弹射座椅动态舒适性与人椅动力学特性研究

动态乘坐舒适性一直是座椅舒适性的研究难点和重点之一,为了研究弹射座椅的动态乘坐舒适性,建立了九自由度的人-椅系统动力学模型,并分别进行了人体模型的模态和人椅模型的动态响应计算机仿真与分析,研究了座椅动态特性参数变化对人体振动响应的影响,为弹射座椅动态舒适性的评估和防护方法研究奠定了基础.      

基于SimMechanics的飞行员操作仿真

利用中国男性飞行员人体尺寸和中国成年人人体测量数据,建立飞行员上肢的刚体模型.参考GJB飞机座舱布局和HB飞行品质规范要求,运用Matlab运动仿真模块SimMechannics对飞行员推杆和拉杆操作进行动力学仿真.在给定末端运动规律和负荷水平时,通过仿真可获得上肢各关节力矩,根据舒适性准则可求解上肢的三维舒适操作域.仿真结果表明负荷水平相同时推、拉杆操纵的舒适域并不相同,舒适操作范围大小与操作特征相关,在进行飞行员的工效分析和座舱的优化布局时必须根据操作特征具体分析.     

弹射座椅与飞行员系统重心测量技术

为解决火箭弹射座椅人椅系统在弹射出舱后的稳定调节问题,设计研制了新型电子人椅系统组合重心测量设备,建立了组合重心的俯仰累加测量与推导计算方法,并对294名飞行员的人椅系统组合重心数据进行了测量和计算.结果表明,研制的测量设备精确可靠,建立的方法便捷有效,并具有通用性.研究结果已应用于弹射座椅的设计研制中,精度提高了10倍,效率提高了3倍.     

基于Ansys的飞行员座椅坐垫舒适性仿真

鉴于飞行员对飞机座椅的舒适性要求越来越高,针对人与座椅之间的应力分布这个座椅舒适性评价指标,建立了包括骨盆在内的人-座椅坐垫有限元模型,对坐姿下人与坐垫的应力分布进行了仿真计算.通过比较1g重力环境下仿真和实验坐垫上应力分布,验证模型的有效性,在此基础上开展了不同过载下的仿真计算.分析可知仿真模型在坐应力分布和应力值大小方面与实验数据具有较高的一致性;不同过载下体内以及坐垫上应力最大值与施加的过载加速度直接呈线性关系.结果表明,建立的人-座椅坐垫有限元模型是有效的,可以用于评估不同坐垫或不同过载环境下的舒适性.      

空调座舱热舒适性计算

 热舒适性是评价座舱空调系统的重要指标.根据人体热平衡方程和Fanger的舒适性假设建立了空调座舱的热舒适性计算模型,并给出了空调座舱热环境的评价方法,从而为热舒适的定量评价奠定了理论基础.应用此模型对3种座舱空调方案的热舒适性进行了计算,从热舒适角度比较了3种方案的优缺点,结果表明方案3是最优方案.     

短距离起飞加速度对飞行员操作影响的分析

短距离起飞产生的过载加速度可能对飞行员的安全操作造成极大隐患。本文建立飞行员-座舱系统的多刚体模型,仿真分析了胸-背方向的加速度载荷（Gx）对飞行员驾驶状态下的人机动力学响应。首先,根据第3百分位的男性人体测量学数据,通过三维CAD软件建立了飞行员的虚拟假人模型;并根据设计参数的要求建立了包括座椅和操作杆（油门杆与驾驶杆）在内的飞机座舱模型。然后,以标准的短距离起飞的加速度模拟曲线为载荷条件,利用多刚体动力学软件ADAMS模拟了飞行员在短距离加速起飞过程中的动力学响应及飞行员与操作系统之间的力学相互关系。仿真结果表明,过载加速度会经飞行员身体传递给操作杆,5G加速度载荷产生的传递力作用在驾驶杆和油门杆上的值分别为128 N和211 N,两者均已超过了通常操作杆所设计的有效阈值,因此存在误操作的可能。另外,本文结合仿真结果和国外现有战机设计,提出了短距离起飞下飞行员避免误操作的可行方式,结果显示该方式可以有效地转移加速度传递所带来的影响。本文方法将为在短距离起飞作用下避免误操作的分析提供技术途径,得到的结果将为驾驶部位的人机设计提供参考。      

人体上肢多体系统动力学模型

在弹射过程中，当敞开的弹射座椅进入气流中时，会造成人体各部位的损伤，特别是会造成肢体的骨骼或肌肉损伤－－甩打伤。为设计飞行员的保护装置，对肢体的动态响应，如角速度、运动轨迹等进行了研究。介绍计算人体上肢动态响应的多体系统动力学模型，包括两种初始姿态（握扶手和握中央环）下弹射的情况，结果表明双手握中央环弹射比双手握扶手弹射安全。     

军用飞机驾驶舱中飞行员上肢可达性分析

描述了获取上肢可达区数据的测量方法,并建立了可达区分析模型;以座椅参考点为坐标原点,采用坐标变换的方法将美国军用飞机飞行员的上肢可达区数据转换成中国歼(强)击机飞行员上肢可达区的近似数据;按照国家军用标准的规定,建立了座舱可达区的三种分析模型;借助建立的模型对某型号军用飞机电子化驾驶舱中的部分控制器的可达性进行了分析;最后利用军用飞机进行了实际检测,检测结果验证了可达区分析模型的正确性.     

弹射座椅不利姿态控制规律设计

弹射座椅在低空不利姿态下的弹射救生性能是第四代弹射座椅的关键技术,而控制规律算法设计则是姿态轨迹控制的核心问题。提出了一种全新的控制规律设计方法,通过建立弹射全过程的轨迹姿态仿真模型、设计控制参数寻优计算模型,得到离散化的最优控制参数集。利用基于误差逆向传播(BP)算法的多层前馈神经网络模型,获得弹射状态全区间范围内的连续性控制规律算法。以单滚转不利姿态为例,进行了控制规律算法的设计验证。结果表明,采用本文控制规律算法后,弹射座椅在最低安全救生高度性能指标上远远优于多模态控制规律、美俄联合研制的K36Л-3.5型座椅,并基本满足国军际的性能要求。设计方案简单明确,结果算法逼近理论最优值,可以为第四代弹射座椅控制规律设计提供一定的参考意义。      

战斗机地面停放时飞行员综合热应激预测模型

预测夏季战斗机地面停放时飞行员的热应激,以提高航卫等有关人员对飞行员受高温影响的认识,并为采取必要的防护措施提供依据.首先由气象条件估算战斗机座舱内热环境参数,分析穿着夏季飞行基础服装时飞行员在座舱热环境中的热调节过程,模拟飞行员热生理指标变化情况,从而预测飞行员的热应激水平.编制了飞行员穿夏季基础着装在座舱中的热分析软件,给出了热应激预测结果,经高温舱试验验证,人体平均皮肤温度、核心温度及平均体温增值计算与试验结果变化趋势相同,且量值接近,热应激预警结果一致.综合热应激指数模型预测与试验结果对比偏差均小于20%,预测模型合理可靠,能满足使用要求.      

航空座椅适坠性评估与分析方法

为了研究某航空座椅在坠撞环境下的结构响应特性,针对座椅和假人耦合系统,提出了航空座椅适坠性评估与分析方法。首先根据航空座椅结构特点,提出了合理的模型简化方法,建立了座椅的有限元模型,并将有限元模型和50分位Hybrid Ⅲ型多刚体假人模型耦合。然后按照适航条例规定的通用飞机乘员座椅动态试验方法和资格要求对此乘员座椅系统进行了适坠性仿真分析,在仿真中考虑了客舱地板变形的影响,得到了典型冲击载荷下座椅各部件的变形方式和能量吸收情况,以及假人的各项伤害指标。分析结果表明:在水平冲击环境下,乘员座椅系统受到的损伤更严重;过于刚硬的靠背调节机构会加大椅管梁前端的塑性变形;客舱地板变形加剧了座椅结构破坏,相对于俯仰变形,客舱地板滚转变形造成的破坏更大。为了提高适坠性能,提出了座椅结构的设计改进方案。      

缓冲座椅系统着陆冲击响应的研究与分析

根据返回舱着陆过程中的特点、等效的着陆冲击加速度和缓冲机构的工作原理,建立了缓冲座椅系统的动力学模型。然后给出了座椅上任意点动力响应的计算方法,数值算例验证了缓冲座椅系统建模、计算的正确性。最后分析了着陆速度、输入冲击波形、座椅上测点位置和缓冲机构力学特性不同因素对航天员胸背向、头盆向加速度、座椅缓冲行程的影响及其原因,为提高缓冲座椅的工作性能提供了参考。     

载人飞船座椅缓冲机构的可靠性试验方法

结合中国载人飞船座椅缓冲机构介绍了功能和主要故障模式,建立了座椅缓冲机构的可靠性模型,给出了座椅缓冲机构的可靠性特征量,基于计量型可靠性试验的基本思路,提出了座椅缓冲机构的可靠性试验方法并给出了应用示例,为载人飞船座椅缓冲机构可靠性验证提供了技术途径。     

四元数在弹射座椅性能仿真中的应用

针对弹射座椅性能仿真中欧拉角速率方程在大幅度姿态运动时存在奇异性,以及四元数法由于姿态角的有界性而出现跳跃、难以实现全姿态角的问题,提出了四元数与欧拉角相结合的方法.阐述了四元数的定义、几何意义及四元数表示的运动学方程.通过四元数到欧拉角的转换,给出了仿真中四元数的积分初值计算公式;分析了弹射仿真中姿态角的跳跃和间断问题.以某型号座椅为例进行了仿真计算,通过对比仿真结果和试验数据,确认了仿真的有效性;与采用单一四元数法的仿真结果进行对比表明,该方法充分结合了四元数与欧拉角速率方程的优点,有效解决了欧拉角速率方程的奇异性和弹射仿真中全姿态角的实现.      

航空发动机机匣损伤容限评估及剩余寿命预测

使用有限元的方法,建立了某航空发动机机匣安装座处局部模型,计算得到了不同尺寸裂纹的应力强度因子的形状因子Y.基于BS7910评定方法,利用失效评估图(FAD,Failure Assessment Diagram)确定了机匣安装座结构在工作应力下的可接受裂纹尺寸为84.8 mm,结构的剩余强度随裂纹尺寸的增加而显著降低,焊缝较母材具有更低的损伤容限和剩余强度.使用缩小宽度模拟验证件模拟工作状态载荷进行了验证试验,当裂纹尺寸与试样宽度比值较小时,与模拟验证件的评估结果基本吻合.根据Paris公式,构件在工作应力下的剩余寿命为74 238周次.      

飞行员头盔夜视镜系统气流吹袭性能研究

开展飞行员头盔夜视镜系统的高速气流吹袭试验，研究其气动特性和作用在人体颈椎上的力，评价其对弹射救生安全性的影响，为头盔夜视镜系统的设计和使用提供依据。采用高速气流吹袭台（敞开式风洞）吹袭的试验方法，将弹射座椅固定在吹袭台喷口前的台架上，试验假人（HYBRID Ⅱ型假人）端正地放置在弹射座椅上，试验假人穿抗荷服，佩戴头盔、夜视镜、供氧面罩。以850 km/h的吹袭速度作为试验的起点，按照试验设计确定的原则依次调整吹袭速度。夜视镜分下位（工作）和上位（非工作）2个状态进行试验，用高速摄像机记录头盔夜视镜在吹袭时的佩戴状态，测量试验假人颈椎下端的力和力矩。高速摄像机、力和力矩测量系统用高速气流吹袭台设定的时间基准同步测量。共进行了10发试验，其中5发试验夜视镜从头盔上吹脱，5发未吹脱；获得了各次试验中假人颈椎的受力曲线及夜视镜吹脱的时刻和轨迹。按照试验合格判据，吹袭速度均未超过850 km/h。头盔加装夜视镜后，相比头盔不加装夜视镜，气流吹袭性能下降，吹袭速度800 km/h以上颈椎力矩超标，700 km/h为临界点，600 km/h合格。建议将头盔夜视镜系统的气流吹袭性能包线限制在600 km/h以内。