本發(fā)明屬于直升機救生與機上設備系統(tǒng)領域，具體涉及一種直升機適墜座椅的動態(tài)設計方法。

背景技術：

國內(nèi)直升機適墜座椅的傳統(tǒng)設計主要是根據(jù)人體在墜毀過程中的可承受載荷設計翻卷管吸能裝置的翻卷力：

F_翻卷＝F_{人體可承受}/λ₁

其中：λ₁——動響應系數(shù)，根據(jù)大量試驗經(jīng)驗獲得。

國內(nèi)現(xiàn)有設計方法是一種半經(jīng)驗的準靜態(tài)設計，其設計過程必須通過大量實驗獲得動響應系數(shù)，將人體可承受的動態(tài)慣性載荷轉(zhuǎn)化為座椅翻卷管穩(wěn)定的翻卷力。整個設計過程中人體剛度、座椅結(jié)構剛度、以及各種阻尼在墜毀過程中的對人體響應載荷的影響全部由動響應系數(shù)決定，座椅各部分(主結(jié)構、吸能裝置、束帶裝置)的設計無關聯(lián)性，故現(xiàn)有設計方法無法體現(xiàn)座椅結(jié)構剛度、以及各種阻尼對人體響應載荷的影響。由于傳統(tǒng)的設計歸根結(jié)底是一種靜態(tài)的設計方法，很難體現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)特性，且響應系數(shù)由試驗給出，設計成本很高。

例如，專利號為CN 103249643A的中國發(fā)明專利中提到了一種航空座椅椅盆與椅管的連接固定裝置，其特征在于：在椅盆與椅管間增加一連接裝置裝置，連接裝置采用半圓形卡箍結(jié)構，其一端固定在椅盆的底面，另一端與椅管進行裝配的裝配端設有缺口；所述的連接裝置采用彈性材料制成，連接裝置分為兩組，每組均為若干個，每一組的中軸線均在同一條直線上，兩組連接裝置之間的距離等于椅管之間的距離。

再如，專利號為CN201729274U的中國實用新型專利中提到了一種減震彈射座椅，在椅背和椅座上設有橡膠壓縮塊。該實用新型的主要優(yōu)點是飛行員在遇到彈射等突發(fā)情況時，減少受傷的概率。另外在飛行員駕駛戰(zhàn)斗機做正向的大過載時也會減少飛行員的痛苦。在正常駕駛飛機時，飛行員也會感到更加舒適。

再如，專利號為CN201313634的中國實用新型專利提到了一種整體吸能航空座椅，該實用新型采用整體式的椅腿，即前椅腿和后椅腿互相聯(lián)系，在飛機墜地過程中，支撐桿可將飛機墜地產(chǎn)生的能量傳遞給斜桿，使斜桿變形，從而有效地吸收沖擊能量，達到保護乘員的目的。

技術實現(xiàn)要素：

為了體現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)特性，本發(fā)明提供了一種直升機適墜座椅的動態(tài)設計方法，包括：

第一步、獲得墜毀過程中座椅的典型外部沖擊載荷；

第二步、以典型外部沖擊載荷、人員典型質(zhì)量、身體典型剛度作為設計輸入，建立系統(tǒng)動力學方程；

第三步、根據(jù)翻卷管吸能器的線彈性剛度，將系統(tǒng)動力學方程變化為分段響應形式，得到離散微分方程組；

第四步、根據(jù)離散微分方程組計算得出人體腰椎在墜毀沖擊過程中出現(xiàn)的動態(tài)峰值載荷；

第五步、根據(jù)人體腰椎在墜毀沖擊過程中出現(xiàn)的動態(tài)峰值載荷修訂翻卷管參數(shù)與座椅剛度，設計出具體座椅結(jié)構。

優(yōu)選的是，對設計出的座椅結(jié)構進一步包括強度校核。

上述方案中優(yōu)選的是，所述第五步包括迭代算法進行最優(yōu)求解。

上述方案中優(yōu)選的是，所述第四步中，通過隱式NEWMARK平均加速迭代算法進行求解。

上述方案中優(yōu)選的是，所述第二步的建模過程包括將模型設定為人體剛度和人體阻尼集中體現(xiàn)在人體軀干的步驟。

上述方案中優(yōu)選的是，所述建模過程包括將人體質(zhì)量離散為上半身質(zhì)量和下半身質(zhì)量，并將座椅質(zhì)量附加到人體下半身質(zhì)量中去的步驟。

上述方案中優(yōu)選的是，所述動力學方程組為：

其中，M，C，K為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，s為座椅墜地時的沖擊位移，t為對應的時間。

本發(fā)明通過對直升機墜毀沖擊過程進行力學建模，從系統(tǒng)動態(tài)響應的視角形成適合抗墜毀座椅設計的動態(tài)力學模型，能客觀分析出各影響因素對人體腰椎動態(tài)載荷的影響，從而指導參數(shù)的設計。本發(fā)明可大大降低設計成本，降低設計周期。

附圖說明

圖1為本發(fā)明直升機適墜座椅的動態(tài)設計方法的一優(yōu)選實施例的力學分析示意圖。

圖2為本發(fā)明圖1所示實施例的建模示意圖。

圖3為本發(fā)明圖1所示實施例的翻卷力與響應載荷關系示意圖。

圖4為本發(fā)明圖1所示實施例的座椅及吸能裝置綜合剛度與響應載荷示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行更加詳細的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制。

本發(fā)明提供了一種直升機適墜座椅的動態(tài)設計方法，包括：

第一步、獲得墜毀過程中座椅的典型外部沖擊載荷；

第二步、以典型外部沖擊載荷、人員典型質(zhì)量、身體典型剛度作為設計輸入，建立系統(tǒng)動力學方程；

第三步、根據(jù)翻卷管吸能器的線彈性剛度，將系統(tǒng)動力學方程變化為分段響應形式，得到離散微分方程組；

第四步、根據(jù)離散微分方程組計算得出人體腰椎在墜毀沖擊過程中出現(xiàn)的動態(tài)峰值載荷；

第五步、根據(jù)人體腰椎在墜毀沖擊過程中出現(xiàn)的動態(tài)峰值載荷修訂翻卷管參數(shù)與座椅剛度，設計出具體座椅結(jié)構

下面通過實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。

本發(fā)明中直升機適墜座椅動態(tài)設計方法綜合考慮人體與座椅的重量、剛度以及阻尼在整個墜毀過程中對墜毀各階段的影響，動態(tài)地分析和仿真墜毀過程中各階段人體腰椎響應力與吸能力間的關系來指導座椅的結(jié)構與吸能裝置的設計。

本發(fā)明通過對直升機墜毀沖擊過程進行力學建模，如圖1及圖2所示，從系統(tǒng)動態(tài)響應的視角形成適合抗墜毀座椅設計的動態(tài)力學模型，通過系統(tǒng)動態(tài)響應結(jié)果展開抗墜毀設計。本發(fā)明的主要實施步驟如下：

1.根據(jù)墜毀過程統(tǒng)計規(guī)律，得出墜毀過程中座椅的典型外部沖擊載荷。

2.以典型外部沖擊載荷、人員典型質(zhì)量、身體典型剛度等作為設計輸入，建立系統(tǒng)動力學方程：

1)將模型設定為人體剛度和人體阻尼集中體現(xiàn)在人體軀干，如此可以在體現(xiàn)出人體腰部對系統(tǒng)本質(zhì)影響的同時，大大簡化計算模型；

2)人體質(zhì)量離散為上半身質(zhì)量和下半身質(zhì)量，并將座椅質(zhì)量附加到人體下半身質(zhì)量中去，如此可以最大限度的簡化計算模型，同時由于該簡化不改變腰椎以上的系統(tǒng)，故簡化模型的同時不影響腰椎以上的系統(tǒng)。

3)為了體現(xiàn)座椅吸能裝置剛度、阻尼和座椅結(jié)構剛度、阻尼的影響，將該部分視為無質(zhì)量的剛度、阻尼系統(tǒng)進行串聯(lián)(如圖1所示)。對于腰部載荷計算，必須如此構建離散系統(tǒng)，才可以在使用人體上半身、人體下半身+座椅進行離散建模而不影響腰椎處載荷計算結(jié)果。

3.通過以上模型的建立，可以使用“直接剛度”法快速建立動力學方程組：

其中，M，C，K為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，s為座椅墜地時的沖擊位移，t為對應的時間，式中還包括一階導與二階導。由于結(jié)構使用的是翻卷管式吸能器，故需對C矩陣做處理，形成分段，同時剛度矩陣K中關于吸能器剛度應直接考慮翻卷管吸能器的線彈性剛度，當吸能裝置進入吸能階段時，屈服力轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)阻尼形式(與系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)無關)計入阻尼矩陣，因此可將計算方程變化為分段響應形式。又由于設計僅關注沖擊階段腰部的峰值載荷，故計算可進一步簡化并進行時間分段離散計算，方程組如下：

4.得到離散微分方程組后，需要求解該瞬態(tài)沖擊動力學系統(tǒng)。對該墜毀過程的具體動力學方程組進行NEWMARK方法的程序編寫，使用隱式NEWMARK平均加速迭代算法進行求解：

1)首先構造載荷子程序。將典型沖擊載荷與穩(wěn)態(tài)阻尼結(jié)合，構造出方程組右邊項計算的子程序。

2)根據(jù)該方程組，編寫NEWMARK子程序。將質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣、載荷向量、時間離散向量、動力系統(tǒng)初值、NEWMARK算法系數(shù)(M,K,C,F,t,xva0,parameters)作為輸入接口參數(shù)；然后根據(jù)時間離散情況和算法系數(shù)構造8個NEWMARK系數(shù)，并結(jié)合M、C、K矩陣構造等效靜態(tài)剛度矩陣和NEWMARK迭代。最后輸出計算得到的系統(tǒng)每個自由度的動力學參數(shù)：位移、速度、加速度。

3)進行人體腰椎動態(tài)載荷主程序和敏感度分析主程序的編寫。動態(tài)載荷計算主程序首先識別各個自由度加速度響應，然后結(jié)合人體上半身質(zhì)量系數(shù)(根據(jù)人體工程學，可以考慮人體上半身質(zhì)量與人體總質(zhì)量的比例在統(tǒng)計意義上是恒定的)進行慣性載荷計算，考慮到人體腰椎是沖擊過程中上半身主要的傳力路徑，從而可得出人體腰椎在墜毀沖擊過程中出現(xiàn)的動態(tài)峰值載荷，進而得到吸能裝置翻卷力與響應載荷之間的關系，如圖3所示。敏度分析程序是在動態(tài)載荷計算主程序基礎上加上循環(huán)計算結(jié)構即可實現(xiàn)參數(shù)向量和腰椎動態(tài)載荷的敏度分析。

5.結(jié)合人體工程學和設計要求，可以使用該程序?qū)﹃P鍵設計參數(shù)(翻卷管參數(shù)、座椅剛度)進行敏感度分析，參考圖3及圖4，其中圖4為座椅吸能裝置綜合剛度與響應載荷之間的關系，根據(jù)分析結(jié)果進行迭代設計，使得計算出的動態(tài)峰值載荷滿足人體工程學和適航要求。

6.使用迭代設計得到的特性參數(shù)作為結(jié)構詳細設計的目標，在最終實現(xiàn)具體的結(jié)構設計。

7.最后對結(jié)構進行強度校核。

本發(fā)明的關鍵技術點如下：

1.本發(fā)明創(chuàng)新性地建立直升機適墜座椅的動態(tài)分析力學模型，并根據(jù)力學模型綜合考慮座椅剛度、座椅阻尼、人體剛度、人體阻尼等因素建立座椅墜毀過程中的數(shù)學模型。

2.根據(jù)數(shù)學模型、設計要求編制的適合直升機抗墜毀設計工作流程的計算代碼；

3.求解該力學模型的NEWMARK算法。

4.本發(fā)明可直觀分析出關鍵設計參數(shù)(翻卷管參數(shù)、座椅剛度)對腰椎動態(tài)載荷的敏感度，從而指導關鍵設計參數(shù)(翻卷管參數(shù)、座椅剛度)設計，并可通過迭代設計進行結(jié)構優(yōu)化與設計。

5.本發(fā)明不僅不應用于翻卷管式適墜座椅的設計，同時該理論模型也可用于指導新式適墜座椅的設計(如變載適墜座椅的設計)。

本發(fā)明通過對直升機墜毀沖擊過程進行力學建模，從系統(tǒng)動態(tài)響應的視角形成適合抗墜毀座椅設計的動態(tài)力學模型，能客觀分析出各影響因素對人體腰椎動態(tài)載荷的影響，從而指導參數(shù)的設計。本發(fā)明可大大降低設計成本，降低設計周期。

該設計方法了適用于軍機、民機抗墜毀座椅的設計。本發(fā)明通過在某型民機上的具體應用，并與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析：腰椎動態(tài)載荷的響應曲線載荷峰值出現(xiàn)時間及曲線走勢契合度達到99％；載荷峰值大小契合度達到80％，其誤差因設計假設人體剛度和人體阻尼集中體現(xiàn)在人體軀干而產(chǎn)生，后續(xù)的進一步優(yōu)化可解決此類問題。

最后需要指出的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制。盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精神和范圍。