基于有限元仿真的電動飛機座椅的適航分析

薛凱勛，蘇長青,2*，趙銳，劉浩淼

（1.沈陽航空航天大學安全工程學院，遼寧 沈陽 110136； 2.遼寧省飛機火爆防控及可靠性適航技術重點實驗室，遼寧 沈陽 110136； 3.遼寧通用航空研究院，遼寧 沈陽 110136）

0 引言

電動飛機使用電力推進系統代替傳統飛機的內燃機，具有低噪音、低成本、零排放和維修方便等優點[1]。 座椅是電動飛機的重要裝置之一。

實驗驗證和有限元仿真驗證是適航符合性驗證的主要途徑[2]，而有限元仿真驗證是飛機座椅適航符合性驗證的主要方法，Kokorikou[3]等人對座椅的靠背和椅盆進行設計優化；Nijholt[4]等人研究了不同工況下人體在飛機座椅上的壓力分布；羅亨存[5]等人研究了飛機連接裝置的動態失效問題；段辰龍[6]等人評估了四座電動飛機各項參數對性能的提升效果；余新剛[7]等人通過對飛機座椅進行有限元建模分析不同工況下人體各部分的動態響應。

本文以電動飛機座椅適航驗證為背景，根據通用飛機適航規章CCAR-23-R3部對其進行適航符合性仿真驗證，通過計算得出飛機座椅在兩種不同工況下的靜力學特性，并基于電動飛機巡航和爬升過程，對座椅進行模態分析，得到其固有振動特性。

1 飛機座椅有限元建模

飛機座椅是飛機結構中的重要組成部分，在飛機起飛和降落的過程中起到緩解沖擊力的作用[8]，飛機座椅由椅盆、靠背、頭靠、座椅骨架和滑軌等座椅連接件組成[9]，電動飛機中座椅椅盆、靠背和頭靠的材料為碳纖維/環氧復合材料[10]，縱向彈性模量E1為155GPa，橫向彈性模量E2為12.1GPa，泊松比v為0.248，剪切彈性模量G12為4.4GPa，G13為4.4GPa，G23為3.2GPa[11]。座椅骨架和滑軌為AZ91D鎂合金[12]，彈性模量E為45GPa，泊松比v為0.3，屈服強度σs為160MPa。其結構如圖1所示。

在hyperworks中對座椅模型進行有限元前處理，劃分網格并施加邊界條件，在座椅滑軌下方地腳螺栓與飛機接觸的地方施加全約束，考慮到座椅本身的重量，對其施加重力邊界條件。根據CTSO-C127b及SAE AS 8049，提出極限狀態下的兩種工況：座椅總成，對椅盆施加向下的5420N的面載荷；座椅靠背，對靠背施加向后的4450N的面載荷。

2 飛機座椅復合材料鋪層及有限元分析

2.1 飛機座椅復合材料鋪層

自20世紀70年代，航空工業中復合材料的使用量在不斷地增加，復合材料可以減輕模型重量，增強材料性能。在此次飛機座椅分析中，使用碳纖維/環氧復合材料為座椅的椅盆、靠背和頭靠進行鋪層。鋪層方向為[0/45/90/-45].

2.2 飛機座椅有限元分析

基于hyperworks對飛機座椅在兩種不同工況下進行有限元靜力學分析，其結果如下：

（1）座椅總成

由應力云圖和位移云圖可知，在此工況下，座椅承受的最大應力為40.4MPa，最大位移為1.185mm，遠小于復合材料的許用應力和許用應變，其最大應力和最大位移均處于座椅椅盆中心。復合材料各鋪層應力云圖如圖4-圖7所示。

（2）座椅靠背

由應力云圖和位移云圖可知，在此工況下，座椅承受的最大應力為135.0MPa，最大位移為8.524mm，遠小于復合材料的許用應力和許用應變，其最大應力點位于座椅椅盆和靠背兩側相連處，最大位移點位于頭靠頂部。復合材料各鋪層應力云圖如圖10-圖13所示。

3 飛機座椅模態分析

在適航飛行中，要避免機械振動使座椅產生共振[13]。 結構的抗振能力主要取決于其動力學特性，主要包括固有特性、動力響應和動力穩定性[14]。固有特性主要指固有頻率和主振型。模態分析可以確定一個結構的固有頻率和振型，當運動系統頻率在固有頻率附近時，將引起劇烈的共振，嚴重時會造成座椅結構的破壞[15]。

通過對座椅進行模態分析，選取第1階到第4階，其分析結果如表1所示。

表1 座椅模態分析結果

各階振型云圖如圖14-圖17所示。

模態分析結果表明，座椅在第1階振型時產生的變形最大，最大變形為41.5mm，對應的頻率為73.276Hz，在此頻率下，座椅頭靠頂部沿X軸方向前后擺動。某型電動飛機巡航狀態轉速1700r/min，爬升狀態轉速2340r/min，其頻率范圍為28.333Hz-39Hz[1]，該頻率范圍遠小于座椅的第一階固有頻率73.276Hz，所以不會產生共振現象，座椅的穩定性和抗振型符合適航要求。

4 結論

（1）本文以某型電動飛機座椅適航驗證為背景，對某型電動飛機座椅的靠背、椅盆和頭靠進行復合材料鋪層，基于CTSO-C127b及SAE AS 8049中規定工況進行靜力學仿真分析，得到兩種不同工況下應力云圖、位移云圖以及各鋪層在不同鋪層方向下的應力云圖，其最大應力遠小于材料的屈服強度，且最大變形量小于標準中規定的變形量。

（2）座椅的模態分析結果表明，座椅在第1階振型的最大變形量為41.5mm，固有頻率為73.276Hz，飛機在巡航狀態和爬升狀態時工作頻率范圍為28.333Hz-39Hz，和固有頻率不在同一范圍，不會產生共振現象，符合適航要求。