本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-飛機(jī)座椅結(jié)構(gòu)適航驗(yàn)證技術(shù)研究

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文PAGEPAGEII摘要隨著航空運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，飛行事故也日益增加，飛行乘員的人身安全應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁玫谋Ｕ?，為此，近年?lái)有關(guān)飛機(jī)適航驗(yàn)證的研究逐漸增加，關(guān)于飛機(jī)適航的設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)方法、試驗(yàn)手段、仿真驗(yàn)證方法等都有了很大的發(fā)展。我國(guó)大型民用客機(jī)的快速發(fā)展，對(duì)飛機(jī)適航驗(yàn)證的研究有比較迫切的市場(chǎng)需求，商用客機(jī)和軍用飛機(jī)也需要考慮迫降情況的乘員安全。本文對(duì)飛機(jī)座椅適航驗(yàn)證的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)方法進(jìn)行了分析和總結(jié)，并對(duì)飛機(jī)座椅的有限元模型進(jìn)行了靜強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度的模擬驗(yàn)證。完成的主要工作有：介紹了我國(guó)民機(jī)適航研究的發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用前景；根據(jù)適航驗(yàn)證條例，概括出關(guān)于飛機(jī)座椅的設(shè)計(jì)要求，通過現(xiàn)有準(zhǔn)則，提出一些飛機(jī)座椅的設(shè)計(jì)措施；根據(jù)飛機(jī)座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的適航要求，對(duì)農(nóng)5A型飛機(jī)進(jìn)行了座椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析，提出有限元模型建立原則。對(duì)駕駛員座椅驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥饔迷诎踩珟Ш图鐜系妮d荷進(jìn)行計(jì)算，并將載荷加載到有限元模型上，分別進(jìn)行了靜強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度的適航驗(yàn)證模擬，計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)改進(jìn)后，順利完成強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)。本文順利進(jìn)行了飛機(jī)座椅結(jié)構(gòu)適航取證的模擬驗(yàn)證，對(duì)大型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)適航取證及驗(yàn)證技術(shù)提供了思路和方法。關(guān)鍵詞：適航，座椅，有限元模型ABSTRACTWiththedevelopmentofgeneralaviationindustry,peoplearesufferingmoreairaccidents,andpersonalsafetiesofcrewsareconcernedfarthermore.Consequently,researchesonairworthinessoftheaircraftareincreaseddramatically,andtheaircraftdesignrequirements,designcriteria,thekeydesigncomponents,testingtools,simulationmethodsandsoon,aregreatandrapidlydeveloped.Boomingoftheinternalgeneralaviationindustryalsoperformmorepressingmarketdemands.Safetiesofcrewforbothcommercialandmilitaryaircraftsinthecaseofforcedlandingarealsoconsideredmoreimportant.Inthepresentpaper,theaircraftcontrolsurfaceandverificationofseatairworthinesscriteria,designmethodsandtestmethodsarediscussed,andthesmoothseatontheplanefiniteelementmodelforthestaticstrengthanddynamicstrengthofthesimulation.1.

AirworthinessresearchonChina'sdevelopmentandresearchprospectsissummarized;2.

Accordingtotheairworthinessregulations,theaircraftcontrolsurfacesaswellastheseatofthedesignrequirementsaresummarized.Throughexistingguidelines,someaircraftcontrolsurfacesandseatingdesignmeasuresareproposed;3.

Throughthediscussionofaircraftcontrolsurface,theexistingaircraftcontrolsurfaceproblemsareproposed.Theaircraftaileron,horizontaltailandrudderdesignareanalyzedandanumberofdesignmeasuresaresuggested;4.

AccordingtotheaircraftseatdesignrequirementsforN5Aaircraft,ananalysisofstructuralstrengthofseatsiscarriedout.Someprinciplesoffiniteelementmodelarebroughtforward.VerificationtestsonthedriverseatbyFEMmodel,theseatbeltsandshoulderstrapsontheloadcalculation,andthenthecomputationisperformedbyaddingittotheseatintensityFEMmodel.Afterimprovementbasedontheintensitycomputationresults,theseatpassedintensityverificationtest.Thispaperfinishedtheverificationofairworthinesssmoothly,anditprovidesideasandmethodforlargeaircraftairworthiness.KEYWORDS：airworthiness,controlsurface,seats,finiteelementmodel本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文目錄第一章緒論 11.1飛機(jī)結(jié)構(gòu)適航研究概述 11．2本文主要研究對(duì)象及方法 1第二章適航驗(yàn)證技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展 32.1適航驗(yàn)證技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展 32.2適航條例對(duì)飛機(jī)操縱面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 52.1.1概述 52.2.2飛機(jī)飛行姿態(tài)及載荷定義 62.2.3適航條例對(duì)操縱面的要求 72.3適航條例對(duì)飛機(jī)座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 122.3.1概述 122.3.2座椅/約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 122.3.3座椅材料與連接形式的選擇 132.3.4座椅強(qiáng)度要求 16第三章飛機(jī)操縱面結(jié)構(gòu)選擇與設(shè)計(jì) 193.1概述 193.2操縱面存在的問題 193.3操縱面各部分設(shè)計(jì) 203.3.1副翼 203.3.2水平尾翼和升降舵 24第四章飛機(jī)座椅有限元建模及分析 294.1概述 294.2飛機(jī)乘員座椅靜強(qiáng)度驗(yàn)證 294.4.1座椅試驗(yàn)要求 294.4.2各約束點(diǎn)載荷計(jì)算分析 304.4.3飛機(jī)座椅有限元模型的建立 354.4.4座椅有限元計(jì)算及分析 354.3飛機(jī)乘員座椅動(dòng)強(qiáng)度分析 404.3.1模型的建立 404.3.2.嚴(yán)重載荷情況分析 41第五章全文工作總結(jié)及展望 465.1全文工作總結(jié) 465.2總結(jié)與展望 46參考文獻(xiàn) 47致謝 49畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié) 50PAGE8第一章緒論1.1飛機(jī)結(jié)構(gòu)適航研究概述飛機(jī)飛行事故嚴(yán)重地威脅著機(jī)上成員的生命安全。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)振動(dòng)適航研究的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，適航審查部門的審查監(jiān)督以及人們做出的不懈努力，使當(dāng)今航空安全性能已經(jīng)大幅提高。但是事實(shí)表明，無(wú)論飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造的多么可靠，由于各種不能完全準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的原因（如設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)、氣象以及人為差錯(cuò)等），飛機(jī)事故總是難以完全避免。根據(jù)多項(xiàng)事故調(diào)查所知，如果能在飛機(jī)設(shè)計(jì)的最初階段就考慮結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題，那么很多事故都將成為可生存或者部分生存的，從而可大大提高飛機(jī)安全性能。正因如此，國(guó)內(nèi)外對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)適航的研究技術(shù)給予高度關(guān)注，尤其是近年來(lái)中國(guó)提出“大飛機(jī)”項(xiàng)目，適航驗(yàn)證更使得飛機(jī)設(shè)計(jì)人員開展了許多研究工作。進(jìn)行現(xiàn)代飛機(jī)操縱面的振動(dòng)控制已是飛機(jī)設(shè)計(jì)研制中急需解決的重要問題；同時(shí)，現(xiàn)代飛機(jī)也希望解決飛機(jī)座艙內(nèi)關(guān)于降噪及振動(dòng)等問題。歐美一些國(guó)家很早就開始了結(jié)構(gòu)適航驗(yàn)證問題的研究，并制定出一系列相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范。上世紀(jì)七十年代開始，我國(guó)民航局成立工程司，開始著手開展適航審定管理。經(jīng)過三十余年的發(fā)展，我國(guó)雖然有了一定的進(jìn)步，但在結(jié)構(gòu)振動(dòng)適航研究上仍有一定欠缺，與先進(jìn)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)仍有加大差距。這就需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的乘員保護(hù)措施，并且改善飛機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的設(shè)計(jì)方法。1．2本文主要研究對(duì)象及方法本文的主要內(nèi)容是大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)適航驗(yàn)證技術(shù)，在結(jié)構(gòu)操縱面上，主要以飛機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)，橫側(cè)運(yùn)動(dòng)中，作用在飛機(jī)上空氣動(dòng)力和力矩平衡，以及飛機(jī)操縱運(yùn)動(dòng)及穩(wěn)定性進(jìn)行論述，在飛機(jī)座椅安全方面，通過建立簡(jiǎn)單的模型，根據(jù)適航驗(yàn)證規(guī)定進(jìn)行分析。主要依據(jù)是農(nóng)林五型飛機(jī)為對(duì)象，飛機(jī)起飛重量2250千克，正常式布局，單人駕駛，機(jī)翼為平直下單翼，采用不可收放的前三點(diǎn)式起落架。雖然該飛機(jī)屬于小型農(nóng)用飛機(jī)，但是飛機(jī)作業(yè)飛行高度低，為最大限度保護(hù)飛行員人身安全，此飛機(jī)具有很高的參考價(jià)值，對(duì)將來(lái)提出大型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)研究也有很大幫助，故對(duì)此飛機(jī)的座椅進(jìn)行仿真研究。本文主要用到的有限元分析軟件為MSC.PATRAN，MSC.PATRAN最早由美國(guó)宇航局(NASA)倡導(dǎo)開發(fā)的,是工業(yè)領(lǐng)域最著名的并行框架式有限元前后處理及分析系統(tǒng)，其開放式、多功能的體系結(jié)構(gòu)可將工程設(shè)計(jì)、工程分析、結(jié)果評(píng)估、用戶化身和交互圖形界面集于一身，構(gòu)成一個(gè)完整CAE集成環(huán)境。MSCPatran針對(duì)各種不同的設(shè)計(jì)分析，提供一個(gè)全開放性的CAE環(huán)境。隨著世界市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，制造廠商們?cè)絹?lái)越清楚地意識(shí)到CAE在其產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中的重要地位；由于產(chǎn)品性能仿真所涉及學(xué)科的多樣性和CAD系統(tǒng)間各自特色，迫切需要能夠講多種CAE仿真集成在一個(gè)易學(xué)易用、統(tǒng)一完整的平臺(tái)上。MSCPatran正是從一角度出發(fā)開發(fā)的有限元框架式平臺(tái)，設(shè)計(jì)真可以方便地根據(jù)自己的需求進(jìn)行多學(xué)科的工程分析和數(shù)據(jù)交換。因此，MSCPatran被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶、鐵道、機(jī)械、制造業(yè)、電子、建筑、土木、國(guó)防、生物力學(xué)、食品包裝、教學(xué)研究等各個(gè)行業(yè)。MSC.Patran是世界公認(rèn)最好的新一代前後處理系統(tǒng)，它結(jié)合了幾何造型整合、有限元素模型建立、以及模擬分析和結(jié)果評(píng)估能力，常被用來(lái)模擬產(chǎn)品的性能，并早在設(shè)計(jì)／制造實(shí)體模型測(cè)試前，即找出可能發(fā)生的問題并解決問題，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。MSC.PATRAN可以幫助產(chǎn)品開發(fā)商實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到制造全過程的產(chǎn)品性能仿真,具有極強(qiáng)的實(shí)用性。MSC.PATRAN的用戶界面既容易使用又方便記憶。這就意味著當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)的使用者正專著于他們的問題而不是如何使用軟件時(shí),那些新用戶也可以很快成為熟練的使用者。作為世界一流的前后處理器,MSC.PATRAN已經(jīng)風(fēng)靡了二十多年,按"事件分類"的分析解算器選擇功能,使MSC.PATRAN的分析集成系統(tǒng)達(dá)到一嶄新的水平。分析選擇可根據(jù)不同分析軟件(包MSC.PATRAN提供的商品化應(yīng)用分析模塊)設(shè)置不同的工作環(huán)境,可滿足用戶對(duì)使用效益和集成的需求。而無(wú)需再象以前那樣當(dāng)一個(gè)模型要進(jìn)行不同的分析時(shí)必須針對(duì)不同的分析軟件的特點(diǎn)重復(fù)建模。第二章適航驗(yàn)證技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展2.1適航驗(yàn)證技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展上世紀(jì)七十年代末，我國(guó)民航總局成立工程司，開始著手開展適航審定管理，中國(guó)民航適航審定系統(tǒng)逐步建立健全與國(guó)際接軌的適航法規(guī)體系和組織結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)了一批批專業(yè)的適航審定管理和技術(shù)人員。隨著中國(guó)民航發(fā)展和變革，中國(guó)民航適航審定系統(tǒng)也從未停下發(fā)展的腳步，自2003年啟動(dòng)對(duì)國(guó)產(chǎn)新支線飛機(jī)ARJ1-700的適航合格審定工作依賴，適航審定系統(tǒng)得到了進(jìn)一步加強(qiáng)：2007年1月，上海航空器適航審定中新成立，側(cè)重運(yùn)輸類飛機(jī)的事行審定；2007年12月，沈陽(yáng)航空器適航審定中心成立，側(cè)重旋翼機(jī)和輕型航空器的適航審定；我國(guó)正在籌劃成立適航審定中心和適航驗(yàn)證中心，分別側(cè)重航空發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳的適航審定、以及適航標(biāo)準(zhǔn)及符合性方法的驗(yàn)證技術(shù)。在中國(guó)民航發(fā)展的五年規(guī)劃和2020年規(guī)劃遠(yuǎn)景中，均在實(shí)現(xiàn)民航大國(guó)向民航強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的戰(zhàn)略高度對(duì)那個(gè)提出明確具體的規(guī)劃要求。其重要轉(zhuǎn)變標(biāo)志之一是具備發(fā)達(dá)的民族航空制造業(yè)以及建成與其相應(yīng)的適航審定系統(tǒng)。并提出“適航先行”的理念。而中國(guó)民航適航審定系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵要素是：健全的組織，合格的人員，與國(guó)際接軌的工作思路。健全的組織我國(guó)將由民航局適航審定司為核心，建立起相應(yīng)的地區(qū)管理局審定處，并與相關(guān)的科研院校合作，在全國(guó)主要城市成立完備的適航審定中心和適航驗(yàn)證中心。（如圖2.1）民航局適航審定司民航局適航審定司CAAC-AAD科研院校地區(qū)管理局審定處適航審定中心適航驗(yàn)證中心圖2.1完備的適航審定組織根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的組織以及將來(lái)所規(guī)劃的適航驗(yàn)證審定中心，組織如圖2.2所示：運(yùn)輸類飛機(jī)審定中心運(yùn)輸類飛機(jī)審定中心上海適航驗(yàn)證中心北京/西安航油/航化審定中心成都小飛機(jī)/旋翼機(jī)審定中心沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)/螺旋槳審定中心北京圖2.2適航組織規(guī)劃合格的人員我國(guó)將緊密結(jié)合國(guó)內(nèi)型號(hào)任務(wù)，在適航審定實(shí)踐中鍛煉隊(duì)伍、積累經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)出合格人才，建立適航教育培訓(xùn)體系，以教育先行，推動(dòng)“適航先行”的理念。與國(guó)際接軌的工作思路航空業(yè)的國(guó)際合作是大勢(shì)所趨，在已有ARJ21的發(fā)展模式中，我們深切體會(huì)到，國(guó)內(nèi)制造商負(fù)責(zé)的是機(jī)體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的綜合，而國(guó)際供應(yīng)商則需負(fù)責(zé)系統(tǒng)的研發(fā)；直15飛機(jī)的研制模式則是中外合作設(shè)計(jì)；由法國(guó)空客研制的A320則是國(guó)內(nèi)負(fù)責(zé)總裝制造。種種先例表明，在國(guó)際合作一體化的今天，適航驗(yàn)證同樣需要國(guó)際交流。在與國(guó)際接軌的工作思路方面，民族航空制造業(yè)要有意識(shí)地開展國(guó)際合作與競(jìng)爭(zhēng)。建立廣泛的國(guó)際適航當(dāng)局的適航雙邊關(guān)系，如在歐洲有歐洲航空安全局，德國(guó)民航局，法國(guó)民航局，英國(guó)民航局，俄羅斯航空注冊(cè)局等，北美有美國(guó)聯(lián)邦航空局，加拿大運(yùn)輸部等等。以RJ21-700飛機(jī)項(xiàng)目為平臺(tái)的載體，與以美國(guó)聯(lián)邦航空局FAA為代表的航空發(fā)達(dá)國(guó)家適航當(dāng)局開展更深層次的合作，推動(dòng)其適時(shí)開展“影子審查”，進(jìn)而擴(kuò)展包括運(yùn)輸類飛機(jī)在內(nèi)的全面適航雙邊。在這一歷史過程中，我們的航空制造業(yè)人員和適航審定系統(tǒng)人員的素質(zhì)都得到極大程度提高，對(duì)采取國(guó)際適航標(biāo)準(zhǔn)有全新的體會(huì)和認(rèn)識(shí)，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)自己適航標(biāo)準(zhǔn)，審定能力和民機(jī)設(shè)計(jì)水平的全面提升。2.3適航條例對(duì)飛機(jī)座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求2.3.1概述作為飛機(jī)附屬設(shè)備的乘員座椅/約束系統(tǒng)在飛機(jī)墜撞環(huán)境中位于傳力終端，在保護(hù)乘員方面具有非常重要的地位。美國(guó)開展飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗墜毀設(shè)計(jì)技術(shù)研究時(shí)，對(duì)座椅和成員的約束系統(tǒng)的作用非常重視。FAA制定的飛機(jī)抗墜毀設(shè)計(jì)規(guī)范以及MIL-S-5B095(AV)等設(shè)計(jì)手冊(cè)中有專門的章節(jié)就乘員座椅及約束系統(tǒng)做出了嚴(yán)格的規(guī)定。由于我國(guó)尚未有飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗墜毀方面的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，各航空研究所在進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)缺乏座椅約束系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)依據(jù)，本文主要通過FAA和有關(guān)指標(biāo)進(jìn)行總結(jié)，提出一般性強(qiáng)度要求。2.3.2座椅/約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求(1)飛機(jī)失事時(shí)乘員的保護(hù)和生存是飛機(jī)座椅設(shè)計(jì)、試制和試驗(yàn)中首先應(yīng)考慮的問題。墜撞約束座椅和約束系統(tǒng)可以防止乘員與機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)或設(shè)備之間相互碰撞，從而保護(hù)乘員免受傷害。每個(gè)座椅、約束以及座椅/座艙地板之間連接在一起構(gòu)成一個(gè)完整的乘員保護(hù)系統(tǒng)。MIL-JSSG-2010-7，3.7.1節(jié)規(guī)定，乘員保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在整個(gè)飛機(jī)墜撞過程中，始終保持結(jié)構(gòu)的完整性。除保護(hù)乘員免受碰撞傷害之外，乘員約束系統(tǒng)還應(yīng)在整個(gè)墜撞過程中起到乘員支撐和定位作用，使作用在乘員身體上的加速度限制在一個(gè)可以接受的水平之內(nèi)，并盡量減少?zèng)_擊載荷給乘員所帶來(lái)的傷害。(2)除此之外，MIL-JSSG-2010-7，3.7.3.3.1節(jié)還規(guī)定了抗墜毀座椅在整個(gè)飛機(jī)墜撞能量吸收系統(tǒng)中，所應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的衰減沖擊載荷的份額，并且要求座椅和約束系統(tǒng)的配備，應(yīng)使飛機(jī)上的成員（包括機(jī)長(zhǎng)、操作手（飛行員）、炮手等）能在接到緊急或潛在的飛機(jī)墜撞警報(bào)的情況下快速進(jìn)入規(guī)范坐姿。(3)控制由墜撞引起的沖擊力是墜撞時(shí)保護(hù)乘員的一個(gè)關(guān)鍵，座椅在此方面起到至關(guān)重要的作用。事實(shí)上，不僅要具備防止乘員因過載受到傷害的能力，還要具備防止乘員碰撞機(jī)體或艙內(nèi)硬物的能力。在抗墜毀座椅/約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，必須考慮如下重要因素：人體損傷承受極限、沖擊載荷的方向、約束系統(tǒng)的類型和幾何特征、座椅的靠墊影響、能量吸收、乘員保護(hù)系統(tǒng)的強(qiáng)度以及在特定沖擊載荷作用下成員的軌跡等重要因素。值得指出的是，在墜撞過程中，過載傷害和接觸傷害過程都與乘員保護(hù)系統(tǒng)密切相關(guān)，不能將其分開來(lái)分析。(4)座椅/約束系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在可能發(fā)生的強(qiáng)沖擊載荷方向和碰撞區(qū)域?yàn)槌藛T提供保護(hù)，并盡可能增大載荷在人體上的分布面積。當(dāng)乘員就位的時(shí)候，要求乘員約束系統(tǒng)與機(jī)艙壁不發(fā)生脫離或脫落。為防止碰撞帶來(lái)的傷害，乘員約束系統(tǒng)必須保證乘員身體各部分都落在乘員沖擊軌跡包線范圍內(nèi)。(5)座椅/約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須采用系統(tǒng)的方法。飛行器得性能以及設(shè)計(jì)布局方式對(duì)座椅/約束系統(tǒng)有一定的要求，約束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)與機(jī)艙內(nèi)部其他設(shè)備的設(shè)計(jì)相結(jié)合。舉例來(lái)說，機(jī)身結(jié)構(gòu)的吸能性在某種程度上來(lái)講，要求乘員保護(hù)系統(tǒng)在滿足能量吸收能力要求的同時(shí)也滿足強(qiáng)副要求。除此之外，固位系統(tǒng)的內(nèi)部組成構(gòu)建也有相互作用，不能從系統(tǒng)中分離出來(lái)。例如，在墜撞過程中，吸能座椅一方面要減小施加在乘員身體上的載荷，另一方面要減小機(jī)艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)和附件所受到的沖擊載荷，而且，在整個(gè)過程中，座椅本身的完整性不應(yīng)破壞，為了達(dá)到這個(gè)目的，應(yīng)該為座椅裝備一套完整的減速度裝置或限載裝置。(6)除了上述提到的各種基本設(shè)計(jì)思想外，座椅的舒適性也是很重要的設(shè)計(jì)因素。雖然，座椅舒適性與飛機(jī)結(jié)構(gòu)的耐撞性沒有直接的聯(lián)系，但是座椅的舒適性可以直接影響飛行員的飛行狀態(tài)。如果忽略了座椅的舒適性，飛行員有可能在短時(shí)間的飛行任務(wù)重感到疲勞，從而增加飛機(jī)事故發(fā)生的可能性。2.3.3座椅材料與連接形式的選擇在以往的飛機(jī)設(shè)計(jì)中，一般要求材料具有最佳的比強(qiáng)度。然而，根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)適航思想可以進(jìn)一步提出，最好應(yīng)當(dāng)選擇那些既滿足強(qiáng)度要求，又具有足夠的韌性的材料。選擇這類型材料一方面可以滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，另一方面可以使得制造的結(jié)構(gòu)具有好的耐撞性能。用彈性分析作為選擇材料的標(biāo)準(zhǔn)方法，對(duì)于產(chǎn)品使用壽命大多數(shù)情況是適當(dāng)?shù)?，但是，作為耐墜毀設(shè)計(jì)，可預(yù)料載荷僅一次施加，因此，屈服點(diǎn)以外的材料特性通常是很重要的。座椅主要結(jié)構(gòu)件所要求的延伸性在很大程度上取決于座椅結(jié)構(gòu)是否設(shè)計(jì)成能通過使用分段的“限載”裝置來(lái)吸收能量。一般規(guī)定，10%的材料延伸率是韌性材料與非韌性材料的大致分界線。10%是建議用于所有無(wú)限載裝置座椅主要結(jié)構(gòu)件的最小值。由于對(duì)峰值載荷脈沖形狀、系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)及速度變化等因素難以精確預(yù)測(cè)，對(duì)于有限載裝置的座椅，主要結(jié)構(gòu)元件主要守在方向上，建議采用7%的延伸率的材料，這是因?yàn)槠漭d荷和應(yīng)力能預(yù)測(cè)。在飛機(jī)墜毀中有兩種類型的地板變形會(huì)引起座椅結(jié)構(gòu)或固定連接件破壞，第一種類型，在座椅腿固定連接件之間的地面發(fā)生“凸起”或“凹陷”的變形。這使座椅腿產(chǎn)生相對(duì)于地版面的轉(zhuǎn)動(dòng)，如果超過接頭變形極限就會(huì)導(dǎo)致連接件破壞。第二種類型，地板表面發(fā)生扭曲或翹曲，這使座椅結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形載荷。由于座椅上施加了附加載荷，會(huì)使座椅連接件破壞。座椅設(shè)計(jì)者必須估計(jì)到地板可能出現(xiàn)的凸起或凹陷，并在座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮一個(gè)適當(dāng)?shù)臄?shù)值以降低不利影響。為解決座椅腿由于地板凸起而產(chǎn)生相對(duì)于地板表面的轉(zhuǎn)動(dòng)問題，可以考慮幾種設(shè)計(jì)方案，下面提出兩種：在固定連接件的設(shè)計(jì)中加進(jìn)一個(gè)用有足夠韌性的材料特制的“塑性鉸”。對(duì)塑性鉸所要求的容許屈服，甚至在座椅腿的轉(zhuǎn)角超過由地板凸起所引起的最大預(yù)期變形值時(shí)都不破壞。還要要求它能承受壓縮、拉伸和剪切的組合載荷，以便在彎曲屈服時(shí)固定座椅。采用類似窩關(guān)節(jié)這樣的摩擦接頭，以便通過接觸地面之間的滑動(dòng)允許座椅腿轉(zhuǎn)動(dòng)。為防止座椅連接由于地板變形而破壞，結(jié)構(gòu)接頭應(yīng)能在各方向有較大的角位移時(shí)不破壞，一個(gè)能適應(yīng)結(jié)構(gòu)上整體載荷極限的座椅也能較好的適應(yīng)墜毀狀態(tài)下地板的彎曲和翹曲。所以我們可以根據(jù)可生存事故中座椅結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形，可以采取如下圖2.6和2.7來(lái)考慮地板翹曲和彎曲極限。圖2.6飛機(jī)墜毀時(shí)保證座椅牢固性所允許的地板翹曲要求簡(jiǎn)圖圖2.7嚴(yán)重墜毀時(shí)保證座椅牢固性所允許的彎曲或“凹陷”變形圖一個(gè)實(shí)例可以說明因座椅腿與地板之間不能產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)而引發(fā)的嚴(yán)重后果。在早期美國(guó)軍用直升機(jī)樣機(jī)上，駕駛員座椅的后腿是用一個(gè)如圖2.8所示鑄件連接到基礎(chǔ)構(gòu)架上的。在發(fā)生事故時(shí)，這個(gè)鑄件由于應(yīng)力集中區(qū)的軸向和彎曲組合應(yīng)力的作用而一再破壞。而當(dāng)后腿與滑軌接頭之間的連接點(diǎn)處不承受彎曲載荷時(shí)，座椅能經(jīng)受大約兩倍的減速力。圖2.8座椅后腿鑄件接頭更改后如圖2.9所示，通過切掉部分鑄件以減小彎矩，這樣僅保留一個(gè)中心螺釘，因而連接形式由固定連接改為鉸接。后來(lái)的試驗(yàn)證明這樣更改能提高承載能力。圖2.9座椅后腿鑄件接頭的更改2.3.4座椅強(qiáng)度要求乘員的體格特征是座椅設(shè)計(jì)的基本數(shù)據(jù)，F(xiàn)AA認(rèn)為，在設(shè)計(jì)空勤座椅時(shí)應(yīng)以第95百分位和第5百分位飛行員為基礎(chǔ)來(lái)考慮乘員重量上下限，設(shè)計(jì)重量應(yīng)以執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)和非戰(zhàn)斗任務(wù)的座椅飛行員的典型重量為基礎(chǔ)。表2.5，2.6給出MIL-JSSG-2010-7規(guī)定的典型飛行員重量以及垂直方向有效重量。表2.5典型飛行員質(zhì)量（單位：kg）體型95百分位50百分位5百分位細(xì)目男性女性男性女性男性女性飛行員100.774.677.459.760.646.7衣物1.411.411.41頭盔1.541.541.54皮靴1.861.861.86總量105.579.482.264.565.451.5垂向有效質(zhì)量79.562.364.650.451.140.0表5.2兵員和炮手質(zhì)量（單位kg）體型95百分位50百分位5百分位細(xì)目男性女性男性女性男性女性飛行員91.774.671.059.757.346.7衣物1.361.361.36頭盔1.821.821.82皮靴15.115.115.1總量11092.889.277.975.565.0穿著垂向有效質(zhì)量79.562.364.650.451.140.0裝備垂向有效質(zhì)量89.575.973.063.962.153.5雖然第95百分位作戰(zhàn)裝備飛行員質(zhì)量可高達(dá)113.5kg，但據(jù)過去20年內(nèi)軍用飛行記錄的大多數(shù)飛行小時(shí)是非戰(zhàn)斗機(jī)飛行小時(shí)。因而空勤人員輕裝的可能性極大，包括行程長(zhǎng)度，控制方法和座椅裝甲等方面對(duì)空勤座椅的限制約束了設(shè)計(jì)選擇的靈活性，如果設(shè)計(jì)空勤座椅用以保護(hù)從第5百分位到95百分位全部重量范圍內(nèi)的乘員，則應(yīng)有乘員重量傳感裝置或速度傳感系統(tǒng)，以便對(duì)較輕機(jī)組乘員提供保護(hù)。變載系統(tǒng)要求更高，當(dāng)進(jìn)行充分研究后應(yīng)在座椅設(shè)計(jì)中考慮。設(shè)計(jì)限載座椅的目的是考慮座椅和成員與飛機(jī)結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移使空間得到最好的利用，而作用在乘員身體上的在和必須與所用束帶系統(tǒng)的類型及乘員對(duì)載荷的耐受能力相符。座椅-乘員系統(tǒng)垂直方向的響應(yīng)，特別是座椅運(yùn)動(dòng)特性對(duì)乘員減速度水平的影響是一個(gè)尚未得到充分研究和還未完全解決的問題，影響限載系統(tǒng)設(shè)計(jì)因素有：輸入脈沖、乘員的有效重量、椅墊特性及可用沖程距離。由于一部分下肢支撐在地板上，因此，座椅上的乘員在垂直方向的有效重量大約是乘員重量的80%，乘員有效重量可由以下幾個(gè)部分來(lái)確定：a．80%乘員體重；b．80%乘員著裝重量（靴子除外）；c．膝蓋以上身體攜帶的全部設(shè)備的100%重量。限載系統(tǒng)的極限載荷應(yīng)該用14.5過載系數(shù)（GL）確定。極限載荷是用座椅上乘員的有效重量和座椅可動(dòng)部分重量之和乘以14.5確定的。這一結(jié)果是阻止座椅垂直運(yùn)動(dòng)的全部力，其中包括摩擦、緊固等作用力。對(duì)于滑動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說，滿足這個(gè)要求是困難的，因?yàn)槟Σ亮﹄S接觸力而變化，接觸力又隨沖擊載荷的矢量方向而變。建議采用無(wú)摩擦的滾動(dòng)機(jī)構(gòu)或折疊機(jī)構(gòu)。過載系數(shù)14.5是為了限制作用在座椅內(nèi)乘員身體上的減速載荷，使減速載荷在超過人體耐受時(shí)間小宇23的過載系數(shù)。MIL-STD1807里對(duì)各種座椅零部件的靜態(tài)極限載荷因子做出了詳細(xì)的規(guī)定，如表2.7所示。表2.3C-17座椅及其約束系統(tǒng)要求強(qiáng)度要求極限載荷方向（相對(duì)于機(jī)體坐標(biāo)系）MIL-S-25073A（座椅）類型I和類型Ⅱ頭枕（頭墊）890N朝后座椅扶手1335N朝下445N側(cè)向椅墊、前沿1780N朝下類型Ⅰ（直升機(jī)）座椅底部13350N朝下座椅靠背8900N朝后安全帶裝置6408N均布4005N肩帶安全腰帶裝置6675N均布類型Ⅱ（貨機(jī)、運(yùn)輸機(jī)以及多發(fā)教練機(jī)）座椅底部17800N朝下座椅靠背6675N朝后安全帶裝置12816N（腰帶）均布8010N肩帶MIL-S-26688（座椅，乘客，后向，運(yùn)輸機(jī)）座椅靠背17800N座椅底部17800N座椅扶手890N側(cè)向擱腳板1113N安全帶配件4450N每個(gè)配件MIL-S-7852(座椅、機(jī)組乘員、可調(diào)節(jié)旋軸、E-1型)座椅底部17800N座椅靠背17800N頭枕（頭墊）890N朝后座椅扶手1335N朝下445N側(cè)向安全帶配件12816N均布8010N肩帶第四章飛機(jī)座椅有限元建模及分析4.1概述座椅是飛機(jī)的重要構(gòu)件，其必須安裝安全帶和肩帶以保證在規(guī)定的飛行狀態(tài)和應(yīng)急著陸狀態(tài)慣性載荷作用時(shí)，駕駛員身體不受到嚴(yán)重?fù)p傷。座椅關(guān)系到對(duì)飛機(jī)駕駛員和乘員的保護(hù)，因此適航當(dāng)局對(duì)其十分重視，要求其必需符合FAR第23.561條和第23.562條的規(guī)定，以及在中國(guó)民用航空條例CCAR第23.561條和第23.562條中明確強(qiáng)調(diào)再應(yīng)急著落時(shí)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)必須具有對(duì)成員的保護(hù)功能，這就給座椅、安全帶及其連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證工作帶來(lái)了一定難度。適航條例除了提出在規(guī)定的沖擊速率作用下，座椅和約束系統(tǒng)的最大變形（包括塑性變形及破壞）等指標(biāo)方面的要求以外，還對(duì)肩帶載荷，乘員腰椎力乘員骨盆加速度，乘員頭部加速度和HIC值等做出了硬性規(guī)定。為滿足以上條款，F(xiàn)AA適航當(dāng)局提出對(duì)于小型農(nóng)用飛機(jī)駕駛員座椅和緊束裝置可以經(jīng)過5000磅的靜態(tài)試驗(yàn)，其中2000磅的作用力分配給肩帶裝置，3000磅的作用力分配給腰帶裝置，加載狀態(tài)按美國(guó)聯(lián)邦航空局咨詢通報(bào)ACNO：23-4的規(guī)定的試驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行，以驗(yàn)證其抗墜撞性能是否符合FAR第23.561條和第23.562條的規(guī)定。按照美國(guó)FAA適航條款要求和咨詢通報(bào)對(duì)飛機(jī)靜強(qiáng)度驗(yàn)證，由于模型、安全帶和肩帶在計(jì)算分析中均為面接觸，不易模擬準(zhǔn)確，故采用各部件相互作用的受力分析，得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥饔迷谧胃鞑考鞍踩珟Ш图鐜献饔昧?，再施加到座椅有限元?jì)算模型上進(jìn)行計(jì)算的方法。依據(jù)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)改進(jìn)后，對(duì)農(nóng)5A飛機(jī)駕駛員座椅順利完成強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)。不僅對(duì)小型飛機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，也對(duì)大型飛機(jī)座椅適航取證提供思路和方法。對(duì)于動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)果分析，由于時(shí)間和能力有限，只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的嘗試。4.2飛機(jī)乘員座椅靜強(qiáng)度驗(yàn)證4.4.1座椅試驗(yàn)要求對(duì)于座椅的適航取證，重要的是滿足抗墜撞性能要求，即FAR第23.561條的抗墜毀載荷要求和第23.562條規(guī)定的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)要求。從歷史上來(lái)說，農(nóng)用飛機(jī)有顯著的墜撞生存記錄，適航當(dāng)局在備忘錄中認(rèn)可對(duì)于座椅適航取證，滿足FAR第23.561條和第23.562條的規(guī)定的具體狀態(tài)可為：（1）在試驗(yàn)裝置中安全帶和肩帶的組件應(yīng)包括收回裝置、慣性卷盤、長(zhǎng)度調(diào)節(jié)器、金屬固定件等；（2）人工調(diào)節(jié)安全帶和肩帶至試驗(yàn)件的貼荷位置，在安全帶和肩帶的每段張力足夠大的情況下，人工鎖住所有帶子收回裝置和慣性卷盤，以保持鎖住狀態(tài)和防止帶子伸長(zhǎng)；圖4.1座椅試驗(yàn)加載示意圖（3）對(duì)于抗撞性能滿足FAR第23.562條的規(guī)定，可以用加大靜態(tài)試驗(yàn)載荷模擬其墜撞時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)，即座椅和緊束裝置必須經(jīng)過5000磅的靜態(tài)載荷試驗(yàn)，其中2000磅的作用力分配給肩帶裝置，3000磅的作用力分配給腰帶裝置，力的作用方向沿順航向向前，如圖4.1中的和。換算成國(guó)際單位制=8907N，=13361N。圖4.1座椅試驗(yàn)加載示意圖4.4.2各約束點(diǎn)載荷計(jì)算分析按圖4.1所示座椅試驗(yàn)?zāi)Ｐ?、安全帶和肩帶均在約束狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)這時(shí)肩帶和腰帶與加載部件之間為面接觸，其使約束系統(tǒng)的載荷分布十分復(fù)雜，同時(shí)兩個(gè)模型之間的作用力也會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的受力關(guān)系。此外，5000磅的作用力相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)人體質(zhì)量過載為n=29的慣性過載，大大超過了適航第23.561條規(guī)定的向前n=9的慣性過載。因此，對(duì)于座椅承受如此大的載荷不進(jìn)行強(qiáng)度分析和判斷，極有可能造成試驗(yàn)失敗。為此，根據(jù)圖4.1的加載方式、模型的尺寸及其相互關(guān)系，繪制了座椅試驗(yàn)時(shí)的作用力示圖（見圖4.2）。由圖4.2可以判斷，安全帶和肩帶的載荷不僅影響到固定點(diǎn)的約束強(qiáng)度，而且也影響到了座椅和地板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，必須在計(jì)算中同時(shí)考慮安全帶和肩帶的作用力，兩個(gè)模型之間的作用力及模型A作用給座椅的作用力來(lái)判斷座椅和連接地板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。圖4.2載荷分析示意圖圖4.2載荷分析示意圖座椅靜態(tài)試驗(yàn)作用在各約束點(diǎn)上載荷計(jì)算分析過程如下：由各協(xié)調(diào)尺寸得到圖4.2中，（4-1）（4-2）（4-3）（a）對(duì)于作用在模型B上的力轉(zhuǎn)化到座椅相應(yīng)結(jié)構(gòu)上的計(jì)算分析（1）作用在模型B上的載荷由安全帶的合力和通過模型A與模型B接觸傳遞的力、平衡。如圖4.2所示，在坐標(biāo)系下建立平衡方程。由得（4-5）由得（4-6）由對(duì)模型B的加載點(diǎn)力矩平衡，得（4-7）由圖4.2得已知=8907N，建立方程（4-8）解聯(lián)立方程得（4-9）由合力計(jì)算通過肩帶上的力為（4-10）肩帶上的作用力圖4.3座椅限位器受力圖（4-11）圖4.3座椅限位器受力圖（2）由計(jì)算得到通過肩帶的載荷可計(jì)算座椅限位器（圖4.2中E點(diǎn)）及肩帶約束裝置（圖4.2中D點(diǎn)）上所受載荷。圖4.3為座椅限位器受力圖。座椅限位器作用力（4-12）圖4.3座椅限位器受力圖作用在肩帶約束裝置（圖4.2中D點(diǎn)）上載荷為,與圖中坐標(biāo)系XOY的Y方向夾角為21°。圖4.3座椅限位器受力圖（3）單條肩帶受力如圖4.4所示，計(jì)算假定兩端受力相等。（4-13）（b）對(duì)于作用在模型A上的力轉(zhuǎn)化到座椅結(jié)構(gòu)上的計(jì)算分析（1）作用在模型A上的力。除作用力外，還有M點(diǎn)肩帶通過安全帶鎖傳遞的載荷、垂直于椅面的力及模型B通過點(diǎn)傳遞的載荷和，如圖4.2所示。在坐標(biāo)系XOY下建立平衡方程由，得（4-14）由,得圖4.4肩帶上端受力圖（4-15）圖4.4肩帶上端受力圖已知建立平衡方程，得（4-16）解得（4-17）（2）假設(shè)A對(duì)座椅椅面的作用力合力大小為12638.8N，假設(shè)其呈梯形分布作用到椅面上，假設(shè)A寬381mm，如圖4.5所示，對(duì)圖4.2中C點(diǎn)取矩，建立平衡方程，有：（4-18）椅面作用載荷：（4-19）圖4.5載荷作用到座椅椅面載荷分布（3）腰帶載荷由模型A兩邊傳給座椅。腰帶的形狀與模型A的寬度有關(guān)，模型圖4.5載荷作用到座椅椅面載荷分布圖4.6腰帶載荷（4-20）（4-21）（4-20）（4-21）4.4.3飛機(jī)座椅有限元模型的建立一般來(lái)說，在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能建立詳盡的結(jié)構(gòu)有限元模型，以座椅系統(tǒng)為例，如果進(jìn)行了座椅系統(tǒng)動(dòng)力試驗(yàn)，則模型至少必須能夠反映試驗(yàn)所描述的真實(shí)情況。在建立仿真分析有限元模型時(shí)，應(yīng)滿足保證在和傳遞路徑的通暢。也就是說，必須根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果或者實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)判別座椅中哪些結(jié)構(gòu)部件對(duì)于飛機(jī)載荷的傳遞來(lái)說是至關(guān)重要的，應(yīng)詳細(xì)檢查并分析座椅實(shí)際結(jié)構(gòu)，找出關(guān)鍵部件的連接形式以及連接情況，并盡可能的建立這些部件的詳細(xì)的有限元模型，以保證仿真分析模型能夠真實(shí)的反映載荷的傳遞路徑。否則，將會(huì)給分析結(jié)果帶來(lái)無(wú)法估計(jì)的誤差。4.4.4座椅有限元計(jì)算及分析按照座椅的尺寸和使用零件的尺寸及材料建立有限元模型，以農(nóng)林五A型飛機(jī)為例，對(duì)飛機(jī)模型做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。保留了主要結(jié)構(gòu)部件的特征及框架。各座椅的結(jié)構(gòu)用梁?jiǎn)卧M，如圖4.7。圖4.7飛機(jī)座椅有限元模型施加邊界約束，并將第4.2節(jié)中計(jì)算的作用力按實(shí)際角度施加到有限元模型上，如圖4.8。經(jīng)過結(jié)果分析，其位移云圖及應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖4.9（a）（b）（c）所示。圖4.8作用力加載到有限元模型示意圖圖4.9（a）座椅受載后位移云圖圖4.9（b）座椅受載后應(yīng)力云圖圖4.9（c）座椅受載后應(yīng)變?cè)茍D對(duì)座椅進(jìn)行模態(tài)分析，其前五階模態(tài)響應(yīng)如圖4.10所示：圖4.10(a)一階振型模態(tài)，固有頻率為152.64Hz圖4.10(b)二階振型模態(tài)，固有頻率為219.61Hz圖4.10(c)三階振型模態(tài)，固有頻率為386.52Hz圖4.10(d)四階振型模態(tài)，固有頻率為452.67Hz圖4.10(e)五階振型模態(tài)，固有頻率為519.09Hz通過結(jié)果，可以分析得出：(1)構(gòu)架應(yīng)力最大點(diǎn)在座椅靠背梁的下部，接近加強(qiáng)片的位置，為1035MPa，原結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求；(2)座椅與機(jī)身結(jié)構(gòu)的連接腳片強(qiáng)度不夠，進(jìn)行加強(qiáng)，保證腳片厚度為4mm鋼片，強(qiáng)度滿足要求；(3)肩帶卷縮器上載荷在座椅靠背加強(qiáng)梁上產(chǎn)生的扭矩大，增加剖面形狀抗扭剛度，強(qiáng)度滿足要求；(4)腰帶連接耳座和肩帶繞過機(jī)身結(jié)構(gòu)需要加強(qiáng)。4.3飛機(jī)乘員座椅動(dòng)強(qiáng)度分析4.3.1模型的建立飛機(jī)結(jié)構(gòu)在墜撞環(huán)境下，機(jī)體結(jié)構(gòu)在很短時(shí)間內(nèi)，受巨大的沖擊載荷作用，飛機(jī)結(jié)構(gòu)各部件響應(yīng)具有復(fù)雜的高非線性特征。在碰撞區(qū)域的結(jié)構(gòu)部件材料一般都會(huì)迅速的超越彈性階段而進(jìn)入塑性流動(dòng)狀態(tài)，并出現(xiàn)屈服、屈曲、撕裂等多種形式的破壞或失效。碰撞力通過飛機(jī)結(jié)構(gòu)傳遞到座椅，并經(jīng)由座椅、安全帶等約束系統(tǒng)作用于人體。因此，座椅與機(jī)艙地板的連接關(guān)系是建模過程中所需要考慮的一個(gè)重要因素。一個(gè)合理的座椅模型應(yīng)正確描述出座椅與地板連接區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)特征。基于以上考慮，在座椅與地板連接區(qū)域附近的結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格應(yīng)盡可能的細(xì)密，單元網(wǎng)格應(yīng)盡可能合理，以期反映出真實(shí)的碰撞區(qū)域的相應(yīng)情況。如上所述，要獲得合理反映實(shí)際座椅情況有限元模型必須進(jìn)行合理的工程假設(shè)，反映真實(shí)材料力學(xué)特性的材料參數(shù)，如彈性模量、密度等基本參數(shù)等。對(duì)有可能發(fā)生屈服、屈曲甚至破壞失效等區(qū)域的材料則還應(yīng)當(dāng)給出反映材料的屈服模式、失效模式等破壞失效方式的屈服應(yīng)力、極限應(yīng)力、硬化模量以及應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)等材料參數(shù)，同時(shí)必須注意載荷的施加和約束的簡(jiǎn)化。以某航空座椅為例，按上述原則對(duì)幾何模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，保留了主要結(jié)構(gòu)部件的特征，該型雙排航空座椅的有限元模型如圖4.10所示。座椅與機(jī)艙地板的連接條件可以根據(jù)實(shí)際情況采用焊接單元、固定連接或鉸支連接等方式。本次運(yùn)用有限元模型是MSC/PATRAN，HyperMesh有限元前處理軟件生成。在有限元靜力分析模型基礎(chǔ)上增加了座椅和靠背的泡沫，并增加了座椅連接個(gè)數(shù)，最終有限元模型如圖。圖4.10雙排航空座椅有限元模型4.3.2.嚴(yán)重載荷情況分析我們采用國(guó)際上通用的最大沖擊工況，采用垂直14g進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。假設(shè)座椅在兩人乘坐的最大懸臂端時(shí)，承受14g的加速度，加速度方向與水平面成60°夾角斜向上。模型的初始水平速度為10.8m/s，加速度在0.08秒時(shí)達(dá)到14g。此模型相當(dāng)于向下施加一定載荷，模擬加載體重為70kg的人在座椅上，從而分析座椅情況。加載后根據(jù)MSC/PATRAN分析應(yīng)力及應(yīng)變所示如圖4.11，4.12。表示在加載時(shí)間內(nèi)，Y向作用力及座椅應(yīng)變隨時(shí)間變化圖。根據(jù)分析，得出圖4.13及4.14，表示在某一時(shí)刻所得應(yīng)力及縱向應(yīng)變示意圖。模態(tài)響應(yīng)如圖4.15，表示前五階不同頻率的相應(yīng)。圖4.11Y向作用力在0.1s內(nèi)隨時(shí)間變化圖4.12應(yīng)變?cè)?.1s內(nèi)隨時(shí)間變化圖4.13加載后座椅在0.021秒時(shí)應(yīng)變圖4.14加載后座椅在0.021秒時(shí)應(yīng)力大小圖4.15(a)頻率為5.1976Hz一階模態(tài)響應(yīng)圖4.15(b)頻率為9.3392Hz二階模態(tài)響應(yīng)圖4.15(c)頻率為16.259Hz三階模態(tài)響應(yīng)圖4.15(d)頻率為18.495Hz四階模態(tài)響應(yīng)圖4.15(e)頻率為26.204Hz五階模態(tài)響應(yīng)由結(jié)果可以看出，飛機(jī)座椅需要加強(qiáng)連接座椅之間的連接強(qiáng)度。通過仿真手段能夠盡量有效模擬出機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)在復(fù)雜動(dòng)力環(huán)境下的力學(xué)響應(yīng)，因此，可以借助仿真分析對(duì)飛機(jī)座椅/安全帶約束系統(tǒng)下對(duì)乘員的保護(hù)作用及結(jié)構(gòu)連接件的強(qiáng)度做出快速評(píng)價(jià)。第五章全文工作總結(jié)及展望飛機(jī)適航驗(yàn)證技術(shù)在世界的發(fā)展及在我國(guó)逐漸的普及，為提高飛機(jī)安全性，保障乘員安全，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)操縱面影響，機(jī)艙內(nèi)座椅受載撞擊時(shí)靜力分析與動(dòng)態(tài)分析都是十分有必要的。結(jié)構(gòu)適航工作在國(guó)內(nèi)才剛剛起步，研究深度有待于進(jìn)一步擴(kuò)展。本文在對(duì)飛機(jī)適航結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，對(duì)軍用飛機(jī)操縱面設(shè)計(jì)提出一些想法，對(duì)農(nóng)林五型飛機(jī)座艙內(nèi)座椅進(jìn)行了靜強(qiáng)度及動(dòng)強(qiáng)度的仿真模擬。5.1全文工作總結(jié)1.對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)適航在我國(guó)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，并依據(jù)現(xiàn)有的情況介紹了在不久的將來(lái)我國(guó)適航研究的進(jìn)程。2．根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦航空FAR，我國(guó)現(xiàn)有運(yùn)輸機(jī)適航管理?xiàng)l例，以及民用飛機(jī)適航條例，總結(jié)概括出飛機(jī)操縱面及機(jī)艙內(nèi)座椅的要求，分析可能導(dǎo)致乘員損傷飛機(jī)墜撞結(jié)構(gòu)損壞的因素，并根據(jù)要求對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)存在的問題提出一些操縱面，機(jī)艙座椅的設(shè)計(jì)建議。3.根據(jù)軍用飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，分析飛機(jī)操縱面現(xiàn)階段存在的問題，提出飛機(jī)副翼、水平尾翼和升降舵的設(shè)計(jì)方法。4.分析了乘員座椅的設(shè)計(jì)要求，在靜力分析時(shí)提出座椅之間各部件受力分析，提出建立有限元模型的原則，并建立飛機(jī)座椅有限元模型框架，加載并進(jìn)行有限元計(jì)算，完成靜強(qiáng)度試驗(yàn)分析。5.提出多乘員、座椅/安全帶約束系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建模方法，并將其簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)單驗(yàn)證對(duì)飛機(jī)垂直沖擊載荷14g動(dòng)強(qiáng)度模擬載荷分析。5.2總結(jié)與展望農(nóng)林五型飛機(jī)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的小型通用飛機(jī)，在建模時(shí)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，對(duì)于動(dòng)力學(xué)問題缺乏真人模型的加載，只是通過約70kg的物體加載進(jìn)行了分析，仿真度有待提高。且在飛行過程中，飛行員的舒適度也是很重要的一個(gè)指標(biāo)。將來(lái)進(jìn)一步研究時(shí)，可以將人模型運(yùn)用其中，具有更廣泛的參考意義。飛機(jī)結(jié)構(gòu)適航驗(yàn)證技術(shù)在我國(guó)正處于新興前沿研究階段，對(duì)于飛機(jī)及乘員安全的考慮，結(jié)構(gòu)適航不僅僅在于飛機(jī)操縱面及座椅的仿真模擬，這將對(duì)提高我國(guó)飛行安全方面有著深遠(yuǎn)廣闊的前景。參考文獻(xiàn)[1]旋翼機(jī)和輕型定翼機(jī)耐墜毀文集，第一卷，《耐墜毀設(shè)計(jì)指南》，直升機(jī)技術(shù)編輯組，1981，7。[2]美國(guó)聯(lián)邦航空局資訊通報(bào)，ACNO：23-4[3]Carden,H,D.,ImpulseAnalysisofAirplaneCrashDatawithConsiderationGiventoHumanTolerance,SAEPaper830748,April,1983[4]THEMacNeal-SchwendlerCorporation.Msc/PATRAN基礎(chǔ)培訓(xùn)教程，1999[5]美國(guó)聯(lián)邦航空FAR-23[6]中國(guó)民用航空CCAR-23-R3[7]馬超,李林,王立新，大展弦比飛翼布局飛機(jī)新型操縱面設(shè)計(jì)，北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2007。[8]農(nóng)林5A型飛機(jī)駕駛員座椅FAA適航驗(yàn)證強(qiáng)度分析，洪都航空，2007。[9]J.F.M.Wiggenraad.CrashworthinessResearchatNLR(1990-2003),NLR-TP-2003-317.[10]王翔，蔣瑋光，全尺農(nóng)林飛機(jī)縱向墜撞試驗(yàn)大綱，中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，2006，10.[11]王翔，蔣瑋光，全尺農(nóng)林飛機(jī)縱向墜撞驗(yàn)證試驗(yàn)報(bào)告，中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，2006，12.[13]Mili