聯排雙座乘員座椅頭部損傷判據仿真分析與實驗研究

摘要：介紹了聯排雙座乘員座椅后座乘員撞擊前部座椅的HIC仿真實驗以及仿真結果，并就實驗結果進行了對比驗證。

關鍵詞：雙座座椅;頭部損傷判據;HIC實驗

0? ? 引言

在航空事故中，頭部碰撞是導致人員傷亡的主要原因之一。飛機客艙的空間較小，在發生墜撞時人員頭部有很大概率撞擊到艙內設備或者前排座椅，從而造成人員傷亡。目前，美國聯邦航空管理局FAA、歐洲航空安全局EASA、中國民航局等管理部門在相關的法規中已明確了頭部損傷判據的標準（Head Injury Criteria，簡稱HIC）。

目前，驗證HIC符合性一般通過HIC實驗，但是HIC實驗對技術要求較高，飛機艙內環境的復雜性和HIC實驗結果的不確定性，使得實驗較為復雜并且費時費力。HIC實驗為破壞性實驗，需要大量昂貴的一次性實驗件，如果能通過仿真分析準確進行HIC實驗模擬，將會節省時間和經濟成本，提升座椅研發效率。

1? ? 頭部損傷判據概述

AC25.562-1B中的頭部損傷判據HIC的計算方法如下式所示：

式中：t1為積分初始時間（s）;t2為積分終止時間（s）;a（t）為頭部撞擊總加速度對時間的關系曲線。

局方在適航條款中要求HIC的值不超過1 000，可以看出決定HIC大小的主要因素為頭部的加速度。

2? ? 聯排雙座乘員座椅HIC仿真實驗

聯排雙座乘員座椅靠背及吸能形式采用運輸類旅客座椅經典設計形式，座椅主結構如圖1所示。

AC25.562-1B詳細描述了HIC實驗方法，通過兩次實驗就可覆蓋座椅全部構型的實驗。

實驗1：最大排距HIC實驗，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區或B區，該撞擊需有明顯的碰撞現象。通常旅客座椅靠背支撐為單側液壓鎖，圖2所示HIC實驗過程中頭部撞擊A區和B區的效果并不一致（A區有剪切吸能裝置和靠背調節機構，B區無支撐），所以大排距HIC實驗需要沖擊兩次，但是對于兩聯或三聯座椅，可以通過加工完全對稱的靠背假件來實現單次沖擊完成兩次實驗。

實驗2：最小排距HIC實驗，50百分位假人頭部撞擊靠背，圖2中所示C區，無偏航。首先需評估該工況下的頭部初始撞擊點，在以初始撞擊點為中心的0.15 m（6 in）高、0.30 m（12 in）寬的區域內，尋找最堅硬點，通過調整座椅位置實現頭部撞擊點為區域內最堅硬位置。

HIC計算有限元建模保留主傳力結構，清除裝飾件等非主傳力結構，簡化分析模型，然后對應進行網格繪制，有限元建模。確立邊界載荷條件，依據座椅實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軟件進行求解計算;利用META軟件進行計算結果后處理，輸出相關計算結果。

座椅結構網格單元形式主要包括：1D—梁單元，2D—殼單元，3D—實體單元。對于細長結構，如桿件一般選擇梁單元劃分;而薄壁結構一般選用殼單元，如座椅中的座面板等;對于壁厚較厚的結構或形狀不規則的結構，一般選用實體單元劃分;對于復雜結構，可以選擇實體單元和殼單元相結合的方式劃分，如椅腿和側支板，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程中倒圓角清理所帶來的誤差。

無偏航，座椅安全帶為兩點式，使用50%混合Ⅲ型DETAILED假人。HIC仿真實驗假人姿態和座椅變形形式如圖3所示，假人頭部撞擊點及剪切環吸能過程如圖4所示。

考慮偏航10°，座椅安全帶為兩點式，使用50%混合Ⅲ型DETAILED假人。HIC仿真實驗撞擊A區如圖5所示，撞擊B區如圖6所示。

3? ? 聯排雙座乘員座椅HIC實驗結果和仿真結果對比

圖7為實驗結果和有限元計算速度曲線對比，速度線型基本一致，其中A區實驗最大值為11.7，計算最大值為12.2，誤差為4.3%;B區實驗最大值為15.5，計算最大值為13.9，誤差為10.3%。

圖8為實驗結果和有限元計算加速度曲線對比，其中第一道波峰為剪切環破壞極限載荷位置，第一道波峰計算和實驗結果誤差相對較小，其他位置誤差逐漸變大。

圖9為頭部撞擊A區實驗和仿真后剪切環吸能器狀態對比，剪切環所有環均全部剪開。頭部撞擊B區狀態類似。

4? ? 結語

本文基于LS-dyna軟件建立后排乘員撞擊前排座椅的仿真模型，對比仿真結果得到的頭部速度和加速度以及實驗得到的乘員頭部速度和加速度，得出結論：仿真結果和實驗結果誤差最大不超過15%，所以仿真模型結果能夠有效指導真實實驗，可以大大降低真實實驗的成本。

[參考文獻]

[1] 中國民用航空局.中國民用航空規章 第25部 運輸類飛機適航標準：CCAR-25-R4—2011[S].

[2] FAA.Tile 14 Code of Fed Eral Regulation， Part25， A-mendment 25-64，Section 562[S].Federal Register，1988.

[3] FAA ANM-110.Dynamic Evaluaion of Seat restraint System and Occupant Protection on Transport Airplanes：AC25.562-1B[S].2006.

收稿日期：2020-12-28

作者簡介：郝夢嬌（1993—），女，河南人，設計員，研究方向：直升機座椅等。