本科毕业设计（论文）-飞机座椅结构适航验证技术研究

本科毕业设计论文PAGEPAGEII摘要随着航空运输业的快速发展，飞行事故也日益增加，飞行乘员的人身安全应当得到更好的保障，为此，近年来有关飞机适航验证的研究逐渐增加，关于飞机适航的设计要求、设计准则、关键零部件的设计方法、试验手段、仿真验证方法等都有了很大的发展。我国大型民用客机的快速发展，对飞机适航验证的研究有比较迫切的市场需求，商用客机和军用飞机也需要考虑迫降情况的乘员安全。本文对飞机座椅适航验证的设计准则、设计方法和试验方法进行了分析和总结，并对飞机座椅的有限元模型进行了静强度和动强度的模拟验证。完成的主要工作有：介绍了我国民机适航研究的发展状况及应用前景；根据适航验证条例，概括出关于飞机座椅的设计要求，通过现有准则，提出一些飞机座椅的设计措施；根据飞机座椅结构设计的适航要求，对农5A型飞机进行了座椅结构强度进行分析，提出有限元模型建立原则。对驾驶员座椅验证试验模型作用在安全带和肩带上的载荷进行计算，并将载荷加载到有限元模型上，分别进行了静强度和动强度的适航验证模拟，计算结果设计改进后，顺利完成强度验证试验。本文顺利进行了飞机座椅结构适航取证的模拟验证，对大型飞机的结构适航取证及验证技术提供了思路和方法。关键词：适航，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本科毕业设计论文目录第一章绪论 11.1飞机结构适航研究概述 11．2本文主要研究对象及方法 1第二章适航验证技术在中国的发展 32.1适航验证技术在中国的发展 32.2适航条例对飞机操纵面结构设计要求 52.1.1概述 52.2.2飞机飞行姿态及载荷定义 62.2.3适航条例对操纵面的要求 72.3适航条例对飞机座椅结构设计要求 122.3.1概述 122.3.2座椅/约束系统的设计要求 122.3.3座椅材料与连接形式的选择 132.3.4座椅强度要求 16第三章飞机操纵面结构选择与设计 193.1概述 193.2操纵面存在的问题 193.3操纵面各部分设计 203.3.1副翼 203.3.2水平尾翼和升降舵 24第四章飞机座椅有限元建模及分析 294.1概述 294.2飞机乘员座椅静强度验证 294.4.1座椅试验要求 294.4.2各约束点载荷计算分析 304.4.3飞机座椅有限元模型的建立 354.4.4座椅有限元计算及分析 354.3飞机乘员座椅动强度分析 404.3.1模型的建立 404.3.2.严重载荷情况分析 41第五章全文工作总结及展望 465.1全文工作总结 465.2总结与展望 46参考文献 47致谢 49毕业设计小结 50PAGE8第一章绪论1.1飞机结构适航研究概述飞机飞行事故严重地威胁着机上成员的生命安全。随着科学技术的发展，结构振动适航研究的运用越来越广泛，适航审查部门的审查监督以及人们做出的不懈努力，使当今航空安全性能已经大幅提高。但是事实表明，无论飞机设计和制造的多么可靠，由于各种不能完全准确预测的原因（如设计、制造、维护、气象以及人为差错等），飞机事故总是难以完全避免。根据多项事故调查所知，如果能在飞机设计的最初阶段就考虑结构振动问题，那么很多事故都将成为可生存或者部分生存的，从而可大大提高飞机安全性能。正因如此，国内外对飞机结构振动适航的研究技术给予高度关注，尤其是近年来中国提出“大飞机”项目，适航验证更使得飞机设计人员开展了许多研究工作。进行现代飞机操纵面的振动控制已是飞机设计研制中急需解决的重要问题；同时，现代飞机也希望解决飞机座舱内关于降噪及振动等问题。欧美一些国家很早就开始了结构适航验证问题的研究，并制定出一系列相关的设计规范。上世纪七十年代开始，我国民航局成立工程司，开始着手开展适航审定管理。经过三十余年的发展，我国虽然有了一定的进步，但在结构振动适航研究上仍有一定欠缺，与先进国家的标准仍有加大差距。这就需要在现有基础上，提出相应的乘员保护措施，并且改善飞机结构振动的设计方法。1．2本文主要研究对象及方法本文的主要内容是大型飞机结构适航验证技术，在结构操纵面上，主要以飞机纵向运动，横侧运动中，作用在飞机上空气动力和力矩平衡，以及飞机操纵运动及稳定性进行论述，在飞机座椅安全方面，通过建立简单的模型，根据适航验证规定进行分析。主要依据是农林五型飞机为对象，飞机起飞重量2250千克，正常式布局，单人驾驶，机翼为平直下单翼，采用不可收放的前三点式起落架。虽然该飞机属于小型农用飞机，但是飞机作业飞行高度低，为最大限度保护飞行员人身安全，此飞机具有很高的参考价值，对将来提出大型飞机的结构振动研究也有很大帮助，故对此飞机的座椅进行仿真研究。本文主要用到的有限元分析软件为MSC.PATRAN，MSC.PATRAN最早由美国宇航局(NASA)倡导开发的,是工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、工程分析、结果评估、用户化身和交互图形界面集于一身，构成一个完整CAE集成环境。MSCPatran针对各种不同的设计分析，提供一个全开放性的CAE环境。随着世界市场竞争的日趋激烈，制造厂商们越来越清楚地意识到CAE在其产品设计制造过程中的重要地位；由于产品性能仿真所涉及学科的多样性和CAD系统间各自特色，迫切需要能够讲多种CAE仿真集成在一个易学易用、统一完整的平台上。MSCPatran正是从一角度出发开发的有限元框架式平台，设计真可以方便地根据自己的需求进行多学科的工程分析和数据交换。因此，MSCPatran被广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、铁道、机械、制造业、电子、建筑、土木、国防、生物力学、食品包装、教学研究等各个行业。MSC.Patran是世界公认最好的新一代前後处理系统，它结合了几何造型整合、有限元素模型建立、以及模拟分析和结果评估能力，常被用来模拟产品的性能，并早在设计／制造实体模型测试前，即找出可能发生的问题并解决问题，提高产品的竞争力。MSC.PATRAN可以帮助产品开发商实现从设计到制造全过程的产品性能仿真,具有极强的实用性。MSC.PATRAN的用户界面既容易使用又方便记忆。这就意味着当有经验的使用者正专著于他们的问题而不是如何使用软件时,那些新用户也可以很快成为熟练的使用者。作为世界一流的前后处理器,MSC.PATRAN已经风靡了二十多年,按"事件分类"的分析解算器选择功能,使MSC.PATRAN的分析集成系统达到一崭新的水平。分析选择可根据不同分析软件(包MSC.PATRAN提供的商品化应用分析模块)设置不同的工作环境,可满足用户对使用效益和集成的需求。而无需再象以前那样当一个模型要进行不同的分析时必须针对不同的分析软件的特点重复建模。第二章适航验证技术在中国的发展2.1适航验证技术在中国的发展上世纪七十年代末，我国民航总局成立工程司，开始着手开展适航审定管理，中国民航适航审定系统逐步建立健全与国际接轨的适航法规体系和组织结构，培养了一批批专业的适航审定管理和技术人员。随着中国民航发展和变革，中国民航适航审定系统也从未停下发展的脚步，自2003年启动对国产新支线飞机ARJ1-700的适航合格审定工作依赖，适航审定系统得到了进一步加强：2007年1月，上海航空器适航审定中新成立，侧重运输类飞机的事行审定；2007年12月，沈阳航空器适航审定中心成立，侧重旋翼机和轻型航空器的适航审定；我国正在筹划成立适航审定中心和适航验证中心，分别侧重航空发动机和螺旋桨的适航审定、以及适航标准及符合性方法的验证技术。在中国民航发展的五年规划和2020年规划远景中，均在实现民航大国向民航强国转变的战略高度对那个提出明确具体的规划要求。其重要转变标志之一是具备发达的民族航空制造业以及建成与其相应的适航审定系统。并提出“适航先行”的理念。而中国民航适航审定系统建设的关键要素是：健全的组织，合格的人员，与国际接轨的工作思路。健全的组织我国将由民航局适航审定司为核心，建立起相应的地区管理局审定处，并与相关的科研院校合作，在全国主要城市成立完备的适航审定中心和适航验证中心。（如图2.1）民航局适航审定司民航局适航审定司CAAC-AAD科研院校地区管理局审定处适航审定中心适航验证中心图2.1完备的适航审定组织根据我国现有的组织以及将来所规划的适航验证审定中心，组织如图2.2所示：运输类飞机审定中心运输类飞机审定中心上海适航验证中心北京/西安航油/航化审定中心成都小飞机/旋翼机审定中心沈阳发动机/螺旋桨审定中心北京图2.2适航组织规划合格的人员我国将紧密结合国内型号任务，在适航审定实践中锻炼队伍、积累经验，培养出合格人才，建立适航教育培训体系，以教育先行，推动“适航先行”的理念。与国际接轨的工作思路航空业的国际合作是大势所趋，在已有ARJ21的发展模式中，我们深切体会到，国内制造商负责的是机体设计和系统的综合，而国际供应商则需负责系统的研发；直15飞机的研制模式则是中外合作设计；由法国空客研制的A320则是国内负责总装制造。种种先例表明，在国际合作一体化的今天，适航验证同样需要国际交流。在与国际接轨的工作思路方面，民族航空制造业要有意识地开展国际合作与竞争。建立广泛的国际适航当局的适航双边关系，如在欧洲有欧洲航空安全局，德国民航局，法国民航局，英国民航局，俄罗斯航空注册局等，北美有美国联邦航空局，加拿大运输部等等。以RJ21-700飞机项目为平台的载体，与以美国联邦航空局FAA为代表的航空发达国家适航当局开展更深层次的合作，推动其适时开展“影子审查”，进而扩展包括运输类飞机在内的全面适航双边。在这一历史过程中，我们的航空制造业人员和适航审定系统人员的素质都得到极大程度提高，对采取国际适航标准有全新的体会和认识，进而促进我国自己适航标准，审定能力和民机设计水平的全面提升。2.3适航条例对飞机座椅结构设计要求2.3.1概述作为飞机附属设备的乘员座椅/约束系统在飞机坠撞环境中位于传力终端，在保护乘员方面具有非常重要的地位。美国开展飞机结构抗坠毁设计技术研究时，对座椅和成员的约束系统的作用非常重视。FAA制定的飞机抗坠毁设计规范以及MIL-S-5B095(AV)等设计手册中有专门的章节就乘员座椅及约束系统做出了严格的规定。由于我国尚未有飞机结构抗坠毁方面的规范或标准出台，各航空研究所在进行飞机设计时缺乏座椅约束系统方面的设计依据，本文主要通过FAA和有关指标进行总结，提出一般性强度要求。2.3.2座椅/约束系统的设计要求(1)飞机失事时乘员的保护和生存是飞机座椅设计、试制和试验中首先应考虑的问题。坠撞约束座椅和约束系统可以防止乘员与机身内部结构或设备之间相互碰撞，从而保护乘员免受伤害。每个座椅、约束以及座椅/座舱地板之间连接在一起构成一个完整的乘员保护系统。MIL-JSSG-2010-7，3.7.1节规定，乘员保护系统应当在整个飞机坠撞过程中，始终保持结构的完整性。除保护乘员免受碰撞伤害之外，乘员约束系统还应在整个坠撞过程中起到乘员支撑和定位作用，使作用在乘员身体上的加速度限制在一个可以接受的水平之内，并尽量减少冲击载荷给乘员所带来的伤害。(2)除此之外，MIL-JSSG-2010-7，3.7.3.3.1节还规定了抗坠毁座椅在整个飞机坠撞能量吸收系统中，所应当承担的衰减冲击载荷的份额，并且要求座椅和约束系统的配备，应使飞机上的成员（包括机长、操作手（飞行员）、炮手等）能在接到紧急或潜在的飞机坠撞警报的情况下快速进入规范坐姿。(3)控制由坠撞引起的冲击力是坠撞时保护乘员的一个关键，座椅在此方面起到至关重要的作用。事实上，不仅要具备防止乘员因过载受到伤害的能力，还要具备防止乘员碰撞机体或舱内硬物的能力。在抗坠毁座椅/约束系统设计过程中，必须考虑如下重要因素：人体损伤承受极限、冲击载荷的方向、约束系统的类型和几何特征、座椅的靠垫影响、能量吸收、乘员保护系统的强度以及在特定冲击载荷作用下成员的轨迹等重要因素。值得指出的是，在坠撞过程中，过载伤害和接触伤害过程都与乘员保护系统密切相关，不能将其分开来分析。(4)座椅/约束系统应当在可能发生的强冲击载荷方向和碰撞区域为乘员提供保护，并尽可能增大载荷在人体上的分布面积。当乘员就位的时候，要求乘员约束系统与机舱壁不发生脱离或脱落。为防止碰撞带来的伤害，乘员约束系统必须保证乘员身体各部分都落在乘员冲击轨迹包线范围内。(5)座椅/约束系统的设计必须采用系统的方法。飞行器得性能以及设计布局方式对座椅/约束系统有一定的要求，约束系统的设计应当与机舱内部其他设备的设计相结合。举例来说，机身结构的吸能性在某种程度上来讲，要求乘员保护系统在满足能量吸收能力要求的同时也满足强副要求。除此之外，固位系统的内部组成构建也有相互作用，不能从系统中分离出来。例如，在坠撞过程中，吸能座椅一方面要减小施加在乘员身体上的载荷，另一方面要减小机舱内部结构和附件所受到的冲击载荷，而且，在整个过程中，座椅本身的完整性不应破坏，为了达到这个目的，应该为座椅装备一套完整的减速度装置或限载装置。(6)除了上述提到的各种基本设计思想外，座椅的舒适性也是很重要的设计因素。虽然，座椅舒适性与飞机结构的耐撞性没有直接的联系，但是座椅的舒适性可以直接影响飞行员的飞行状态。如果忽略了座椅的舒适性，飞行员有可能在短时间的飞行任务重感到疲劳，从而增加飞机事故发生的可能性。2.3.3座椅材料与连接形式的选择在以往的飞机设计中，一般要求材料具有最佳的比强度。然而，根据飞机结构适航思想可以进一步提出，最好应当选择那些既满足强度要求，又具有足够的韧性的材料。选择这类型材料一方面可以满足静强度设计要求，另一方面可以使得制造的结构具有好的耐撞性能。用弹性分析作为选择材料的标准方法，对于产品使用寿命大多数情况是适当的，但是，作为耐坠毁设计，可预料载荷仅一次施加，因此，屈服点以外的材料特性通常是很重要的。座椅主要结构件所要求的延伸性在很大程度上取决于座椅结构是否设计成能通过使用分段的“限载”装置来吸收能量。一般规定，10%的材料延伸率是韧性材料与非韧性材料的大致分界线。10%是建议用于所有无限载装置座椅主要结构件的最小值。由于对峰值载荷脉冲形状、系统的动力响应及速度变化等因素难以精确预测，对于有限载装置的座椅，主要结构元件主要守在方向上，建议采用7%的延伸率的材料，这是因为其载荷和应力能预测。在飞机坠毁中有两种类型的地板变形会引起座椅结构或固定连接件破坏，第一种类型，在座椅腿固定连接件之间的地面发生“凸起”或“凹陷”的变形。这使座椅腿产生相对于地版面的转动，如果超过接头变形极限就会导致连接件破坏。第二种类型，地板表面发生扭曲或翘曲，这使座椅结构产生变形载荷。由于座椅上施加了附加载荷，会使座椅连接件破坏。座椅设计者必须估计到地板可能出现的凸起或凹陷，并在座椅结构设计中考虑一个适当的数值以降低不利影响。为解决座椅腿由于地板凸起而产生相对于地板表面的转动问题，可以考虑几种设计方案，下面提出两种：在固定连接件的设计中加进一个用有足够韧性的材料特制的“塑性铰”。对塑性铰所要求的容许屈服，甚至在座椅腿的转角超过由地板凸起所引起的最大预期变形值时都不破坏。还要要求它能承受压缩、拉伸和剪切的组合载荷，以便在弯曲屈服时固定座椅。采用类似窝关节这样的摩擦接头，以便通过接触地面之间的滑动允许座椅腿转动。为防止座椅连接由于地板变形而破坏，结构接头应能在各方向有较大的角位移时不破坏，一个能适应结构上整体载荷极限的座椅也能较好的适应坠毁状态下地板的弯曲和翘曲。所以我们可以根据可生存事故中座椅结构产生的变形，可以采取如下图2.6和2.7来考虑地板翘曲和弯曲极限。图2.6飞机坠毁时保证座椅牢固性所允许的地板翘曲要求简图图2.7严重坠毁时保证座椅牢固性所允许的弯曲或“凹陷”变形图一个实例可以说明因座椅腿与地板之间不能产生相对转动而引发的严重后果。在早期美国军用直升机样机上，驾驶员座椅的后腿是用一个如图2.8所示铸件连接到基础构架上的。在发生事故时，这个铸件由于应力集中区的轴向和弯曲组合应力的作用而一再破坏。而当后腿与滑轨接头之间的连接点处不承受弯曲载荷时，座椅能经受大约两倍的减速力。图2.8座椅后腿铸件接头更改后如图2.9所示，通过切掉部分铸件以减小弯矩，这样仅保留一个中心螺钉，因而连接形式由固定连接改为铰接。后来的试验证明这样更改能提高承载能力。图2.9座椅后腿铸件接头的更改2.3.4座椅强度要求乘员的体格特征是座椅设计的基本数据，FAA认为，在设计空勤座椅时应以第95百分位和第5百分位飞行员为基础来考虑乘员重量上下限，设计重量应以执行战斗任务和非战斗任务的座椅飞行员的典型重量为基础。表2.5，2.6给出MIL-JSSG-2010-7规定的典型飞行员重量以及垂直方向有效重量。表2.5典型飞行员质量（单位：kg）体型95百分位50百分位5百分位细目男性女性男性女性男性女性飞行员100.774.677.459.760.646.7衣物1.411.411.41头盔1.541.541.54皮靴1.861.861.86总量105.579.482.264.565.451.5垂向有效质量79.562.364.650.451.140.0表5.2兵员和炮手质量（单位kg）体型95百分位50百分位5百分位细目男性女性男性女性男性女性飞行员91.774.671.059.757.346.7衣物1.361.361.36头盔1.821.821.82皮靴15.115.115.1总量11092.889.277.975.565.0穿着垂向有效质量79.562.364.650.451.140.0装备垂向有效质量89.575.973.063.962.153.5虽然第95百分位作战装备飞行员质量可高达113.5kg，但据过去20年内军用飞行记录的大多数飞行小时是非战斗机飞行小时。因而空勤人员轻装的可能性极大，包括行程长度，控制方法和座椅装甲等方面对空勤座椅的限制约束了设计选择的灵活性，如果设计空勤座椅用以保护从第5百分位到95百分位全部重量范围内的乘员，则应有乘员重量传感装置或速度传感系统，以便对较轻机组乘员提供保护。变载系统要求更高，当进行充分研究后应在座椅设计中考虑。设计限载座椅的目的是考虑座椅和成员与飞机结构的相对位移使空间得到最好的利用，而作用在乘员身体上的在和必须与所用束带系统的类型及乘员对载荷的耐受能力相符。座椅-乘员系统垂直方向的响应，特别是座椅运动特性对乘员减速度水平的影响是一个尚未得到充分研究和还未完全解决的问题，影响限载系统设计因素有：输入脉冲、乘员的有效重量、椅垫特性及可用冲程距离。由于一部分下肢支撑在地板上，因此，座椅上的乘员在垂直方向的有效重量大约是乘员重量的80%，乘员有效重量可由以下几个部分来确定：a．80%乘员体重；b．80%乘员着装重量（靴子除外）；c．膝盖以上身体携带的全部设备的100%重量。限载系统的极限载荷应该用14.5过载系数（GL）确定。极限载荷是用座椅上乘员的有效重量和座椅可动部分重量之和乘以14.5确定的。这一结果是阻止座椅垂直运动的全部力，其中包括摩擦、紧固等作用力。对于滑动系统来说，满足这个要求是困难的，因为摩擦力随接触力而变化，接触力又随冲击载荷的矢量方向而变。建议采用无摩擦的滚动机构或折叠机构。过载系数14.5是为了限制作用在座椅内乘员身体上的减速载荷，使减速载荷在超过人体耐受时间小宇23的过载系数。MIL-STD1807里对各种座椅零部件的静态极限载荷因子做出了详细的规定，如表2.7所示。表2.3C-17座椅及其约束系统要求强度要求极限载荷方向（相对于机体坐标系）MIL-S-25073A（座椅）类型I和类型Ⅱ头枕（头垫）890N朝后座椅扶手1335N朝下445N侧向椅垫、前沿1780N朝下类型Ⅰ（直升机）座椅底部13350N朝下座椅靠背8900N朝后安全带装置6408N均布4005N肩带安全腰带装置6675N均布类型Ⅱ（货机、运输机以及多发教练机）座椅底部17800N朝下座椅靠背6675N朝后安全带装置12816N（腰带）均布8010N肩带MIL-S-26688（座椅，乘客，后向，运输机）座椅靠背17800N座椅底部17800N座椅扶手890N侧向搁脚板1113N安全带配件4450N每个配件MIL-S-7852(座椅、机组乘员、可调节旋轴、E-1型)座椅底部17800N座椅靠背17800N头枕（头垫）890N朝后座椅扶手1335N朝下445N侧向安全带配件12816N均布8010N肩带第四章飞机座椅有限元建模及分析4.1概述座椅是飞机的重要构件，其必须安装安全带和肩带以保证在规定的飞行状态和应急着陆状态惯性载荷作用时，驾驶员身体不受到严重损伤。座椅关系到对飞机驾驶员和乘员的保护，因此适航当局对其十分重视，要求其必需符合FAR第23.561条和第23.562条的规定，以及在中国民用航空条例CCAR第23.561条和第23.562条中明确强调再应急着落时，飞机结构必须具有对成员的保护功能，这就给座椅、安全带及其连接结构设计和试验验证工作带来了一定难度。适航条例除了提出在规定的冲击速率作用下，座椅和约束系统的最大变形（包括塑性变形及破坏）等指标方面的要求以外，还对肩带载荷，乘员腰椎力乘员骨盆加速度，乘员头部加速度和HIC值等做出了硬性规定。为满足以上条款，FAA适航当局提出对于小型农用飞机驾驶员座椅和紧束装置可以经过5000磅的静态试验，其中2000磅的作用力分配给肩带装置，3000磅的作用力分配给腰带装置，加载状态按美国联邦航空局咨询通报ACNO：23-4的规定的试验状态进行，以验证其抗坠撞性能是否符合FAR第23.561条和第23.562条的规定。按照美国FAA适航条款要求和咨询通报对飞机静强度验证，由于模型、安全带和肩带在计算分析中均为面接触，不易模拟准确，故采用各部件相互作用的受力分析，得到试验模型作用在座椅各部件及安全带和肩带上作用力，再施加到座椅有限元计算模型上进行计算的方法。依据强度计算结果设计改进后，对农5A飞机驾驶员座椅顺利完成强度验证试验。不仅对小型飞机进行验证，也对大型飞机座椅适航取证提供思路和方法。对于动态响应结果分析，由于时间和能力有限，只进行了简单的尝试。4.2飞机乘员座椅静强度验证4.4.1座椅试验要求对于座椅的适航取证，重要的是满足抗坠撞性能要求，即FAR第23.561条的抗坠毁载荷要求和第23.562条规定的动态试验要求。从历史上来说，农用飞机有显著的坠撞生存记录，适航当局在备忘录中认可对于座椅适航取证，满足FAR第23.561条和第23.562条的规定的具体状态可为：（1）在试验装置中安全带和肩带的组件应包括收回装置、惯性卷盘、长度调节器、金属固定件等；（2）人工调节安全带和肩带至试验件的贴荷位置，在安全带和肩带的每段张力足够大的情况下，人工锁住所有带子收回装置和惯性卷盘，以保持锁住状态和防止带子伸长；图4.1座椅试验加载示意图（3）对于抗撞性能满足FAR第23.562条的规定，可以用加大静态试验载荷模拟其坠撞时的动态响应试验，即座椅和紧束装置必须经过5000磅的静态载荷试验，其中2000磅的作用力分配给肩带装置，3000磅的作用力分配给腰带装置，力的作用方向沿顺航向向前，如图4.1中的和。换算成国际单位制=8907N，=13361N。图4.1座椅试验加载示意图4.4.2各约束点载荷计算分析按图4.1所示座椅试验模型、安全带和肩带均在约束状态下进行试验这时肩带和腰带与加载部件之间为面接触，其使约束系统的载荷分布十分复杂，同时两个模型之间的作用力也会产生复杂的受力关系。此外，5000磅的作用力相当于标准人体质量过载为n=29的惯性过载，大大超过了适航第23.561条规定的向前n=9的惯性过载。因此，对于座椅承受如此大的载荷不进行强度分析和判断，极有可能造成试验失败。为此，根据图4.1的加载方式、模型的尺寸及其相互关系，绘制了座椅试验时的作用力示图（见图4.2）。由图4.2可以判断，安全带和肩带的载荷不仅影响到固定点的约束强度，而且也影响到了座椅和地板的结构强度，必须在计算中同时考虑安全带和肩带的作用力，两个模型之间的作用力及模型A作用给座椅的作用力来判断座椅和连接地板的结构强度。图4.2载荷分析示意图图4.2载荷分析示意图座椅静态试验作用在各约束点上载荷计算分析过程如下：由各协调尺寸得到图4.2中，（4-1）（4-2）（4-3）（a）对于作用在模型B上的力转化到座椅相应结构上的计算分析（1）作用在模型B上的载荷由安全带的合力和通过模型A与模型B接触传递的力、平衡。如图4.2所示，在坐标系下建立平衡方程。由得（4-5）由得（4-6）由对模型B的加载点力矩平衡，得（4-7）由图4.2得已知=8907N，建立方程（4-8）解联立方程得（4-9）由合力计算通过肩带上的力为（4-10）肩带上的作用力图4.3座椅限位器受力图（4-11）图4.3座椅限位器受力图（2）由计算得到通过肩带的载荷可计算座椅限位器（图4.2中E点）及肩带约束装置（图4.2中D点）上所受载荷。图4.3为座椅限位器受力图。座椅限位器作用力（4-12）图4.3座椅限位器受力图作用在肩带约束装置（图4.2中D点）上载荷为,与图中坐标系XOY的Y方向夹角为21°。图4.3座椅限位器受力图（3）单条肩带受力如图4.4所示，计算假定两端受力相等。（4-13）（b）对于作用在模型A上的力转化到座椅结构上的计算分析（1）作用在模型A上的力。除作用力外，还有M点肩带通过安全带锁传递的载荷、垂直于椅面的力及模型B通过点传递的载荷和，如图4.2所示。在坐标系XOY下建立平衡方程由，得（4-14）由,得图4.4肩带上端受力图（4-15）图4.4肩带上端受力图已知建立平衡方程，得（4-16）解得（4-17）（2）假设A对座椅椅面的作用力合力大小为12638.8N，假设其呈梯形分布作用到椅面上，假设A宽381mm，如图4.5所示，对图4.2中C点取矩，建立平衡方程，有：（4-18）椅面作用载荷：（4-19）图4.5载荷作用到座椅椅面载荷分布（3）腰带载荷由模型A两边传给座椅。腰带的形状与模型A的宽度有关，模型图4.5载荷作用到座椅椅面载荷分布图4.6腰带载荷（4-20）（4-21）（4-20）（4-21）4.4.3飞机座椅有限元模型的建立一般来说，在条件允许的情况下，应尽可能建立详尽的结构有限元模型，以座椅系统为例，如果进行了座椅系统动力试验，则模型至少必须能够反映试验所描述的真实情况。在建立仿真分析有限元模型时，应满足保证在和传递路径的通畅。也就是说，必须根据试验结果或者实际工程经验来判别座椅中哪些结构部件对于飞机载荷的传递来说是至关重要的，应详细检查并分析座椅实际结构，找出关键部件的连接形式以及连接情况，并尽可能的建立这些部件的详细的有限元模型，以保证仿真分析模型能够真实的反映载荷的传递路径。否则，将会给分析结果带来无法估计的误差。4.4.4座椅有限元计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，以农林五A型飞机为例，对飞机模型做了适当的简化。保留了主要结构部件的特征及框架。各座椅的结构用梁单元模拟，如图4.7。图4.7飞机座椅有限元模型施加边界约束，并将第4.2节中计算的作用力按实际角度施加到有限元模型上，如图4.8。经过结果分析，其位移云图及应力应变云图如图4.9（a）（b）（c）所示。图4.8作用力加载到有限元模型示意图图4.9（a）座椅受载后位移云图图4.9（b）座椅受载后应力云图图4.9（c）座椅受载后应变云图对座椅进行模态分析，其前五阶模态响应如图4.10所示：图4.10(a)一阶振型模态，固有频率为152.64Hz图4.10(b)二阶振型模态，固有频率为219.61Hz图4.10(c)三阶振型模态，固有频率为386.52Hz图4.10(d)四阶振型模态，固有频率为452.67Hz图4.10(e)五阶振型模态，固有频率为519.09Hz通过结果，可以分析得出：(1)构架应力最大点在座椅靠背梁的下部，接近加强片的位置，为1035MPa，原结构满足强度要求；(2)座椅与机身结构的连接脚片强度不够，进行加强，保证脚片厚度为4mm钢片，强度满足要求；(3)肩带卷缩器上载荷在座椅靠背加强梁上产生的扭矩大，增加剖面形状抗扭刚度，强度满足要求；(4)腰带连接耳座和肩带绕过机身结构需要加强。4.3飞机乘员座椅动强度分析4.3.1模型的建立飞机结构在坠撞环境下，机体结构在很短时间内，受巨大的冲击载荷作用，飞机结构各部件响应具有复杂的高非线性特征。在碰撞区域的结构部件材料一般都会迅速的超越弹性阶段而进入塑性流动状态，并出现屈服、屈曲、撕裂等多种形式的破坏或失效。碰撞力通过飞机结构传递到座椅，并经由座椅、安全带等约束系统作用于人体。因此，座椅与机舱地板的连接关系是建模过程中所需要考虑的一个重要因素。一个合理的座椅模型应正确描述出座椅与地板连接区域的局部结构特征。基于以上考虑，在座椅与地板连接区域附近的结构有限元网格应尽可能的细密，单元网格应尽可能合理，以期反映出真实的碰撞区域的相应情况。如上所述，要获得合理反映实际座椅情况有限元模型必须进行合理的工程假设，反映真实材料力学特性的材料参数，如弹性模量、密度等基本参数等。对有可能发生屈服、屈曲甚至破坏失效等区域的材料则还应当给出反映材料的屈服模式、失效模式等破坏失效方式的屈服应力、极限应力、硬化模量以及应变率相关系数等材料参数，同时必须注意载荷的施加和约束的简化。以某航空座椅为例，按上述原则对几何模型进行了适当的简化，保留了主要结构部件的特征，该型双排航空座椅的有限元模型如图4.10所示。座椅与机舱地板的连接条件可以根据实际情况采用焊接单元、固定连接或铰支连接等方式。本次运用有限元模型是MSC/PATRAN，HyperMesh有限元前处理软件生成。在有限元静力分析模型基础上增加了座椅和靠背的泡沫，并增加了座椅连接个数，最终有限元模型如图。图4.10双排航空座椅有限元模型4.3.2.严重载荷情况分析我们采用国际上通用的最大冲击工况，采用垂直14g进行简单分析。假设座椅在两人乘坐的最大悬臂端时，承受14g的加速度，加速度方向与水平面成60°夹角斜向上。模型的初始水平速度为10.8m/s，加速度在0.08秒时达到14g。此模型相当于向下施加一定载荷，模拟加载体重为70kg的人在座椅上，从而分析座椅情况。加载后根据MSC/PATRAN分析应力及应变所示如图4.11，4.12。表示在加载时间内，Y向作用力及座椅应变随时间变化图。根据分析，得出图4.13及4.14，表示在某一时刻所得应力及纵向应变示意图。模态响应如图4.15，表示前五阶不同频率的相应。图4.11Y向作用力在0.1s内随时间变化图4.12应变在0.1s内随时间变化图4.13加载后座椅在0.021秒时应变图4.14加载后座椅在0.021秒时应力大小图4.15(a)频率为5.1976Hz一阶模态响应图4.15(b)频率为9.3392Hz二阶模态响应图4.15(c)频率为16.259Hz三阶模态响应图4.15(d)频率为18.495Hz四阶模态响应图4.15(e)频率为26.204Hz五阶模态响应由结果可以看出，飞机座椅需要加强连接座椅之间的连接强度。通过仿真手段能够尽量有效模拟出机身内部结构在复杂动力环境下的力学响应，因此，可以借助仿真分析对飞机座椅/安全带约束系统下对乘员的保护作用及结构连接件的强度做出快速评价。第五章全文工作总结及展望飞机适航验证技术在世界的发展及在我国逐渐的普及，为提高飞机安全性，保障乘员安全，对飞机结构操纵面影响，机舱内座椅受载撞击时静力分析与动态分析都是十分有必要的。结构适航工作在国内才刚刚起步，研究深度有待于进一步扩展。本文在对飞机适航结构设计进行研究的基础上，对军用飞机操纵面设计提出一些想法，对农林五型飞机座舱内座椅进行了静强度及动强度的仿真模拟。5.1全文工作总结1.对飞机结构适航在我国的发展进行了总结，并依据现有的情况介绍了在不久的将来我国适航研究的进程。2．根据美国联邦航空FAR，我国现有运输机适航管理条例，以及民用飞机适航条例，总结概括出飞机操纵面及机舱内座椅的要求，分析可能导致乘员损伤飞机坠撞结构损坏的因素，并根据要求对现有飞机存在的问题提出一些操纵面，机舱座椅的设计建议。3.根据军用飞机标准，分析飞机操纵面现阶段存在的问题，提出飞机副翼、水平尾翼和升降舵的设计方法。4.分析了乘员座椅的设计要求，在静力分析时提出座椅之间各部件受力分析，提出建立有限元模型的原则，并建立飞机座椅有限元模型框架，加载并进行有限元计算，完成静强度试验分析。5.提出多乘员、座椅/安全带约束系统动力学模型建模方法，并将其简化，简单验证对飞机垂直冲击载荷14g动强度模拟载荷分析。5.2总结与展望农林五型飞机是结构相对简单的小型通用飞机，在建模时进行了适当的简化，对于动力学问题缺乏真人模型的加载，只是通过约70kg的物体加载进行了分析，仿真度有待提高。且在飞行过程中，飞行员的舒适度也是很重要的一个指标。将来进一步研究时，可以将人模型运用其中，具有更广泛的参考意义。飞机结构适航验证技术在我国正处于新兴前沿研究阶段，对于飞机及乘员安全的考虑，结构适航不仅仅在于飞机操纵面及座椅的仿真模拟，这将对提高我国飞行安全方面有着深远广阔的前景。参考文献[1]旋翼机和轻型定翼机耐坠毁文集，第一卷，《耐坠毁设计指南》，直升机技术编辑组，1981，7。[2]美国联邦航空局资讯通报，ACNO：23-4[3]Carden,H,D.,ImpulseAnalysisofAirplaneCrashDatawithConsiderationGiventoHumanTolerance,SAEPaper830748,April,1983[4]THEMacNeal-SchwendlerCorporation.Msc/PATRAN基础培训教程，1999[5]美国联邦航空FAR-23[6]中国民用航空CCAR-23-R3[7]马超,李林,王立新，大展弦比飞翼布局飞机新型操纵面设计，北京航空航天大学学报，2007。[8]农林5A型飞机驾驶员座椅FAA适航验证强度分析，洪都航空，2007。[9]J.F.M.Wiggenraad.CrashworthinessResearchatNLR(1990-2003),NLR-TP-2003-317.[10]王翔，蒋玮光，全尺农林飞机纵向坠撞试验大纲，中国直升机设计研究所，2006，10.[11]王翔，蒋玮光，全尺农林飞机纵向坠撞验证试验报告，中国直升机设计研究所，2006，12.[13]Mili