飞机座椅与乘客碰撞模拟分析

飞机座椅与乘客碰撞模拟分析

ImpactSimulationandAnalysisofAircraftSeatand

Occupant

摘要

^文题目：飞机座椅与乘客碰撞模拟分析

言俞文摘要内容：本^文研究目的为利用有限元素分析法，进行碰撞模拟分

析以探讨

飞机座椅之安全设计。使用分析软件ANSYS建立座椅有限元素模型。依

据美国耳希邦航空总署所订定的座椅动态测试法规(14CFR25.562)即模拟

飞机于紧急迫降时，座椅产生减速度达14g与16g之负载条件。飞机座

椅有限元素分析模型包含：座椅主结构、座椅软垫、乘客安全约束系统以

及餐盘等附属组件。座椅材料性质皆由材料试验所获得，主结构材料模块

是采用Cowper-SymondsPlasticityModel,此模块可考虑应变率对于材

料变形行为的影响，适用于金属等向性材料的塑性变形分析。碰撞假人模

型使用LSTC公司所提供之HybridIII50thPercentileDummy。本研究使

用LS-DYNA动态求解器，使用LS-PrePost前后处理软件输出仿真结

果。观察座椅含假人整体碰撞过程动态情形，依据座椅动态测试法规订立

之评判标准，分别探讨座椅变形与损坏情形是否阻碍乘客紧急逃生路线，

再输出假人头部伤害指数、腰椎与骨盆间轴向负载以及大腿股骨轴向负载,

以判断乘客是否安全。

关键词：飞机座椅、乘客安全、14g与16g动态测试、假人、头部伤害

指数、腰椎轴向负载、大腿股骨轴向负载

I

Abstract

TitleofThesisImpactSimulationandAnalysisofAircraftSeatandOccupant

TheContentsofAbstractinthisThesis：

Theobjectiveofthisresearchistoinvestigatethedesignofaircraftseat

andoccupantsafetyusingfiniteelementmethod.AcommercialcodeANSYS

isusedtoestablishthefiniteelementmodel,includingaircraftseatsand

dummies.Theimpactanalysesof14gand16gdecelerationareperformedto

simulatetheemergencylandingoftheaircraftbasedonthesafetyregulation

oftransportairplaneprescribedfromFederalAviationAdministration,called

title14codeoffederalregulationspart25sec.25.562.Thefiniteelement

modelofaircraftseatincludestheprimarystructures,seatcushions,occupant

restraintsystems,foodtraytableandotherplasticattachments.Thematerial

propertiesareobtainedfromthetensileandcompressivetests.Cowper-

Symondsplasticitymodelisusedtosimulatethedynamicbehaviorof

materials.Thismodelconsidersthestrain-rateeffectonmaterialswhile

theyaresubjectedtoimpactloading.ThefiniteelementmodelofHybridIII

50thPercentileDummy,providedfromLivermoreSoftwareTechnology

Corporation(LSTC),isadoptedforthesimulation.AcommercialcodeLS-

DYNAisusedtosolvetheimpactsimulation.Theplasticdeformationof

seatstructureisofconcern.Aftertheimpactcrash,thedeformationofseat

cannotimpedetherapidevacuationofoccupants.Theaccelerationand

resultantforcesofdummiesareobtainedfromtheimpactsimulationandare

usedtoassessthepotentialinjuriesofoccupantduringtheimpact,suchasthe

headinjurycriteria(HIC),themaximumcompressiveloadmeasuredbetween

thepelvisandthelumbarcolumn,andtheaxiallycompressiveloadsof

dummies.

Keywords:Aircraftseat,Occupantprotection,14Gand16Gdynamictest,

HybridIIIDummy,HIC,Lumbarloads,Femurloads

in

目^

摘要.........................................................I

Abstract.....................................................................................................................II

谢志.......................................................IV

目^........................................................V

表目嚏亲.....................................................VIII

图目嚏象......................................................IX

第1章绪^..................................................1

1.1研究动机与目的........................................1

1.2飞机座椅动态测试法规(14CFRPart25.562).....................................3

1.3文献回顾..............................................4

1.4全文概述.............................................15

第2章飞机座椅之计算机辅助工程设计与分析...................16

2.1飞机座椅系统介绍.....................................16

2.2材料机械性质测试.....................................18

2.3飞机座椅有限元素模型.................................25

2.3.1有限元素模型建立................................25

2.3.2模型速接定义....................................29

2.3.3材料模块定义....................................35

5

2.3.4接触型式定义....................................40

2.4人形测试设备(AnthropomorphicTestDevice,ATD).......................41

2.4.1人形测试设备介绍................................41

2.4.2HybridIII50thPercentileDummy碰撞假人............48

2.5座椅主要负载传递路径.................................56

2.6座椅预变形扭转治具模型建立...........................58

2.7碰撞仿真座椅安装配置.................................60

第3章飞机座椅碰撞模拟与分析...............................64

3.1座椅14G垂直向下碰撞动态仿真.........................64

3.1.1边界与负载条件设定..............................64

3.1.2碰撞分析结果与讨^..............................67

3.1.3假人伤害指数....................................79

3.2座椅16G水平向前碰撞动态仿真........................84

3.2.1边界与负载条件设定..............................84

3.2.2座椅预变形模拟结果与讨^........................88

3.2.3碰撞分析结果与讨^..............................90

3.2.4座椅变形安全性评估.............................104

3.2.5假人伤害指数...................................111

第4章结^................................................118

6

4.1结^................................................118

4.2后续探讨方向........................................121

参考文献...................................................122

作者简介...................................................126

VII

表目鳏

表1-1、飞机座椅型式分^与对应规范...............................5

表1-2、HIC与AIS关馨性.........................................9

表1-3、座椅碰撞模拟结果与HIC值总表...........................13

表2-1、材料参数总表............................................22

表2-2、座椅主结构各组件重量比对................................26

表2-3、三种型号假人重量与坐姿高度规范值.......................42

表2-4、FAAHybridIII5。"Percentile成年男性假人重量.............49

表2-5、腰椎负载与座椅负载......................................51

表3-1、14G座椅碰撞测试负载条件规范值.........................65

表3-2、座椅各组件能量分布总表..................................76

表3-3、座椅主结构各组件应力分布总表............................77

表3-4、假人伤害指数与安全带负载总表............................83

表3-5、16G座椅碰撞测试负载条件规范值.........................85

表3-6、前排座椅各组件能量分布总表.............................100

表3-7、前排座椅椅背组件能量分布总表...........................101

表3-8、后排座椅各组件能量分布总表.............................103

表3-9、假人伤害指数与安全带负载总表...........................117

8

图目鳏

图1-1、1960年至2013年飞机失事案件与死亡人数统计............2

图1-2、飞机飞行时间与失事率..................................2

图1-3、头部碰撞路径范围......................................6

图1-4、TheWayneStateToleranceCurve(WSTC)...........................................8

图1-5、DynamicResponseIndex,DRI曲线.......................10

图1-6、使用滑卓(Sled)撞击Honeycomb进行动态测试.............11

图1-7、碰撞产生之冲击力与反弹力.............................11

图1-8、使用油压缸控制加速度滑隼(AccelerationSled)..............................11

图1-9、座椅结构与舱体结构...................................12

图1-10、受应变率影响之应力应变曲线差昊......................14

图2-1、飞机座椅模型(2人座).................................17

图2-2、材料机械性质测试.....................................19

图2-2、材料机械性质测试(续).................................20

图2-2、材料机械性质测试(续).................................21

图2-3、安全带拉伸测试.......................................23

图2-4、使用电热线切割泡棉...................................23

图2-5、泡棉压缩性质测试.....................................24

图2-6、椅背调整杆压缩性质测试...............................24

9

图2-7、座椅主结构有限元素分析模型...........................27

图2-8、座椅软垫有限元素分析模型.............................27

图2-9、扶手塑料外壳有限元素分析模型.........................28

图2-10、餐盘与IFE有限元素分析模型..........................28

图2-11、扶手旋转接头测试....................................30

图2-12、椅背旋转接头测试....................................31

图2-13、椅背调整杆速接设定..................................31

图2-14、钾钉接合位置........................................32

图2-15、椅脚固定端组件速接方式..............................32

图2-16、座椅软垫与主结构速接设定............................33

图2-17、CONTACT_TIED黏滞距离隹计算示意图...................33

图2-18、座椅配重位置与分析模型..............................34

图2-19、座椅系统有限元素模型................................34

图2-20、材料非线性有效塑性区应力应变曲线....................36

图2-21、铝合金方管冲击试验..................................37

图2-22、冲击实验与分析结果..................................37

图2-23、修改后ABS材料曲线.................................39

图2-24、安全带分析模型元素型式..............................39

图2-25、三种型号假人坐姿....................................42

10

图2-26、HybridII50thPercentileMaleDummy.............................................43

图2-27>HybridIII50thPercentileMaleDummy..........................................44

图2-28、FAAHybridIII50thPercentileDummy...........................................45

图2-29、假人腰椎型式比较（弯曲与直立型式）....................47

图2-30、FAAHybridIIIDummy修改部位........................47

图2-31、HybridIII50thPercentileDummy分析模型................48

图2-32、假人各部位模型......................................50

图2-33、腰椎负载与头部运动路径..............................51

图2-34、SRP定义与计算.....................................53

图2-35、HybridIII50thPercentileDummySRP位置................53

图2-36、假人坐姿角度与四肢摆放位置调整......................54

图2-37、安全带模型建立与设定................................54

图2-38、座椅含假人模型......................................55

图2-39、座椅主要负载传递路径................................56

图2-40、腰椎损伤之负载传递路径..............................57

图2-41、头部损伤之负载传递路径..............................57

图2-42、座椅扭转条件相关规定................................58

图2-43、扭转治具旋转接头位置................................59

图2-44、座椅扭转治具模型....................................59

11

图2-45、14G垂直俯冲碰撞测试座椅安装配置....................60

图2-46>14G碰撞仿真座椅安装配置............................60

图2-47>16G水平向前碰撞测试座椅安装配置....................62

图2-48、雨科F座椅间总巨........................................63

图2-49、16G碰撞仿真座椅安装配置............................63

图3-1、座椅14g冲击方向角度.................................65

图3-2、地板减速度与时间曲线.................................65

图3-3、14G碰撞仿真边界与负载条件...........................66

图3-4、地板负载曲线.........................................66

图3-5,座椅14G碰撞模拟动画撷取图...........................69

图3-5、座椅14G碰撞模拟动画撷取图（续）......................70

图3-5、座椅14G碰撞模拟动画撷取图（续）......................71

图3-5、座椅14G碰撞模拟动画撷取图（续）......................72

图3-6、地板减速度分析结果输出...............................73

图3-7、地板速度分析结果输出.................................73

图3-8、14G碰撞座椅动能与内能分析结果.......................74

图3-9、14G碰撞座椅内能分析结果.............................74

图3-10、座椅主结构与坐垫变形情形............................75

图3-11、座椅各组件能量分布情形..............................75

XII

图3-12、座椅主结构各组件应力分布............................77

图3-13、扶手(Armrest)应力分布................................78

图3-14、座椅圆管(UpperBeam)应力分布........................78

图3-15、假人头部加速度值....................................80

图3-16、假人头部损伤指数(HIC)....................................................................80

图3-17、假人大腿股骨轴向负载................................81

图3-18、假人腰椎轴向负载....................................82

图3-19、安全带负载..........................................82

图3-20、座椅16g冲击方向角度................................85

图3-21、减速度与时间曲线....................................85

图3-22＞座椅预变形模拟......................................86

图3-23、座椅沿纵轴方向偏置10度.............................86

图3-24、16G碰撞仿真边界与负载条件..........................87

图3-25、地板负载曲线........................................87

图3-26、座椅预变形模拟动画撷取图(0-300ms)........................................88

图3-27、座椅主结构变形情形..................................89

图3-28、座椅组件破坏情形....................................89

图3-29、座椅碰撞模拟动画撷取图..............................93

图3-29、座椅碰撞模拟动画撷取图(续)..........................94

13

图3-29、座椅碰撞模拟动画撷取图（续）..........................95

图3-29、座椅碰撞模拟动画撷取图（续）..........................96

图3-30、地板减速度分析结果输出..............................97

图3-31、地板速度变化曲线....................................97

图3-32、16G碰撞座椅动能与内能分析结果......................98

图3-33、16G碰撞前、后排座椅能量分布........................98

图3-34、前排座椅主结构与坐垫变形情形........................99

图3-35、前排座椅各组件能量分布..............................99

图3-36、前排座椅椅背组件能量分布...........................101

图3-37、后排座椅主结构与坐垫变形情形.......................102

图3-38、后排座椅各组件能量分布.............................102

图3-39、座椅向前变形量测位置...............................106

图3-40、椅背变形量测位置...................................106

图3-41、座椅变形旋转角度量测位置...........................107

图3-42、座椅向前变形量测...................................108

图3-43、座椅椅背变形量测...................................109

图3-44、座椅变形旋转角度量测...............................110

图3-45、后排座椅假人头部撞击位置与时间点...................111

图3-46、假人头部加速度值...................................113

14

图3-47、假人头部伤害指数(HIC)..................................................................113

图3-48、假人大腿股骨轴向负载.................................114

图3-49、假人腰椎轴向负载......................................115

图3-50、安全带负载.............................................115

图3-51、前后排假人腿部撞击位置与时间点.......................116

图3-52、安全带拉伸破坏强度实验...............................116

图3-53、安全带拉伸破坏强度实验妻攵据...........................116

15

第1章绪^

1.1研究动机与目的

世界大战结束后，战争科技应用于空中运输，飞机已渐渐取代翰船

成为长途交通的主要工具，在远距离隹传输方面节省许多时间，也缩短国

与国的距雄但伴随着飞机意外事故更是不容小觑图1-1为1960至2013

年飞机失事统计口]。造成飞机失事意外的因素有很多，例如：鸟击、引

擎失效、机械故障等等。图1-2为飞机飞行时间百分比与发生事故机率，

共分为九个区域，曲线下方表示飞行于空中的时间百分比。可看出飞机

于起飞与降落期间飞行时间不长但失事率高，其中又以降落时发生致命

性事故的机率最高约为41%[2]«而飞机事故中能够有多数生还机会的就

是在紧急迫降(EmergencyLanding)。当发生引擎失效、机械故障、燃油不

足或需要紧急救时，机长判断机上状况执行紧急迫降。通常是以机腹着

陛，先是碰撞路面再向前滑行，座椅与乘客承受垂直向下与水平向前的

冲击力。飞机舱体结构强度必须足够不致损坏，而飞机座椅则必须吸收

足够的冲击能量，避免承乘客受致命性的伤害，尽可能保护乘客在第一

时间生还。且座椅变形状况不可阻碍乘客逃生路线，让乘客能够于事故

后紧急撤离隹，以避免碰撞后产生油路或电路的损害引发火警造成伤亡。

2013年7月AsianaAirlines(韩亚航空)214班机Boeing777-200ER于

SanFrancisco机场降落时操作不当而碰撞路面造成意外事故，即将着F圭

时坠毁。当时机尾先撞击海堤，发动机和机尾脱落，机尾残骸散落于跑道

上。机上人员共307人，仅三名乘客身亡。死者都在断落的机尾外找

到的，其中一人因未系安全带当场罹难。另一名则于7月12日抢救无效

死亡，另一名则是被消防隼碾压过且未实时救护而身亡。机上搭载的座椅

都通过了美国靖f邦航空总署(FederalAviationAdministration,FAA)静态9

g与动态16g的测试规范，机上乘客受到保护第一时间生还，座椅变形

情形未阻碍紧急逃生路线，机上人员皆能紧急撤蹄，避开火警发生造成死

伤[3],表示座椅通过动态测试法规之认证，对于乘客安全与生还率相当重

要。

本研究利用动态碰撞分析探讨飞机座椅之结构安全设计。由于飞机座

椅安全认证流程相当繁琐，需通过静态测试、动态测试、次结构强度与耐

久测试、防火测试等法规。本研究主要针对座椅动态测试法规(14CFR

25.562)进行探讨。模拟飞机于紧急迫降碰撞情形，依据法规制订之安

全标准，评估座椅结构变形与损坏情形，与假人伤害指数，判断座椅性能

与安全性设计是否通过法规要求。依据碰撞模拟结果进行分析，并提出相

关建议以利后续研究发展。

图1-1、1960年至2013年飞机失事案件与死亡人数统计[1]

FatalAccidentsandOnboardFatalitiesbyPhaseofFlight

WorldwideCommercialJetFleet-2003Through2012

Percentageoffatalaccidentsandonboardfatalities

Taxi,load/16%41%

unload,

parked,InitialClimbInitialFinal

towTakeoffdimb(flapsup)CruiseDescentapproachapproachLanding

Fatalaccidents11%11%5%8%9%4%11%19%23%

Onboardfatalities0%12%5%11%、18%3%18%17%17%

17%/33%

InitialF

approach\/Finalf

fix'

Exposureapproach\

(Percentageofflight

bmeestimatedfora1%1%14%57%11%12%3%1%

1.5hourflight)

Note:Pwconlaoesmavndsumoreosolvduetonumencalroundma.

图1-2、飞机飞行时间与失事率⑵

2

1.2飞机座椅动态测试法规(14CFRPart25.562)

分类直为运输客机的适航性能标准(AirworthinessStandard),由美国耳筹

邦航空总署(FAA)于1988年制定新的座椅测试法规，飞机座椅与约束系

统的安全设计必须符合规范，以保护乘客在紧急迫降(EmergencyLanding

Condition)时的安全。在动态测试法规条件的部分，分为Test1与Test2

动态测试[6],其中：

(a)Test1测试条件为，座椅速度变化量必须超过35fps,并沿着与座椅

垂直面夹角30度方向冲撞而地板的减速度值必须在碰撞后0.08秒

以内达到减速度的峰值并大于14go

(b)Test2测试条件为，先进行预测试使座椅产生变形，一侧椅脚沿X轴

扭转10度(Pitch),另一侧椅脚则沿Y轴扭转10度(Roll),并将座椅

与纵轴偏置10度(Yaw),再沿纵轴方向冲撞，其速度变化量必须超过

44fps,并在碰撞后0.09秒以内达到减速度的峰值并大于16go

以下几项为假人伤害指数的规范值，用以评估乘客的安全性，在碰撞

过程中假人伤害指数必须符合其规范值：

(1)若使用上半身安全带者，单条安全带的拉伸负载不可超过1,750磅，

而雨条安全带的拉伸总负载不可超过2,000磅。

(2)假人的腰椎与骨盆之间的压负载不可超过1,500磅。

⑶使用上半身安全带者，在碰撞过程中安全带必须保持在乘客的肩上。

(4)使用腰部安全带者，在碰撞过程中安全带必须保持在乘客的腰间。

(5)每位乘客必须在头部碰撞时受到保护，所以头部碰撞时之头部伤害指

妻攵(HeadInjuryCriterion,HIC),不可超过1000。其HIC计算由以下方

程序(1-1淀义:

[「1『产]

—HJla(t)dt\>(1-1)

〔」人

其中L为积分区间初始时间,

3

t2为积分区间最终时间，a①为头部撞击时，加速度与时间曲

线，⑴以秒计算，(a)单位为g。

(6)当足部碰撞到座椅或其他结构时必须受到保护，大腿股骨的轴向

压负载必须小于2,250磅。

(7)座椅的附属组件即使产生塑性变形也不能脱离隹原始安装位置。

(8)座椅结构在Testi与Test2的测试中产生塑性变形后，其变形最大

限度不可妨碍乘客的紧急逃生路线。

1.3文献回顾

早期FAA对于飞机座椅性能仅制订Part25.561静态测试法规［4］,针

对轻微碰撞降落(MinorCrashLanding)之负载条件，定义座椅强度设计规

范。将飞机紧急迫降时撞击路面所产生之冲击力，分为六个单一方向制订

负载条件，以座椅含乘客总重乘上惯性力系重攵之负载施加于座椅结构上，

分别为向上3g、向前9g、向机身侧4g、向座椅侧4g、向下6g以及

向后1.5g。但飞机碰撞时的负载条件是相当复杂且多变的，飞机结构

承受的冲击力并非分开单一方向的，而是属于结合各种方向的冲击力。然

而美国国家运输安全委员会(NationalTransportationSafetyBoard,

NTSB)认为这样的负载条件不足以完整表现实际紧急迫降时人体承受的冲

击力，这样的设计规范乘客与驾驶人员无法受到保护，因为许多非致命性

意外事故(SurvivableAccident)中飞机结构与机舱内设备并没有损坏,

但仍然造成乘客重伤、受困以及死亡。一份由NTSB从1970开始进行

的研究［5］中显示几乎60%的大型运输客机都会遭遇非致命性事故，而

机舱内装并无损坏。超过4,800乘客与驾驶员包含其中，且超过1,850人

受伤或死亡。NTSB相信其中超过46%的包含火灾的非致命性事故是可

以避免伤亡的。然而随着设计与测试的技术日益成长，但是座椅法规在当

年却超过30年未曾更新过，故要求FAA针对飞机结构抗碰撞能力以

4

及座椅乘客保护性能，制订新的座椅测试法规。于1980年代FAA进行

一系列实际飞机撞击测试，以期望可增加座椅性能并提高安全性。加上汽

隼工业在碰撞试验技术发展成熟，发展拟真测试人偶(AnthropomorphicTest

Device)o假人拥有良好的生物真实性，仿真真人的动态行为，且身上

安装力量规与感知器，以量测力量、弯矩、速度与加速度，用以评估及预

测人体伤害程度。14CFRPart25.562飞机座椅动态测试法规⑹将假人

伤害指重攵列入规范中，如头部伤害指数(HeadInjuryCriteria,HIC)、腰

椎(Lumbar)与骨盆(Pelvis)压负载与大腿股骨(Femur)压负载等。于1986年

提出立法草案，于1988年修正案正式立法，运输^客机飞机座椅设计标

准将纳入16g动态测试要求。

随后FAA委托美国汽串工程协会(SocietyofAutomotiveEngineering,

SAE)于1990制订航天标准AS8049[7],针对座椅性能设计与开发订定

规范包含加入乘客定义座椅尺寸、静态动态负载条件等。将不同种^飞机

的座椅分^为四种座椅型式，并依据不同座椅型式制订不同的测试法法规,

如表1-1所示。FAA又于1998年发布飞机座椅技术标准规定TSO-

C127a[8],针对旋翼飞机、运输^飞机与一般功能性飞机座椅系统规

定最低性能标准(MPS),新的座椅制造完工后于有效期限内通过最低性能标

准，其质量需求皆制订于航天标准AS8049中。

表1-1、飞机座椅型式分^与对应规范⑺

ApplicableFederal

SeatTypeAircraftCategory

Regulations

ATransportAirplane14CFRPart25

BNormalRotorcraft14CFRPart27

CTransportRotorcraft14CFRPart29

DGeneralAviationAircraft14CFRPart23

5

航天建议参考手册ARP5526[9]提供飞机座椅设计规范的就明与导

引，针对座椅各零组件设计要求逐项^明，以及其他评估座椅性能的配重

规定。包含椅背、餐盘、扶手等需避开可能造成乘客危险，以头部碰撞路

径(图1-3)做为参考，其范围内应避免有尖锐角度之设计。最后提供座

椅次结构强度与耐久测试之负载条件就明。

图1-3、头部碰撞路径范围[9]

针对运输客机的座椅型式，FAA发布通告AC25.562-1B[10]于动态

测试规范与认证条件进行详细的描述，包含测试设备选用与架设、假人放

置角度与位置、测试流程与负载条件以及评断通过标准等，以提供研究人

员便于了解测试法规规范，并有能力完成实验。

为了改善飞机结构抗碰撞能力以及座椅安全防护能力，座椅设计与开

发皆需经过测试，然而动态实验所需要的时间与设备成本相当高，所幸科

技的进步，计算机软硬件技术上的突破，大幅提升计算机的运算能力，使

分析模型可允许更大的元素数目使模型更为完整。座椅开发时可搭配计算

机有限元素软件进行分析，能增加效率以及减少成本。FAA制订通告

AC20-146[11],提供使用计算机有限元素分析的方式进行动态座椅的认

证(CertificationByAnalysis,CBA)的方法，其中包含如何验证计算机模

型，以及进行模拟分析以符合TSO之规范，定义分析技术的限制、可

接受之应用以及模型验证步骤。依据假人伤害指数规范以及座椅结构变形

与受力情况，评估并预测座椅设计是否通过动态测试法规。

6

SAE发布航天建议参考手册ARP5765［12］,文中详细描述应用有限

元素分析软件，进行飞机座椅动态测试的仿真，相关设定与注意事项，使

仿真条件符合法规规范，并提供建议使分析模型提升准确度，并将

Bhongeetal.动态分析飞机座椅有限元素模型建立方法［13］纳入。其中包

含座椅模型建立、假人放置于座椅上之校正与定位、软件中元素的使用与

质量要求、接触型式的设定与意义、负载条件的设定方法，并提供相关模

拟易发生的求解错误(Error)与建议的解决方法以及后处理输出结果数据等,

最后于附件提供与安全带与座椅软垫的材料性质实验数据。

飞机座椅动态测试法规选用之假人为重量170磅且需符合49CFR

Part572SubpartB［14］规范。当时制订法规时期HybridII50thPercentile

MaleDummy是唯一选择。然而随着汽卓工业与测试假人的发展，于1988

年期间发展出新一代假人HybridIII50lhPercentileMaleDummy,其规范

为49CFRPart572SubpartE［15］。修改颈椎结构增加运动挠度,头部加

入六轴向加速度计以提高加速度值量测的精准度，并添更多感知器，以

提高生物真实性为提升飞机座椅乘客安全性设计技术FAA将HybridIII

Dummy纳入动态测试使用，但HybridIIIDummy的开发是适用于汽隼工

业，假人呈现驾驶人坐姿且采用弯曲型式腰椎，为确保HybridIIIDummy

的动态测试数据能等效于HybridIIDummyo故由美国耳第邦总署航天医学

中心(CivilAerospaceMedicalInstitute,CAMI)与应用安全技术公司

(AppliedSafetyTechnologiesCorp.,ASTC)合作将HybridIIIDummy进行

修改以符合飞机座椅法规使用。其主要修改腰椎与骨盆区域，并进行飞

机座椅动态法规测试，主要比对项目为假人各部位重量分配必须正确，

假人身上量测损伤指数的感知器功能必须符合法规要求，以及身体动态

行为必须可被量测。该研究共比对腰椎轴向负载、安全带负载、头部轨

迹、头部速度等。结果显示HybridIIIDummy经修改后可符合飞机座椅

动态法规规范［16］。本研究模拟使用LSTC公司所提供之HybridIII50th

PercentileDummy,假人附加的言兑明手册［17］含有假人校正信息，各项测

试与模拟比对，验证假人模型之等效性。就明手册提供如何输出假人身

上各个感知器数据，以及如何调整假人姿势等信息。

7

飞机座椅动态测试法规搭载碰撞测试人偶(ATD),用以评估乘客于碰撞

过程中生还与否之准则为头部伤害指数(HeadInjuryCriterion,HIC)。起

初头部伤害风险是以头部撞击加速度与持续时间关系曲线(WayneState

ToleranceCurve,WSTC)［18］评估。如图1-4所示，曲线右上方表示区域

表示有生命危险，而左下方区域为无生命危险。由曲线可看出人脑的伤害

与承受的加速度值及持续时间有关耳酎性，当头部碰撞为接触式碰撞是属于

高加速度值持续时间短，而非接触式碰撞属于低加速度值持续时间长，其

中高加速度但持续时间短比起低加速度值而持续时间长较不易造成头部伤

害［19］。1970年代福特通用汽孰GeneralMotor)公司，搭配碰撞测试假

人进行汽事前碰撞实验，由工程师Versace提出量测假人头部质心位置

加速度值与时间曲线，取任一时间区间进行积分，以最大值表示伤害的风

险［20］,如式1-1所示。并于1972年列入美国耳帑邦汽事安全标准

(FederalMotorVehicleSafetyStandards,FMVSS)No.208。定义HIC时间

区间不可超过36毫秒。当HIC等于1000时有16%的机率因为脑部伤害

而致命［21］。HIC为重攵值计算所获得，丁丫同1々出.［22?|各出1(2与简易伤害

指数(AbbreviatedInjuryScale,AIS)进行比对，并找出其关速性如表1-2所

示。当HIC值为1000时相对于AIS为3,表示昏迷程度为1到6小时无

意^状态，且头骨可能产生凹陷性骨折。

图1-4、TheWayneStateToleranceCurve(WSTC)[18]

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表1-2、HIC与AIS关耳第性[22]

HICAISLevelofconsciousness

135-5191Headacheordizziness

520-8992Unconsciouslessthan1hour-Linearfracture

900-1,2543Unconscious1-6hours-Depressedfracture

1,255-1,5744Unconscious6-24hours-Openfracture

1,575-1,8595Unconscious>25hours-Largehematoma

>1,8606Nonsurvivable

飞机于垂直俯冲碰撞时\乘客腰椎受力过大可能造成伤害，严重则可

能造成生命危险。飞机动态测试法规将腰椎与骨盆间轴向压负载列入重要

参数，以评估乘客是否受到保护。于喷射座椅设计与测试时期，针对腰椎

受力与伤害情形，发展出动态响应指毒攵(DynamicResponseIndex,DRI)