CN113343370B - 一种航空座椅冲击试验仿真分析的塑性应变控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种航空座椅冲击试验仿真分析的塑性应变控制方法，所述方法包括：根据航空标准建立假人模型、座椅结构模型和安全带模型；所述假人模型采用标准航空人体模型，用于模拟人体重量、惯量及关节自由度；所述座椅结构模拟中，预先对座椅材料设置塑性应变门槛值；所述安全带模型，采用模单元模拟安全带的主体部分，根据阻尼及滑动效果模拟安全带的延伸部分；采用不同的接触方式，模拟假人模型、座椅结构模型和安全带模型的耦合关系；对所述假人模型施加动态载荷，通过仿真运算得到结构失效应变、人体加速度值和人体损伤HIC；根据所述结构失效应变、人体加速度值和人体损伤HIC，判断所述座椅结构模型是否符合要求。
Description
技术领域
本发明属于结构抗冲击设计领域，具体涉及一种航空座椅冲击试验仿真分析的塑性应变控制方法。
背景技术
飞机结构——航空座椅结构在紧急迫降或者坠撞情况下会受到冲击载荷作用而发生破坏，此时座椅结构的设计应该既能保护乘员不受伤或者因冲击载荷而飞出，又能以一定的方式破坏起到吸能作用，本发明利用仿真分析的方法对这一过程进行了计算机3D复现，同时提出了塑性应变的失效判据，与以往的屈服和极限强度设计有本质的区别，屈服强度设计会导致结构偏重，而极限强度设计则会导致设计偏危险，图1所示为韧性材料的应力-应变曲线。
航空座椅冲击仿真分析中，涉及到结构的破坏失效问题，以往的强度计算中，保守计算的强度指标设计为屈服极限，但对于坠撞类问题，座椅及约束系统的作用为在紧急迫降时不影响人员逃离，因此结构其实是可以失效的。
发明内容
为了解决上述技术方案，本申请提供一种航空座椅冲击试验仿真分析的塑性应变控制方法，能够有效减轻结构重量，又能保证结构安全，同时通过仿真方法减少了试验投入，节约了大量经费投入。
本申请提供一种航空座椅冲击试验仿真分析的塑性应变控制方法，所述方法包括：
根据航空标准建立假人模型、座椅结构模型和安全带模型；
所述假人模型采用标准航空人体模型，用于模拟人体重量、惯量及关节自由度；
所述座椅结构模拟中，预先对座椅材料设置塑性应变门槛值；
所述安全带模型，采用模单元模拟安全带的主体部分，根据阻尼及滑动效果模拟安全带的延伸部分；
采用不同的接触方式，模拟假人模型、座椅结构模型和安全带模型的耦合关系；
对所述假人模型施加动态载荷，通过仿真运算得到结构失效应变、人体加速度值和人体损伤HIC；
根据所述结构失效应变、人体加速度值和人体损伤HIC，判断所述座椅结构模型是否符合要求。
具体的，所述采用不同的接触方式，模拟假人模型、座椅结构模型和安全带模型的耦合关系，具体包括：
采用面面接触的方式，模拟假人模型和座椅结构模型的耦合关系；
采用连接方式，模拟座椅结构模型和安全带模型的耦合关系；
采用面面接触的方式，模拟假人模型和安全带模型的耦合关系。
具体的，在模拟假人模型、座椅结构模型和安全带模型的耦合关系之后，方法还包括：
预先设置假人座椅接触门槛值和假人安全带接触门槛值；
根据所述假人座椅接触门槛值，判断假人模型和座椅结构模型的是否接触；
根据所述假人安全带接触门槛值，判断假人模型和安全带模型的是否接触。
具体的，所述根据所述结构失效应变，判断所述座椅结构模型是否符合要求，具体包括：
所述结构失效应变是否在塑性区范围内。
具体的，所述根据所述人体加速度值，判断所述座椅结构模型是否符合要求，具体包括：
所述人体加速度值是否满足人体可承受的极限加速度。
具体的，所述根据所述人体损伤HIC，判断所述座椅结构模型是否符合要求，具体包括：
根据人体加速度值进行积分后得到的人体损伤HIC；
判断所述人体损伤HIC是否满足适航条例中的损伤判据。
具体的，预先设置假人座椅接触门槛值和假人安全带接触门槛值，具体包括:
根据假人模型、座椅结构模型和安全带模型，预先设置假人座椅接触门槛值和假人安全带接触门槛值。
具体的，方法还包括：
若判断所述座椅结构模型符合要求，则根据所述座椅结构模型和安全带模型，生产航空座椅和安全带。
综上所述，本发明基于某轻型飞机的座椅结构冲击试验进行了数值仿真，仿真过程中模拟了乘员和座椅的耦合/接触效应，在考虑结构失效时采用塑性应变判据。本发明对于航空座椅冲击试验具有一定的参考意义，从数值仿真上为试验提供依据。
附图说明
图1为本申请提供的一种材料应力-应变曲线的示意图；
图2为本申请提供的一种座椅、约束系统及假人模型示意图；
图3为本申请提供的一种座椅及约束系统仿真模拟流程的示意图；
图4为本申请提供的一种动态冲击载荷的示意图；
图5为本申请提供的一种某轻型飞机新型后排座的示意图。
具体实施方式
某轻型飞机的航空座椅在坠撞冲击试验中发生结构破坏失效，但根据适航条例的要求，座椅结构与所有连接点保持连接，主要载荷传递路径需要保持完好。
如图1所示的应力应变曲线，横坐标为应变，纵坐标为对应的应力，对于座椅应急着陆的典型动态冲击行为，现有的设计中基本以屈服强度或者极限强度为设计准则，前者会导致结构重量偏大，而后者则使设计的安全系数偏低，均具有一定的局限性，本发明基于材料塑性应变的设计理念提出的失效判据，综合考虑了以上两种准则的缺陷，为以后的结构强度设计准则提出了新型的设计判据，扩展了强度设计思路。
如图2所示，本发明中涉及到的仿真内容分为三部分：假人模型、座椅结构模型和安全带模型，最终组合为的动力学模型。假人模型采用标准人体模型，结构为某轻型飞机的后排座椅，安全带则采用目前常用的汽车安全带材料进行模拟。
如图4所示，对假人模型施加23.562条款中要求的载荷。根据适航条例要求，座椅的设计要满足21g的冲击载荷，且能保护乘员并且局部失效达到吸能作用，对座椅的失效采用塑性应变准则，计算结果见表1。
表1座椅不同位置的最大应变和应力汇总
综上所述，本发明提出的塑性应变失效判据是强度设计判据的新型准则，极大的丰富了强度设计判据库存。本判据既克服了以往以屈服强度为准则的保守性，又克服了以极限强度为准则的危险性，既能有效减轻结构重量，又能保证结构安全，同时通过仿真方法减少了试验投入，节约了大量经费投入。
Claims (5)
1.一种航空座椅冲击试验仿真分析的塑性应变控制方法，其特征在于，所述方法包括：
根据航空标准建立假人模型、座椅结构模型和安全带模型；
所述假人模型采用标准航空人体模型，用于模拟人体重量、惯量及关节自由度；
所述座椅结构模型中，预先对座椅材料设置塑性应变门槛值；
所述安全带模型，采用模单元模拟安全带的主体部分，根据阻尼及滑动效果模拟安全带的延伸部分；
采用不同的接触方式，模拟假人模型、座椅结构模型和安全带模型的耦合关系；
对所述假人模型施加动态载荷，通过仿真运算得到结构失效应变、人体加速度值和人体损伤HIC；
根据所述结构失效应变、人体加速度值和人体损伤HIC，判断所述座椅结构模型是否符合要求；
所述采用不同的接触方式，模拟假人模型、座椅结构模型和安全带模型的耦合关系，具体包括：采用面面接触的方式，模拟假人模型和座椅结构模型的耦合关系；采用连接方式，模拟座椅结构模型和安全带模型的耦合关系；采用面面接触的方式，模拟假人模型和安全带模型的耦合关系；
在模拟假人模型、座椅结构模型和安全带模型的耦合关系之后，方法还包括：预先设置假人座椅接触门槛值和假人安全带接触门槛值；根据所述假人座椅接触门槛值，判断假人模型和座椅结构模型的是否接触；根据所述假人安全带接触门槛值，判断假人模型和安全带模型的是否接触；
根据所述结构失效应变，判断所述座椅结构模型是否符合要求，具体包括：所述结构失效应变是否在塑性区范围内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述人体加速度值，判断所述座椅结构模型是否符合要求，具体包括：
所述人体加速度值是否满足人体可承受的极限加速度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述人体损伤HIC，判断所述座椅结构模型是否符合要求，具体包括：
根据人体加速度值进行积分后得到的人体损伤HIC；
判断所述人体损伤HIC是否满足适航条例中的损伤判据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，预先设置假人座椅接触门槛值和假人安全带接触门槛值，具体包括:
根据假人模型、座椅结构模型和安全带模型，预先设置假人座椅接触门槛值和假人安全带接触门槛值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，方法还包括：
若判断所述座椅结构模型符合要求，则根据所述座椅结构模型和安全带模型，生产航空座椅和安全带。
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