一种直升机适坠座椅的动态设计方法技术

本发明专利技术提供了一种直升机适坠座椅的动态设计方法，包括获得坠毁过程中座椅的典型外部冲击载荷，以典型外部冲击载荷、人员典型质量、身体典型刚度作为设计输入，建立系统动力学方程，根据翻卷管吸能器的线弹性刚度，将系统动力学方程变化为分段响应形式，得到离散微分方程组，根据离散微分方程组计算得出人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷，根据人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷修订翻卷管参数与座椅刚度。本发明专利技术通过对直升机坠毁冲击过程进行力学建模，从系统动态响应的视角形成适合抗坠毁座椅设计的动态力学模型，通过系统动态响应结果展开抗坠毁设计，能客观分析出各影响因素对人体腰椎动态载荷的影响，降低设计周期。

A dynamic design method of helicopter landing seat

The present invention provides a dynamic design method of helicopter crashworthy seat, including the typical external impact load to obtain the seat crash process, taking the typical external impact load, personnel quality, the typical body stiffness as the typical design input, establish the system dynamic equation, according to the turnup pipe suction line is the elastic stiffness, the the dynamic equations of the system changes as the segment response form, discrete differential equations, calculated in the human lumbar crash occurred in the process of the dynamic impact of the peak load according to the discrete differential equations based on the dynamic peak load in human lumbar revision impact crash occurred in the process of turning rolling parameters and seat stiffness. The helicopter crash impact process mechanics modeling, dynamic response from the perspective of system dynamic model for the formation of crashworthy seat design, the system dynamic response results of anti crash design, objective analysis of the influence factors on human lumbar dynamic load, reduce the design cycle.

【技术实现步骤摘要】
一种直升机适坠座椅的动态设计方法
本专利技术属于直升机救生与机上设备系统领域，具体涉及一种直升机适坠座椅的动态设计方法。
技术介绍
国内直升机适坠座椅的传统设计主要是根据人体在坠毁过程中的可承受载荷设计翻卷管吸能装置的翻卷力：F翻卷＝F人体可承受/λ1其中：λ1——动响应系数，根据大量试验经验获得。国内现有设计方法是一种半经验的准静态设计，其设计过程必须通过大量实验获得动响应系数，将人体可承受的动态惯性载荷转化为座椅翻卷管稳定的翻卷力。整个设计过程中人体刚度、座椅结构刚度、以及各种阻尼在坠毁过程中的对人体响应载荷的影响全部由动响应系数决定，座椅各部分(主结构、吸能装置、束带装置)的设计无关联性，故现有设计方法无法体现座椅结构刚度、以及各种阻尼对人体响应载荷的影响。由于传统的设计归根结底是一种静态的设计方法，很难体现系统的动态特性，且响应系数由试验给出，设计成本很高。例如，专利号为CN103249643A的中国专利技术专利中提到了一种航空座椅椅盆与椅管的连接固定装置，其特征在于：在椅盆与椅管间增加一连接装置装置，连接装置采用半圆形卡箍结构，其一端固定在椅盆的底面，另一端与椅管进行装配的装配端设有缺口；所述的连接装置采用弹性材料制成，连接装置分为两组，每组均为若干个，每一组的中轴线均在同一条直线上，两组连接装置之间的距离等于椅管之间的距离。再如，专利号为CN201729274U的中国技术专利中提到了一种减震弹射座椅，在椅背和椅座上设有橡胶压缩块。该技术的主要优点是飞行员在遇到弹射等突发情况时，减少受伤的概率。另外在飞行员驾驶战斗机做正向的大过载时也会减少飞行员的痛苦。在正常驾驶飞机时，飞行员也会感到更加舒适。再如，专利号为CN201313634的中国技术专利提到了一种整体吸能航空座椅，该技术采用整体式的椅腿，即前椅腿和后椅腿互相联系，在飞机坠地过程中，支撑杆可将飞机坠地产生的能量传递给斜杆，使斜杆变形，从而有效地吸收冲击能量，达到保护乘员的目的。
技术实现思路
为了体现系统的动态特性，本专利技术提供了一种直升机适坠座椅的动态设计方法，包括：第一步、获得坠毁过程中座椅的典型外部冲击载荷；第二步、以典型外部冲击载荷、人员典型质量、身体典型刚度作为设计输入，建立系统动力学方程；第三步、根据翻卷管吸能器的线弹性刚度，将系统动力学方程变化为分段响应形式，得到离散微分方程组；第四步、根据离散微分方程组计算得出人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷；第五步、根据人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷修订翻卷管参数与座椅刚度，设计出具体座椅结构。优选的是，对设计出的座椅结构进一步包括强度校核。上述方案中优选的是，所述第五步包括迭代算法进行最优求解。上述方案中优选的是，所述第四步中，通过隐式NEWMARK平均加速迭代算法进行求解。上述方案中优选的是，所述第二步的建模过程包括将模型设定为人体刚度和人体阻尼集中体现在人体躯干的步骤。上述方案中优选的是，所述建模过程包括将人体质量离散为上半身质量和下半身质量，并将座椅质量附加到人体下半身质量中去的步骤。上述方案中优选的是，所述动力学方程组为：其中，M，C，K为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，s为座椅坠地时的冲击位移，t为对应的时间。本专利技术通过对直升机坠毁冲击过程进行力学建模，从系统动态响应的视角形成适合抗坠毁座椅设计的动态力学模型，能客观分析出各影响因素对人体腰椎动态载荷的影响，从而指导参数的设计。本专利技术可大大降低设计成本，降低设计周期。附图说明图1为本专利技术直升机适坠座椅的动态设计方法的一优选实施例的力学分析示意图。图2为本专利技术图1所示实施例的建模示意图。图3为本专利技术图1所示实施例的翻卷力与响应载荷关系示意图。图4为本专利技术图1所示实施例的座椅及吸能装置综合刚度与响应载荷示意图。具体实施方式为使本专利技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术保护范围的限制。本专利技术提供了一种直升机适坠座椅的动态设计方法，包括：第一步、获得坠毁过程中座椅的典型外部冲击载荷；第二步、以典型外部冲击载荷、人员典型质量、身体典型刚度作为设计输入，建立系统动力学方程；第三步、根据翻卷管吸能器的线弹性刚度，将系统动力学方程变化为分段响应形式，得到离散微分方程组；第四步、根据离散微分方程组计算得出人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷；第五步、根据人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷修订翻卷管参数与座椅刚度，设计出具体座椅结构下面通过实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术中直升机适坠座椅动态设计方法综合考虑人体与座椅的重量、刚度以及阻尼在整个坠毁过程中对坠毁各阶段的影响，动态地分析和仿真坠毁过程中各阶段人体腰椎响应力与吸能力间的关系来指导座椅的结构与吸能装置的设计。本专利技术通过对直升机坠毁冲击过程进行力学建模，如图1及图2所示，从系统动态响应的视角形成适合抗坠毁座椅设计的动态力学模型，通过系统动态响应结果展开抗坠毁设计。本专利技术的主要实施步骤如下：1.根据坠毁过程统计规律，得出坠毁过程中座椅的典型外部冲击载荷。2.以典型外部冲击载荷、人员典型质量、身体典型刚度等作为设计输入，建立系统动力学方程：1)将模型设定为人体刚度和人体阻尼集中体现在人体躯干，如此可以在体现出人体腰部对系统本质影响的同时，大大简化计算模型；2)人体质量离散为上半身质量和下半身质量，并将座椅质量附加到人体下半身质量中去，如此可以最大限度的简化计算模型，同时由于该简化不改变腰椎以上的系统，故简化模型的同时不影响腰椎以上的系统。3)为了体现座椅吸能装置刚度、阻尼和座椅结构刚度、阻尼的影响，将该部分视为无质量的刚度、阻尼系统进行串联(如图1所示)。对于腰部载荷计算，必须如此构建离散系统，才可以在使用人体上半身、人体下半身+座椅进行离散建模而不影响腰椎处载荷计算结果。3.通过以上模型的建立，可以使用“直接刚度”法快速建立动力学方程组：其中，M，C，K为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，s为座椅坠地时的冲击位移，t为对应的时间，式中还包括一阶导与二阶导。由于结构使用的是翻卷管式吸能器，故需对C矩阵做处理，形成分段，同时刚度矩阵K中关于吸能器刚度应直接考虑翻卷管吸能器的线弹性刚度，当吸能装置进入吸能阶段时，屈服力转化为稳态阻尼形式(与系统动态参数无关)计入阻尼矩阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直升机适坠座椅的动态设计方法，其特征在于，包括：第一步、获得坠毁过程中座椅的典型外部冲击载荷；第二步、以典型外部冲击载荷、人员典型质量、身体典型刚度作为设计输入，建立系统动力学方程；第三步、根据翻卷管吸能器的线弹性刚度，将系统动力学方程变化为分段响应形式，得到离散微分方程组；第四步、根据离散微分方程组计算得出人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷；第五步、根据人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷修订翻卷管参数与座椅刚度，设计出具体座椅结构。

【技术特征摘要】
1.一种直升机适坠座椅的动态设计方法，其特征在于，包括：第一步、获得坠毁过程中座椅的典型外部冲击载荷；第二步、以典型外部冲击载荷、人员典型质量、身体典型刚度作为设计输入，建立系统动力学方程；第三步、根据翻卷管吸能器的线弹性刚度，将系统动力学方程变化为分段响应形式，得到离散微分方程组；第四步、根据离散微分方程组计算得出人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷；第五步、根据人体腰椎在坠毁冲击过程中出现的动态峰值载荷修订翻卷管参数与座椅刚度，设计出具体座椅结构。2.如权利要求1所述的直升机适坠座椅的动态设计方法，其特征在于，对设计出的座椅结构进一步包括强度校核。3.如权利要求1所述的直升机适坠座椅的动态设计方法，其特征在于，所述第五步包括迭代算法进行最优求解。4.如权利要求1所述的直升机...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛美萍，喻国瑞，孔波，王海云，王梅，徐龙起，赵蓉，吴世豪，江秋鑫，
申请(专利权)人：中国直升机设计研究所，
类型：发明
国别省市：江西,36