基于負剛度結構的直升機座椅特性研究

王賀強 張樹楨

（中國直升機設計研究所，江西景德鎮 333001）

0 引言

高水平的直升機振動會對機體產生破壞、降低疲勞壽命及設備可靠性，也會從地板傳導給座椅，從而對機上機組及乘客造成嚴重的不適。直升機激振力主要來自旋翼、尾槳、發動機及傳動系統等。據研究，0.5 ～80Hz 的振動是造成機組脊柱及頸部疼痛的主要原因[1-2]，因此，降低振動體感水平對提升飛行員的舒適程度和完成任務的能力有重要意義。

降低全機振動水平較為困難，控制從地板傳導到座椅的振動水平是一個比較有效且容易的手段。一般來說，座椅懸掛系統的振動控制主要有被動、主動和半主動控制。比起振動主動控制方法，被動控制不需要能量輸入及實時反饋系統，結構簡單，因此振動被動控制及隔振得到了廣泛的研究及應用。傳統線性被動隔振系統對大于隔振系統固有頻率倍的外界振動才有比較有效的減振作用，但對低于此頻率的振動，尤其是接近系統固有頻率的振動甚至還有放大作用，傳統隔振系統只能對高頻振動提供較好的隔振效果。因此超低頻的非線性隔振系統已成為研究的熱點。本文研究由負剛度結構與正剛度彈簧連桿結構并聯的座椅懸掛系統，其中負剛度結構主要調節系統剛度，正剛度承載載荷，使得懸掛系統既具有很低的運動剛度，對低頻振動具有較好的隔振效果，也能承載較大的載荷，不至于在承載時出現較大的位移[3]。

1 非線性座椅懸掛設計

本文研究的座椅的非線性懸掛如圖1 所示。座椅懸架由安裝在座椅中部的垂直彈簧、阻尼器及4 個對稱連桿彈簧負剛度機構組成，其中負剛度機構由水平彈簧與連桿鉸接組成。垂直彈簧主要用來支撐座椅及人員，負剛度結構用來在運動時平衡垂直彈簧剛度使得系統總剛度接近于0。設垂直桿的長度為L0，斜桿的長度為L1，均為無質量桿。垂直彈簧和水平彈簧的剛度分別為K0和K1，原長分別為LS0和LS1，水平彈簧及鉸接的斜桿在水平方向的投影長度為定值L，座椅離水平彈簧軸線的高度為h。

圖1 座椅非線性懸掛模型正視圖

當座椅偏移水平彈簧軸線h時，設彈簧隔振系統給座椅的力為F，垂直彈簧和水平彈簧分別壓縮到L'S0和L'S1，則：

隔振系統剛度為-F(h)對h的導數，則隔振系統的總剛度為：

可以通過調節參數α、β1、β2等來改變系統的相關動力學特性參數。

圖2 為系統剛度特性曲線圖。由曲線可以看出，在= 0處系統剛度為0，且可以得到在平衡位置附近小于豎直彈簧的剛度。在平衡位置附近，水平彈簧對懸掛系統豎直方向的承載能力不會造成影響。因此，該系統具有很低的運動剛度，也能承載較大的載荷。

圖2 系統剛度特性曲線

2 座椅懸掛系統參數優化

選擇合適的參數使得座椅在承載時位移不太大，又具有較小的動剛度，使得座椅能隔離更低頻的振動。于是問題可以轉化為有約束條件下的函數最小值優化問題。選取懸掛剛度為優化目標函數，限制其余參數的范圍得到最優的α、β1、β2的值。

當懸掛系統受到直升機地板的作用時，座椅將在垂直方向偏離平衡位置h，當位移較小時，將式在h=0 處進行泰勒展開，得到：

約束條件為：

變量的范圍為0≤α≤ 1、0.6≤β1≤ 2、1≤β2≤ 2。

可以求解得到α=0.4983,、β1=1.1542,、β2=1.5751時目標函數取得最優解。

3 系統動力學模型

為研究座椅懸掛系統的隔振效果，建立包含懸掛系統、座椅、人體的模型，如圖3 所示[4-6]。

圖3 系統動力學模型

zi(i=1,2,3,4,c,s)分別表示各質量點的位移。人體及座椅的參數如表1 和表2 所示。系統的動力學方程為：

表1 人體及座椅系統動力學模型參數

表2 懸掛彈簧參數

式中，zf為地板相對于慣性坐標系的位移。

4 仿真分析

穩態下直升機地板的振動包含多個頻率，根據ISO-2631 標準，高頻率的振動對人體的傷害相對低頻振動更小[7]，因此，本文只研究50Hz 以下的振動。某型直升機地板50Hz 以下的垂向振動參數如表3 所示，利用Runge-Kutta 4 階算法仿真。

表3 直升機地板振動參數

根據表3 可以模擬地板的位移zf，從而計算出地板對座椅的激勵。

分別計算線性懸掛（去掉負剛度結構）和非線性懸掛下人體及座椅的動態響應，并根據ISO-2631 計算各部位加速度的均方根RMS，結果如圖4 和圖5 所示。

圖4 地板及座椅位移

圖5 線性及非線性懸掛下各部位的加速度均方根

由圖4 和圖5 可以看出，非線性懸掛座椅的響應幅度小于線性座椅。相對于線性懸掛，非線性懸掛下座椅的RMS 降低了54.21%，腹部的RMS 降低了44.98%，內臟的RMS 降低了46.61%，胸部的RMS 降低了47.57%，頭部的RMS 降低了48.38%。

5 結語

非線性懸掛系統的準零剛度只在一個較小的位移范圍內成立，而在這個范圍之外，它的變化非常大，會引起嚴重的非線性響應。如果能正確選擇基于正負剛度并聯的懸掛系統的設計參數，懸掛能顯著減小從地板傳遞給機組的振動。仿真研究表明，如果正確選擇懸掛系統的設計參數，可以減少傳遞給座椅和直升機機組的振動。與線性懸掛相比，非線性懸掛下座椅的RMS 降低了54.21%，腹部的RMS 降低了44.98%，內臟的RMS 降低了46.61%，胸部的RMS 降低了47.57%，頭部的RMS 降低了48.38%。