的幾何形狀。如果頭部撞擊速度明顯增大，原來的HIC(Head Injury Criterion)值超過了700時，通常不再建議使用分析的方法來驗證。

3)已經在現有的剛性結構上完成了動力試驗。希望重新安排座椅在飛機上的位置，使頭部撞在一個剛度較弱的結構上，但頭部撞擊速度相同。

4)如果試驗的HIC值低于700，模型分析在50單位內變化，只要分析的HIC不超過700，就可以使用模型，包括頭部撞擊表面有更改的情況。

沖擊加速度時間歷程圖的剖面(即形狀和峰值“G”)以及分析得到的頭部合成加速度的平均“G”載荷值應該同動力試驗的結果相匹配。應注意要在ATD頭部重心處測量平均“G”載荷值，還應檢查乘員仿真軟件中頭部加速度的基準位置。

即使兩次動力試驗具備同樣預期的減速度時間歷程剖面，HIC的最大值多半也會變化，所以試驗得到的HIC和分析得到的HIC要想精確吻合是不現實的，但是分析得到的最大HIC值與試驗得到的最大HIC值的差值應該在50單位之內變化，故而建議使用保守的HIC預測模型。

圖2是AC20-146中給出的頭部CG合成加速度時間歷程、HIC值、Δt和平均加速度的試驗與仿真分析對比示意圖。

圖2 試驗和仿真分析的HIC數據對比示意圖

通過圖示可以發現，分析的頭部減速度-時間曲線與試驗得到的減速度-時間曲線比較，兩者嚴格地吻合是很困難的。在試驗與分析中使用的初始和最終積分時間t1和t2也很有可能是各不相同的。然而也有其他參數來表明試驗和分析的相關性，譬如HIC的分析數據與試驗數據之間的差值在50以內，且分析數據更保守，Δt和平均加速度也相當，這就說明模型是能夠預測HIC值的。

4 結論

本文給出了運輸類飛機座椅系統在其母系家族完成動力試驗基礎上進行動態沖擊仿真的方法。其中仿真模型評估和仿真結果評估是整個仿真分析過程極其重要的兩個環節，雖然仿真模型評估中ATD校準和座椅材料特性分析還需要更加深入的解析說明，但文中給出的評估原則可以在具體的審定過程中與審查人員協調使用。

參考文獻：

[1] Federal Aviation Administration. Methodology for Dynamic Seat Certification by Analysis: Advisory Circular 20-146 [S]. USA: Federal Aviation Administration, 2003.

[2]中國民用航空總局.中國民用航空規章第25部：運輸類飛機適航標準[S].中國：中國民用航空總局，2011.

[3] COWDY V, DEWEESE R, BEEBE M S, et al. A Lumbar Spine Modification to the Hybrid III ATD For Aircraft Seat Tests: SAE TP1999-01-1609[C]. USA: Society of Automotive Engineers,1999.

[4] Society of Automotive Engineers. Performance Standard for Seats in Civil Rotorcraft, Transport Aircraft, and General Aviation Aircraft: SAE AS8049C[S]. USA: Society of Automotive Engineers, 2015.

[5] Society of Automotive Engineers. Analytical Methods for Aircraft Seat Design and Evaluation: SAE ARP5765A[S]. USA: Society of Automotive Engineers, 2015.

[6] Federal Aviation Administration. Dynamic Evaluation of Seat Restraint Systems and Occupant Protection on Transport Airplanes: Advisory Circulars 25.562-1B[S]. USA: Federal Aviation Administration, 2006.

[7] Society of Automotive Engineers. Aircraft Seat Design Guidance and Clarifications: SAE ARP 5526D[S]. USA: Society of Automotive Engineers, 2015.