基于MADYMO的航空座椅约束系统优化设计.docx

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基于MADYMO的航空座椅约束系统优化设计

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李杰解江袁鹏冯振宇

【摘要】本文以优化某航空座椅约束系统为目的，建立了某假人/座椅约束系统多刚体模型，运用MADYMO软件进行分析。首先运用某机型座椅坠撞试验数据进行比照，验证建模方法的有效性。其次建立某型座椅模型进行坠撞仿真试验。最后，采用正交试验极差分析法，设计五因素四水平试验方案，对该航空座椅进行优化设计。最终结果表明：该优化设计方法使得乘员的脊椎载荷减小了11.14%，显著降低了乘员的损伤风险。

【关键词】坠撞；航空座椅；正交试验；仿真

0引言

对航空事故的调查表明，如果飞机结构设计过程中考虑坠撞安全性因素，那么92.8%的坠撞事故都将是可生存或部分可生存的，从而可以大大提高乘员的生存率[1-2]。对于民用飞机而言，除了满足基本的飞行要求以外，还必须具有很高的可靠性和安全性，因此开展飞机结构适坠性的研究非常必要。在飞机发生坠撞过程中，主要利用机身底部的吸能结构，来减缓吸收坠撞的冲击能量，从而保证飞机结构的完整性。然而，从提高乘员的生存率的方面考虑，座椅系统是关键设备，对乘员的安全有重要影响。

国外对于航空座椅及假人动态响应进行了大量的研究，尤其是包含假人/座椅系统的整机坠撞研究。1995年，E.Schuller等人根据9g静力试验和16g动力试验的要求对座椅的稳定性和乘客的保护措施进行研究，结果表明严重撞击引起的座椅变形，将会影响乘员的生存和逃生空间[3]。2006年，PatilA.A对儿童座椅及约束系统的建模和性能进行了评估，其利用Hypermesh和MADYMO程序对两种儿童座椅进行有限元建模，并进行了动力学仿真，最终证明了模型的有效性。2008年，JohnRasmussen和MarkdeZee等人研究通过优化航空座椅的坐垫和靠背等参数以达到最佳的空间舒适度和安全性。

我国对于航空座椅及其假人动态响应的研究起步较晚，而且主要集中在计算机仿真研究。2007年，西北工业大学的周昊等人，采用LS-DYNA软件建立座椅有限元模型和HybridⅡ型假人多刚体模型，模拟了航空座椅和假人在冲击中的响应过程，评估了航空座椅结构的动态冲击性能。南京航空航天大学的何欢等人，使用带有HybridIII型标准假人的全机模型进行了纵向坠撞分析，并根据乘员的动态响应，提出了座椅约束系统的设计改进方案。

本文以某型航空假人/座椅约束系统多刚体模型为基础，对座椅靠背角度、坐垫刚度、安全带刚度和安全带锚点位置等主要影响因素设定3种不同水平（变量值），以人体脊椎受力为评价指标，采用正交试验设计极差分析法进行优选，得到最优化的模型，最后分析优化结果的仿真数据，证明优化结果的优良性。

1MADYMO理论基础

本文采用MADYMO多刚体动力学仿真软件，进行乘员的运动和动力响应计算和分析。乘员与座椅系统由多个刚体所组成，MADYMO对多刚体系统的动力学算法采用达朗伯-拉格朗日方程描述，以刚体来代表座椅系统和假人，各刚体之间的相互作用通过接触来定义，刚体表面无变形，而作载荷和响应数据依据穿透量和接触特性来计算。因此，仅限于研究乘员的冲击动态响应问题。

2假人/座椅约束系统建模方法的验证

在MADYMO软件建模中，座椅部件、安全带的建立、假人的调用和坐姿的调整，模型中接触的合理定义，对假人响应的正确性起到了决定性的影响。建模方法的准确合理性，成为了模型是否有效的关键点。因此，首先对标仿真模拟MD-500型直升机坠撞试验，以此验证建模方法的合理有效性。

2.1试验简介

2009年12月，美国NASA在Langley研究中心针对MD-500直升机进行了全尺寸坠撞试验[8]，试验假人为四点式安全带的HybridIII型50百分位男性假人。测得驾驶员座椅处的坠撞速度、加速度脉冲和假人头部、胸部和盆骨处加速度响应。

2.2模型建立

由于在试验中，测得了座椅处的加速度脉冲，因此建立简化的假人/座椅约束系统模型，其中座椅包括坐垫和靠背的椭球实体。安全带选用MADYMO自带的混合型安全带，定义有限元安全带参数，指定安全带与假人身体的贴合部位，模块化建立两条肩部安全带和腰部安全带。然后，采用命令CONTACT.MB_FE对安全带与人体部位进行接触定义，其中主面MASTER_SURFACE选择人体，从面SLAVE_SURFACE为有限元安全带。此外，选择与试验相同的HybridIII型50百分位男性仿真假人，其坐姿按照实际假人坐姿进行调整。将测得的速度及加速度脉冲加载在座椅上，进行仿真试验。

2.3方法验证

由于在坠撞试验中，垂直Z向加速度最大，对人体损伤也最严重，因此选择输出头部、胸部和盆骨处的垂直方向加速度响应曲线，与试验进行对照，验证建模方法的有效性.。

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