直升機安全氣囊約束系統仿真及試驗研究

盧熾華, 何正志, 羅運強, 付文斌, 劉志恩*, 張帆, 安宏杰

(1.武漢理工大學汽車工程學院, 武漢 430000; 2.湖北航鵬化學動力科技有限責任公司, 襄陽 441003)

直升機具有空中懸停、低空低速飛行、機動靈活等特點,應用領域十分廣泛;隨著國防力量的增強,中國對直升機性能要求更高。《中國制造2025》重點領域技術創新綠皮書中指出,中國要推進直升機產業化。未來中國直升機產業將會高速發展,直升機的數量也將持續增長并且直升機廣泛應用于地形勘測、飛行救援、緊急救援、醫療援助、商務運輸等軍事民用領域[1]。因此,消除直升機事故隱患,保障飛行員及乘員生命安全具有重要意義。

對于直升機被動安全及氣囊相關的研究,1980年美國陸軍航空應用技術理事會(army aviation application technology directorate, AATD)已經圍繞其展開研究,它將汽車座艙的安全氣囊防護技術移植到武裝直升機上。Alem[2]以“眼鏡蛇”和“阿帕奇”武裝直升機為研究對象,驗證了安全氣囊系統能顯著降低碰撞過程中乘員頭部損傷。Jackson等[3]開展美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)多次飛行器墜撞試驗,為飛行器抗墜毀提供了大量試驗數據。林鷹[4]總結一系列的碰撞安全試驗,表明配備安全氣囊的直升機,其安全性能得到明顯提升,飛行員死亡事故率可下降25%,重傷和輕傷者可減少50%以上。目前直升機安全氣囊系統在歐美國家已處于批量裝備且逐步優化階段,但是國際上一直對中國進行技術封鎖。

中國直升機安全氣囊系統的研究還處于起步階段,對直升機被動安全性能研究主要集中在外部式氣囊、起落架、吸能座椅和機身及材料等方面[5-10]。孫建紅等[5]采用任意拉格朗日-歐拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)方法對直升機外部浮囊著水過程進行數值模擬,并對流場特性和整機漂浮力學特性進行分析。王哲[6]采用有限體積法對AC312C直升機前飛流場進行數值模擬,研究了巡航狀態下不同構型的外部式應急氣囊意外展開對直升機氣動特性的影響。崔濱[7]以艦載直升機起落架為研究背景,分析自適應起落架控制原理并搭建動力學模型,基于BP(back propagation)神經網絡和比例積分微分(proportional integral derivative,PID)控制器優化控制策略,實現了起落架自適應隨動控制。李彪[8]探索旋轉式磁流變吸能裝置的設計方法和控制策略,并應用于直升機座椅,通過跌落測試驗證了磁流變緩沖座椅能更好保護人體安全。劉曉豐等[9]針對直升機旋翼系統關鍵結構件金屬材料TB6鈦合金,進行了劃傷和沖擊容限性能研究。蔡建綱等[10]針對直升機機身鋁合金框架開展了子彈穿擊損傷特性研究。

現借鑒汽車安全氣囊約束系統開發和相關法律法規,對某型號直升機駕駛艙安全氣囊約束系統進行仿真分析與試驗研究,突破直升機乘員保護的“卡脖子”技術,為中國直升機安全氣囊被動防護領域提供研究基礎。

1 直升機駕駛艙仿真模型建立

為了評估安全氣囊對于飛行員的保護效果,針對某型號直升機,構建駕駛艙及約束系統仿真模型。主要包括駕駛艙框架、安全氣囊、假人、座椅、安全帶。

為方便仿真和試驗,根據該直升機駕駛艙三維模型在Catia中建立簡易框架模型。框架模型分為內外兩個部分,外部框架整體結構為長方體以便進行吊裝完成垂直跌落試驗。內部框架整體向前方向傾斜15°以模擬直升機真實墜機工況。整個框架2 000 mm(長)×970 mm(寬)×1 750 mm(高)。直升機駕駛艙框架模型如圖1所示。安全氣囊放置于內部框架儀表板處,經氣體發生器點火后,安全氣囊向上展開與直升機前擋風玻璃接觸后,再向內艙伸展從而保護飛行員。使用Hybrid Ⅲ型50百分位男性假人模擬飛行員。因為直升機墜落時常伴隨旋轉工況,故采用五點式安全帶,即兩條肩帶和兩條腰帶將飛行員牢牢固定在座椅上,一條跨帶限制飛行員下潛。兩條肩帶經座椅靠背上掛點連接至座椅背后卷收器,兩條腰帶分別固定在坐墊骨架后方兩側。織帶均使用彈簧-阻尼單元建模,由1D單元和2D單元構成,厚度1 mm。調整織帶長度和假人坐姿,保證安全帶能限制假人位移,假人座椅安全帶模型之間沒有單元穿透。假人座椅安全帶約束有限元模型如圖2所示。

圖1 直升機駕駛艙框架模型Fig.1 Helicopter cockpit frame model

圖2 假人座椅安全帶有限元模型Fig.2 Finite element model of dummy seat belt

2 直升機氣囊的設計及對標

2.1 直升機氣囊的設計

針對直升機駕駛艙,相較于汽車駕駛艙,其空間更大且沒有轉向盤放置集氣盒,故借鑒PAB乘員側安全氣囊作為直升機駕駛艙安全氣囊。氣囊發生器位于儀表板內部,ECU(electronic control unit)發出點火信號后氣囊開始充氣,突破儀表板撕裂線后向上伸展與擋風玻璃彈性接觸后反彈至飛行員側,從而在發生事故時避免飛行員頭部和胸部與駕駛艙發生二次碰撞。設計的安全氣囊由一片長條形織布和兩片腰形織布拼接構成,內部設有拉帶和排氣孔。充滿氣體后氣囊體積約為80 L,縱向厚度為600 mm,充氣模型如圖3所示。

圖3 安全氣囊充氣模型Fig.3 Airbag inflation model

2.2 直升機氣囊有限元模型建立

使用HyperMesh對直升機安全氣囊進行結構離散,網格采用平均尺寸為3 mm的四邊形薄膜單元。氣囊織物由經線和緯線90°編織而成,采用尼龍66(PA66)各項異性材料,該材料具有良好的氣密性和物理機械性能,可有效避免氣體發生器產生的高溫氣流灼燒飛行員,同時保證氣囊不會因為高速氣流產生巨大的瞬間沖擊力而破損且具有適中的剛度[11]。基于以上力學特性,在有限元軟件LS-DYNA中使用MAT_034柔性體材料。目前主流安全氣囊展開算法有:控制體積法(control volume, CV)、顆粒法(corpuscular particle method, CPM)和計算流體力學法(computational fluid dynamics, CFD)。主要使用顆粒法,顆粒法的本質是用一些隨機運動的剛性顆粒去替代氣體分子通過尋找顆粒與分子的共同特性來找尋能夠替代分子的有效仿真辦法[12]。該方法能較好的模擬氣體噴射運動過程,氣囊展開過程更加符合真實情況。

2.3 直升機氣囊的折疊

所設計的PAB安全氣囊結構復雜,由三片形狀不規則的曲面構成,難以在LS-DYNA軟件的DynFold模塊下按照傳統的方式進行折疊,故采用壓縮仿真的形式進行折疊。壓縮仿真即指在LS-DYNA軟件中設置若干剛性墻,按照實際氣囊的折疊方式設置剛性墻和剛性柱的移動順序,首先通過兩根剛性柱子擠壓氣囊肋部,然后剛性墻從四周施加強制位移擠壓氣囊表面,最終將氣囊壓縮到實際折疊大小。折疊后對氣囊進行動態松弛,消除殘余應力,防止網格畸變和穿透。壓縮過程如圖4所示。

圖4 安全氣囊壓縮過程Fig.4 Airbag compression process

氣囊的折疊方式會影響氣囊的最終展開形狀。壓縮方式折疊的氣囊只能粗略模擬氣囊的折疊過程,對氣囊的展開形狀會有影響。在*AIRBAG _REFERENCE_GEOMETRY關鍵字中將充滿狀態下的氣囊三維空間坐標設置為該氣囊的參考幾何。通過建立參考幾何可以使氣囊展開后的最終形狀不受氣囊折疊方式的影響[13]。

2.4 直升機氣囊靜態起爆試驗對標

靜態起爆試驗是跌落碰撞試驗前檢查直升機氣囊匹配性的重要試驗方法。起爆臺架按照直升機駕駛艙實際布局設置,氣囊底部連接氣體發生器并塞進集氣盒內部,固定整個擋板和集氣盒,手動觸發點火信號,在側面布置一臺高速攝像機記錄氣囊展開過程。通過對標不同時刻仿真模型輸出動畫和試驗錄像驗證直升機安全氣囊的精確性。

靜態起爆仿真動畫與試驗對比如圖5所示,由不同時刻對比可以看出,氣囊仿真展開過程與試驗基本一致,氣囊在10 ms時刻向上彈起接觸擋板,經反彈后在25 ms時刻向前伸展到最大距離,并在40 ms時刻完全展開,驗證了該氣囊的精確性。

圖5 氣囊靜態起爆仿真及試驗對照圖Fig.5 Airbag static detonation simulation and test

3 直升機跌落碰撞模型驗證

建立直升機整機約束系統仿真模型,設置整機跌落碰撞工況,參照汽車碰撞安全評價標準輸出飛行員各類損傷值,并根據整機跌落碰撞試驗錄像完成模型驗證。

3.1 整機跌落碰撞工況設置

直升機跌落仿真的邊界條件為飛機從3 m高空做自由落體運動,故需設置重力加速度9.8 m/s,接地速度7.9 m/s以及地面約束,建立假人、地面、駕駛艙和安全氣囊之間的相互接觸。

直升機跌落試驗采用4根鋼絲繩分別穿過頂部框架4個吊耳,4根鋼絲繩長度均勻將直升機駕駛艙水平懸吊在3 m高空。背景墻采用白色坐標幕布,使用幀速率1 000 fps高速攝像機記錄直升機跌落全過程。現場試驗布置如圖6所示。

圖6 現場試驗布置Fig.6 Field test arrangement

3.2 整機仿真結果分析及模型驗證

使用HyperView導入d3plot動畫文件,直升機跌落仿真運動圖如圖7所示。氣囊在10 ms時刻彈開與儀表盤上部發生接觸開始向前運動,氣囊在20 ms時刻運動至駕駛艙中間主框架,假人在50 ms時刻與彈出的安全氣囊發生接觸。通過對比試驗結果可知,直升駕駛艙跌落仿真初期與膨脹飽和后期擬合度較好,但在中間時間段存在稍許不同,由于該試驗主要關注安全氣囊對飛行員的保護效果,故判定此模型可靠有效,可以作為后續優化方案基礎模型。整機跌落仿真及試驗對照如圖7所示。

圖7 整機跌落仿真及試驗對照圖Fig.7 Helicopter drop simulation and test control chart

參照CNCAP法規中乘員傷害高評價標準:頭部損傷指標為650,壓縮形變量為22 mm,腿部軸向力3.8 kN[14]。提取假人頭部加速度曲線,計算頭部損傷值HIC36=219.3,胸部壓縮變形量D=11.342 mm,左大腿軸向力FL=1.584 kN,右大腿軸向力FR=1.527 kN,均滿足高評價標準。

4 約束系統參數對飛行員損傷程度分析

4.1 約束系統靈敏度分析

選取氣囊體積、泄氣孔直徑、點火時刻、質量流量縮放率、安全帶織帶剛度和預緊力6個設計變量對飛行員損傷程度進行靈敏度分析。試驗設計如表1所示。選取乘員損傷值作為靈敏度分析輸出結果。乘員損傷值是評價乘員約束系統性能的重要指標,損傷指標涉及假人的頭部、胸部、腿部等多個部分[15]。由各試驗工況得到頭部損傷值(HIC)、胸部3 ms加速度(C3 ms)、胸部壓縮量(D)和左右大腿軸向力,計算飛行員綜合損傷值(WIC),靈敏分析結果如表2所示。

表1 靈敏度分析試驗設計Table 1 Sensitivity analysis experimental design

表2 靈敏度分析結果Table 2 Sensitivity analysis results

由各試驗方案計算結果可知,頭部HIC值對氣囊體積敏感程度最高;胸部3 ms加速度和胸部壓縮變形量對安全帶限力值敏感程度最高;左右大腿軸向力在各試驗方案中均無明顯變化。其中氣囊體積、排氣孔直徑、質量流量縮放率和安全帶限力值對WIC影響度最高,故采取該4個設計參數進行優化。

4.2 約束系統正交試驗

由靈敏度分析結果可知,選取氣囊體積、排氣孔直徑、質量流量系數和安全帶限力值4個對飛行員損傷值影響最大的因素作為優化設計參數,每個參數設置4個水平變量,組成四因素四水平正交試驗方案,總試驗次數為16次。以飛行員綜合損傷值WIC作為評價指標,正交試驗設計及計算結果如表3和表4所示。

表3 正交試驗Table 3 Orthogonal test

表4 正交試驗矩陣Table 4 Orthogonal test matrix

4.3 約束系統極差分析

根據正交試驗計算結果對飛行員各損傷值進行極差分析得到各因素對HIC、胸部3 ms加速度和胸部壓縮量等貢獻程度,各極差分析結果如表5所示。

表5 極差分析Table 5 Range analysis

由表5極差分析可知,在直升機安全氣囊約束系統中安全帶限力值對飛行員綜合損傷值WIC影響最大,影響程度最小的因素是排氣孔直徑;最大極差和最小極差分別為0.127和0.070,其極差比為1.81;對飛行HIC影響程度排序依次是氣囊體積、排氣孔直徑、安全帶限力值和質量流量系數,其中質量流量系數對飛行員HIC影響最小,最大極差與最小極差比值為2.39;安全帶限力值對胸部3 ms加速度和胸部壓縮量影響程度均為最大,排氣孔直徑均為最小影響因素。

經過一系列極差分析可知,直升機駕駛艙安全氣囊約束系統中,安全帶限力值是最為關鍵的參數。由于航空座椅采用的是五點式安全帶,對飛行員起到很好的限力限位作用,該因素在各項損傷指標中均有較大貢獻量,故安全帶限力值應該為直升機駕駛艙安全氣囊約束系統匹配設計首要考慮因素。其次是安全氣囊體積、質量流量系數和排氣孔直徑。通過對表5的分析,安全帶限力值在水平2上具有最優解,氣囊體積在水平1上具有最優解,質量流量系數和排氣孔直徑分別在水平2和水平3上有最優解。綜合四因素得到最優方案,氣囊體積71 L,排氣孔直徑35 mm,質量流量系數0.9,安全帶限力值3 kN,最優參數如表6所示。以該方案為參數指導,進行直升機駕駛艙跌落仿真,得到最優目標解WIC為0.341,較優化前降低了8.91%。直升機整機模型優化前后飛行員損傷對比如表7所示。

表6 最優參數Table 6 Optimal parameters

表7 直升機約束系統優化前后飛行損傷對比Table 7 Comparison of flight damage before and after optimization of helicopter restraint system

5 結論

針對直升機駕駛艙設計了安全氣囊約束系統,使用剛性墻壓縮折疊安全氣囊,建立了整機有限元模型,通過正交試驗和極差分析確定了安全帶限力值、安全氣囊體積、質量流量系數和排氣孔直徑四個主要影響參數,并根據試驗結果對約束系統進行優化,使WIC下降了8.91%。并利用了安全氣囊靜態起爆試驗和整機跌落試驗驗證了氣囊約束系統的有效性,為中國直升機安全氣囊被動防護領域提供了一定研究基礎,為直升機被動安全設計提供了一定指導意見。