飞机座椅结构适航验证技术研究吴钧.docx
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飞机座椅结构适航验证技术研究吴钧
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：
1.介绍了我国民机适航研究的发展状况及应用前景；
2.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；
3.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
ABSTRACT
Withthedevelopmentofgeneralaviationindustry,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
目录
第一章绪论1
1.1飞机结构适航研究概述1
1．2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3
2.1适航验证技术在中国的发展3
2.2适航条例对飞机操纵面结构设计要求5
2.1.1概述5
2.2.2飞机飞行姿态及载荷定义6
2.2.3适航条例对操纵面的要求7
2.3适航条例对飞机座椅结构设计要求12
2.3.1概述12
2.3.2座椅/约束系统的设计要求12
2.3.3座椅材料与连接形式的选择13
2.3.4座椅强度要求16
第三章飞机操纵面结构选择与设计19
3.1概述19
3.2操纵面存在的问题19
3.3操纵面各部分设计20
3.3.1副翼20
3.3.2水平尾翼和升降舵24
第四章飞机座椅有限元建模及分析29
4.1概述29
4.2飞机乘员座椅静强度验证29
4.4.1座椅试验要求29
4.4.2各约束点载荷计算分析30
4.4.3飞机座椅有限元模型的建立35
4.4.4座椅有限元计算及分析35
4.3飞机乘员座椅动强度分析40
4.3.1模型的建立40
4.3.2.严重载荷情况分析41
第五章全文工作总结及展望46
5.1全文工作总结46
5.2总结与展望46
参考文献47
致谢49
毕业设计小结50
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。
1.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）
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：
图2.2适航组织规划
2.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。
3.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：
（a）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。
（b）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
100.7
74.6
77.4
59.7
60.6
46.7
衣物
1.41
1.41
1.41
头盔
1.54
1.54
1.54
皮靴
1.86
1.86
1.86
总量
105.5
79.4
82.2
64.5
65.4
51.5
垂向有效质量
79.5
62.3
64.6
50.4
51.1
40.0
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
91.7
74.6
71.0
59.7
57.3
46.7
衣物
1.36
1.36
1.36
头盔
1.82
1.82
1.82
皮靴
15.1
15.1
15.1
总量
110
92.8
89.2
77.9
75.5
65.0
穿着垂向有效质量
79.5
62.3
64.6
50.4
51.1
40.0
装备垂向有效质量
89.5
75.9
73.0
63.9
62.1
53.5
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
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