韓　冰　劉　更　吳立言　周　昊

1.西北工業(yè)大學(xué)，西安，7100722.江漢航空救生裝備工業(yè)公司，襄陽，441000

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彈射座椅沖擊特性試驗(yàn)及仿真研究

韓冰1劉更1吳立言1周昊2

1.西北工業(yè)大學(xué)，西安，7100722.江漢航空救生裝備工業(yè)公司，襄陽，441000

分析了飛機(jī)彈射座椅的彈射救生原理，建立了彈射座椅沖擊試驗(yàn)方案，得到了試驗(yàn)過程中座椅結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用沖擊動(dòng)力學(xué)軟件DYTRAN建立了彈射座椅沖擊試驗(yàn)數(shù)值分析模型，對彈射座椅沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析了彈射座椅在沖擊載荷作用下的響應(yīng)規(guī)律。通過對比試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果可知，仿真結(jié)果在響應(yīng)規(guī)律、響應(yīng)值等方面與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

彈射座椅；沖擊動(dòng)力學(xué)；試驗(yàn)驗(yàn)證；數(shù)值仿真

0　引言

彈射座椅是在直升機(jī)失事時(shí)，依靠彈射座椅下的推力裝置將飛行員彈出艙外，然后張開降落傘使飛行員安全降落的救生裝置。飛機(jī)彈射救生過程中彈射座椅的抗沖擊能力是保證飛行員安全的重要因素[1]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對彈射救生過程進(jìn)行了深入的研究，研究內(nèi)容主要包括座椅材料、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、沖擊形式對彈射沖擊的影響，提高彈射安全性的綜合途徑，基于假人模型的彈射救生試驗(yàn)等[2-3]。座椅在彈射救生過程中，瞬時(shí)產(chǎn)生30g～50g的沖擊加速度，試驗(yàn)只能模擬特定條件下座椅沖擊彈射，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)手段模擬鳥撞飛機(jī)風(fēng)擋[4]、彈丸侵徹靶體[5]等沖擊問題取得了顯著進(jìn)展，計(jì)算機(jī)仿真不僅可以直觀地分析和研究彈射座椅彈射沖擊，還可以對座椅彈射救生各階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)、參數(shù)的模擬優(yōu)化[6]，通過仿真指導(dǎo)試驗(yàn)，能夠快速減少或排除座椅系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提高彈射座椅改型及研發(fā)的效率。

本文以某彈射座椅為研究對象，分析了座椅彈射救生機(jī)理，并進(jìn)行了彈射過程的沖擊動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。借助多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件DYTRAN，對彈射座椅進(jìn)行沖擊動(dòng)力學(xué)仿真模擬，真實(shí)再現(xiàn)了彈射沖擊試驗(yàn)的過程。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表明本文建立的計(jì)算模型可為類似彈射座椅沖擊試驗(yàn)提供參考。

1　彈射座椅沖擊試驗(yàn)分析

飛機(jī)彈射救生系統(tǒng)主要由彈射座椅、椅盆、頭靠傘箱、射傘裝置、座式救生包、火箭彈射器與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成，彈射座椅主要由上梁、下梁、前梁、中間梁、肩帶拉緊機(jī)構(gòu)、側(cè)板和滑軌組成。彈射座椅通過滑軌與機(jī)艙相連接，滑軌的導(dǎo)槽與飛機(jī)座艙內(nèi)3對滑輪相配合，座椅通過上梁掛鉤固定在飛機(jī)座艙內(nèi)。緊急情況下，飛行員拉動(dòng)彈射手柄，啟動(dòng)火箭彈射器，彈射座椅和飛行員在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)推力作用下，以一定的初速度彈射出座艙外。

圖1所示的彈射座椅沖擊試驗(yàn)臺由沖擊導(dǎo)軌、三腳架、彈射座椅及假人模型組成，假人模型通過肩帶和限腿裝置固定在彈射座椅上，彈射座椅通過螺栓連接固定在三腳架上，三腳架固定在沖擊導(dǎo)軌上。肩帶操縱系統(tǒng)通過肩帶為飛行員提供軀干約束，試驗(yàn)過程中出現(xiàn)較大減速過載時(shí)，防止假人模型向前、向側(cè)傾倒。圖1中，彈射座椅滑軌與沖擊試驗(yàn)臺傾斜角為17°。沖擊試驗(yàn)中，彈射座椅試驗(yàn)裝置(三腳架、座椅及假人模型)在彈性繩的牽引下，沿沖擊導(dǎo)軌達(dá)到一定的沖擊速度，然后沖向液態(tài)阻尼器，在液態(tài)阻尼器的作用下，三腳架以一定的減加速度沿導(dǎo)軌減速直至停止。

圖1　彈射座椅沖擊試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

座椅結(jié)構(gòu)件主要由鋁合金材料組成，座椅裝機(jī)質(zhì)量為90 kg，假人模型質(zhì)量為64.4 kg。圖2所示為彈射沖擊試驗(yàn)時(shí)座椅所承受的減加速度沖擊載荷，可以看出最大沖擊減加速度為292.3 m/s2，從圖中可以看出，座椅承受的沖擊載荷分為三個(gè)階段，0～0.07 s的加速度增加階段，0.07～0.10 s加速度穩(wěn)定階段，0.10～0.16 s加速度減小到0。整個(gè)沖擊過程同彈射座椅型乘員應(yīng)急離機(jī)救生系統(tǒng)通用規(guī)范(GJB 1800-93)規(guī)定的彈射座椅沖擊試驗(yàn)沖擊載荷及沖擊形式基本一致，符合國軍標(biāo)規(guī)定，即彈射座椅在30g沖擊載荷下應(yīng)能正常工作。根據(jù)文獻(xiàn)[7]試算得到的座椅應(yīng)力及變形情況，選取前梁、上梁、側(cè)板、滑軌等處作為試驗(yàn)測量點(diǎn)。彈射座椅沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由加速度傳感器、電荷放大器、信號采集系統(tǒng)組成，通過加速度傳感器直接測量座椅各測量點(diǎn)的加速度及應(yīng)變。

圖2　彈射座椅試驗(yàn)沖擊減加速度加載曲線

圖3所示為彈射座椅滑軌、上梁、前梁測量點(diǎn)的應(yīng)力，滑軌、前梁、上梁的最大應(yīng)力分別為115 MPa、100.6 MPa、39.98 MPa，測試周期內(nèi)，座椅沖擊試驗(yàn)測量點(diǎn)最大應(yīng)力部位集中在前梁以及滑軌處。0～0.074 s內(nèi)，隨著沖擊載荷的增加，座椅結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也逐漸增大；0.074～0.094 s時(shí)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)應(yīng)力達(dá)到峰值并在峰值附近上下振蕩；0.094～0.16 s時(shí)間內(nèi)，沖擊載荷逐漸減小到0。座椅各測量點(diǎn)的響應(yīng)曲線變化規(guī)律基本一致，響應(yīng)在整個(gè)沖擊時(shí)間段內(nèi)的變化趨勢和加載趨勢基本吻合。試驗(yàn)結(jié)果表明：座椅變形主要集中在座椅前梁及側(cè)板附近，座椅應(yīng)力主要集中在前梁及滑軌處。

圖3　彈射座椅試驗(yàn)測量點(diǎn)應(yīng)力對比圖

2　有限元數(shù)值計(jì)算

由前述可知，座椅彈射試驗(yàn)其他附屬裝置的主要作用是保持沖擊過程中彈射座椅及假人模型的穩(wěn)定性，為了便于建模，對其進(jìn)行簡化，保留座椅實(shí)際沖擊過程中的主要承力結(jié)構(gòu)，減少有限元數(shù)值計(jì)算中的網(wǎng)格數(shù)量，縮短計(jì)算周期。圖4所示為簡化后的彈射座椅模型(包括上梁、前梁、中梁、下梁、側(cè)板、肩帶拉緊機(jī)構(gòu)、滑軌)。采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元對彈射座椅進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分，整個(gè)座椅模型單元數(shù)為16 532，節(jié)點(diǎn)數(shù)為26 313。

圖4　彈射座椅模型簡化圖

由上述分析可知，彈射座椅彈射時(shí)所受到的沖擊載荷包括兩種形式：彈射過程中整個(gè)座椅受到的減加速度沖擊載荷；飛行員彈射過程中由于自身重量反作用于座椅椅盆部位的沖擊力。仿真過程中，實(shí)際摔機(jī)時(shí)座椅所承受的加速度沖擊載荷作用在整個(gè)座椅結(jié)構(gòu)，與滑軌成17°夾角；飛行員自身重量引起的沖擊載荷等效為施加在前梁與下梁的上表面，方向垂直向下，作用在座椅前梁和下梁上表面的力F=64.4at，其中,at(m/s2)為t時(shí)刻彈射座椅的加速度。

圖5所示為彈射座椅仿真沖擊0.08 s時(shí)的變形及應(yīng)力，可以看出，沖擊過程中座椅變形較大的部位是座椅前梁及側(cè)板處，座椅下梁、中梁、上梁及滑軌上部變形較小；應(yīng)力主要集中在前梁下部以及滑軌處，中間梁亦有較大的應(yīng)力，仿真結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

(a)變形圖　　　　　　　(b)應(yīng)力圖　　　圖5　彈射座椅0.08 s變形及應(yīng)力云圖

圖6所示為前梁測量點(diǎn)處的應(yīng)力響應(yīng)曲線，可以看出，沖擊過程中的前梁在0.11 s時(shí)達(dá)到應(yīng)力最大值，應(yīng)力響應(yīng)曲線同加載曲線變化規(guī)律基本一致，都經(jīng)歷了增大—穩(wěn)態(tài)—減小三個(gè)階段。圖7所示為前梁測量點(diǎn)處應(yīng)力的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，試驗(yàn)和仿真結(jié)果在時(shí)域上的變化規(guī)律是一致的，響應(yīng)峰值稍有偏差(試驗(yàn)峰值為100.6 MPa，仿真峰值為106.4 MPa)，說明本文所采用的沖擊模型是正確可靠的。

圖6　前梁測量點(diǎn)應(yīng)力曲線

圖7所示的測量結(jié)果有明顯的應(yīng)力峰值，之后進(jìn)入快速衰減階段，而仿真結(jié)果有一明顯的穩(wěn)態(tài)階段，穩(wěn)態(tài)階段時(shí)長為0.04 s左右，這是由于試驗(yàn)過程中，座椅坐墊、靠背、座椅與三角架間的彈性連接吸收了部分沖擊。表1所示為滑軌、上梁、前梁測量點(diǎn)處的最大應(yīng)力，各測量點(diǎn)處仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的最大誤差為10%，仿真結(jié)果基本接近試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步說明了本文建立的彈射座椅沖擊模型是正確可靠的。

圖7　前梁測量點(diǎn)應(yīng)力與試驗(yàn)結(jié)果對比

測點(diǎn)位置仿真結(jié)果(MPa)試驗(yàn)結(jié)果(MPa)誤差(%)滑軌測量點(diǎn)1231157上梁測量點(diǎn)4439.9810前梁測量點(diǎn)106.4100.66

3　結(jié)語

本文通過某彈射座椅的沖擊動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，得到了彈射過程中彈射座椅的沖擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)。建立了彈射座椅彈射救生在沖擊載荷作用下的數(shù)值模擬方法，用大型非線性接觸-沖擊有限元方法成功模擬了飛機(jī)彈射過程中的沖擊響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果在沖擊響應(yīng)規(guī)律、響應(yīng)值等方面與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明所建立的彈射座椅沖擊模型正確、模擬方法可行。

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(編輯張洋)

Experiments and Simulation of Ejection Seat Impact Dynamics

Han Bing1Liu Geng1Wu Liyan1Zhou Hao2

1.Northwestern Polytechnical University, Xi’an, 710072 2.Jianghan Aviation Life-support Industries, Xiangyang, Hubei, 441000

An experiment of ejection seat was built by studying aircraft ejection escape device, the responding curves of the ejection seat and the displacements of the impact were measured. The model of experimental work conditions of ejection escape were simulated by the nonlinear finite element software DYTRAN. The numerical simulation was carried out for ejection seat impact dynamics, and the impact load response rules were analyzed. The simulation results of response rules have perfect corresponding with the experimental data.

ejection seat; impact dynamics; experimental verification; numerical simulation

2015-06-27

O347

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.09.005

韓冰，男，1981年生。西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院博士生。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)支持的協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真過程管理，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、仿真數(shù)據(jù)管理。發(fā)表論文10余篇。劉更，男，1961年生。西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授。吳立言，男，1958年生。西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授。周昊，男，1966年生。江漢航空救生裝備工業(yè)公司研究員。