民机典型机身框段坠撞响应及乘员伤害的分析评估方法

1.本发明涉及民机适坠性评估技术领域，更具体地说，本发明涉及民机典型机身框段坠撞响应及乘员伤害的分析评估方法。


背景技术：

2.适坠性是指民机在发生坠撞或其他意外事件时，机体结构、座椅系统等具有保护乘员、使之最大可能地不受致命伤害的特性，是民机安全性的重要体现。民机适坠性研究不仅需要考虑民机机身结构抗坠撞性能，更需要考虑在座椅及乘员的坠撞冲击载荷水平，从而评估乘员各部位的伤害程度及风险这是民机适坠性研究的核心问题，也是评估民机适坠性能的主要判据。通过全面评估民机框段坠撞响应及乘员伤害的情况，了解民机的安全性，利用评估结果，改进机身构型和航空座椅等内部设施，从而提高其适坠性能，可有效提高乘员在民机坠撞事故中的生存力。
3.全尺寸典型机身段坠撞试验是考察和验证民机结构适坠性最为直接而重要的手段，但该试验成本高，耗时长，难以评估各种坠撞环境下的结构适坠性能。目前先进的数值计算方法得到了广泛应用，也是研究热点之一。在民机机身适坠性仿真分析中，为简化模型并提高计算效率，乘员假人和座椅约束系统通常使用集中质量来进行模拟，因此在数值计算过程中仅能得到机身结构坠撞变形及座椅导轨处的加速度响应等，无法获取坠撞过程中乘员各部位的动态响应及伤害情况。
4.在飞机坠撞冲击载荷作用下，对乘员产生的生物力学响应所引起人体各器官的损伤，一般分为机械性伤害和环境伤害，其中，机械性伤害由接触及加速度造成。调研表明：民机坠撞事故主要发生在起飞阶段和进近阶段，其中65％的事故中造成了接触/非接触的乘员头颈部及腹腔伤害，45％的事故中发生了乘员脊椎伤害，其他主要的伤害类型包括乘员下肢腿部的侵入性伤害等。航空座椅/乘员约束系统作为与乘员直接接触的客舱内部设施，其在飞机坠撞过程中发挥了保障乘员安全的关键作用。
5.国外研究机构针对运输类飞机结构已实施了大量全尺寸机身框段垂直坠撞/水平冲击试验研究和仿真分析，积累了大量试验数据及仿真经验，同时，基于经验证的数值分析模型，进一步深入研究了不同坠撞速度、坠撞姿态、坠撞环境及不同装载情况下的结构坠撞响应及乘员伤害，以支持新型号飞机的适坠性设计及乘员伤害分析。国内对于民机机身结构进行的坠撞试验研究，缺少系统深入的民机坠撞安全与乘员安全分析，工业方主要采用试验方法来表明适航符合性，验证成本高，设计手段不足；在仿真分析验证方面与欧美差距较大，鲜有含真实航空座椅及乘员假人的机身框段坠撞试验及仿真分析。因此，发展一种用于民机框段坠撞响应及乘员伤害的分析评估方法刻不容缓。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种用于民机框段坠撞响应及乘员伤害的分析评估方法，以民机机身框段与航空座椅及乘员为研究对象，基于试验结
果验证所建立的乘员-座椅-机身段坠撞分析有限元模型，评估不同坠撞工况下的乘员响应及伤害情况，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：民机典型机身框段坠撞响应及乘员伤害的分析评估方法，包括建立民机典型机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型、验证典型机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型、进行典型坠撞工况下的机身框段-座椅-乘员坠撞响应及乘员伤害分析、进行多种坠撞工况下的民机框段坠撞响应及乘员伤害的分析及评估，具体步骤如下：
8.步骤s1，建立民机典型机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型：分别建立经验证的机身框段结构有限元模型和座椅/乘员约束系统有限元模型，将机身框段结构有限元模型和座椅/乘员约束系统有限元模型组合，建立出民机典型机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型；
9.步骤s2，验证民机典型机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型：首先利用上述模型计算即可求解得到机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型的仿真结果，通过与坠撞试验获得的机身结构坠撞响应、座椅动态响应、乘员假人动态响应等数据进行对比，判断有限元模型仿真结果与试验结果的相关性，相关性差时，通过修正材料本构及失效判据，完善有限元模型进而提高仿真精度，最后得到经验证的机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型；
10.步骤s3，进行典型坠撞工况下的机身框段-座椅-乘员坠撞响应及乘员伤害分析：基于经验证的机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型进行典型工况下的坠撞仿真，分析民机机身框段坠撞响应和乘员伤害程度，根据乘员伤害评估判据，分别对乘员头部、颈部伤害、乘员腰椎伤害、乘员股骨伤害评估，评估综合乘员伤害；
11.步骤s4，进行不同坠撞工况下的民机典型机身框段坠撞响应及乘员伤害的分析评估：基于经验证的机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型，考虑不同坠撞工况和不同货物装载情况等，进行多种坠撞工况下的坠撞仿真，分析评估机身段坠撞响应程度和乘员在坠撞冲击下的伤害程度，根据伤害评估判据，分别对乘员头部、颈部、腰椎、股骨等进行伤害评估。
12.在一个优选地实施方式中，所述机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型主要包括三部分：经验证的机身框段模型、经验证的座椅约束系统模型、经标定的乘员假人模型，所述座椅约束系统模型包括航空座椅模型和约束系统模型。
13.在一个优选地实施方式中，所述机身框段模型主要使用section_shell壳单元建立，并采用belytschko-tsay算法；机身材料采用精确的材料本构及失效模型，紧固件采用8六面体簇的实体单元。
14.在一个优选地实施方式中，所述航空座椅模型，为典型客机三联座的旅客座椅，其中座椅前后椅腿及支板主传力路径上的部件、椅背靠垫及座椅垫组件使用section_solid实体单元建模，椅管、椅背及椅盆薄壁结构则通过section_shell壳单元模拟，其中座椅的主承力结构件为3种应变率不敏感的铝合金材料，采用型号为mat 024-piecewise linear plasticity的弹塑性材料卡片，座椅垫由聚氨酯和聚乙烯两部分组成，采用型号为mat057-low densityfoam低密度泡沫材料卡片。
15.在一个优选地实施方式中，所述约束系统模型，为两点式安全带及其锚点，安全带
采用一维section seatbelt安全带单元与二维section shell壳单元混合建模的方法，并使用cnrb连接，安全带材料为尼龙，有限元模型中的1d单元使用matb01-seatbelt安全带材料卡片，用于模拟安全带与锚点的固定，2d单元使用mat 034-fabric织物材料卡片，用于模拟安全带与乘员假人间的相互作用。
16.在一个优选地实施方式中，所述乘员假人模型，为hybridⅲ型50th百分位男性的精细仿真假人，假人体内安装的各类传感器可输出股骨、胫骨及腰椎压缩载荷、头部加速度数据，具有良好的仿生性。
17.在一个优选地实施方式中，所述机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型，设置各部件之间的接触定义，主要包括：机身框与刚性冲击平面的接触、机身框的自接触、座椅系统与假人的接触、约束系统与假人的接触，座椅系统内部其他各部件之间的接触。
[0018][0019][0020]
在一个优选地实施方式中，所述机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型，通过进行坠撞仿真分析，对比机身结构变形模式、乘员假人的运动姿态、乘员假人头部及腰椎承受载荷进行模型修正，进行不同坠撞姿态、不同坠撞速度、不同坠撞环境、不同货物装载等工况下的坠撞仿真，实现对机身结构坠撞响应和乘员伤害的全面分析及评估。
[0021]
在一个优选地实施方式中，述综合伤害的评估方法为：所述乘员伤害风险定量评估指标包括：
[0022]
乘员腰椎压缩载荷：fl≤6,672n；
[0023]
乘员左右股骨压缩载荷：ff≤10,008n；
[0024]
乘员头部伤害判据：hic≤1,000；
[0025]
乘员颈部伤害判据：nij≤1；
[0026]
此外，本发明参照综合适坠性评估指数(ici)的概念，对于乘员伤害风险进行综合评估，其评估公式为：
[0027][0028]
其中，座椅始终与座椅导轨保持连接，则attach＝1，否则attach＝0；座椅变形不影响乘员的应急撤离，则seat＝1，否则seat＝0；安全带保持约束于乘员骨盆处，则restraint＝1，否则restraint＝0。
[0029]
本发明的技术效果和优点：
[0030]
1、该种用于民机框段坠撞响应及乘员伤害的分析评估方法，建立了含真实座椅及乘员假人的民机典型机身段坠撞动力学分析有限元模型，基于试验数据验证有限元模型的有效性，以保证有限元分析方法的可信度；
[0031]
2、该种用于民机框段坠撞响应及乘员伤害的分析评估方法，研究了不同的坠撞工况，进一步揭示机身段结构坠撞对于乘员安全的影响规律和机理，为我国民机结构适坠性分析及乘员保护的适航审定提供支持。
附图说明
[0032]
图1为本发明的整体结构流程示意图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
实施例
[0035]
本发明提供一种用于民机典型机身框段坠撞响应及乘员伤害的分析评估方法，如图1，包括建立民机典型机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型、验证典型机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型、典型机身框段-座椅-乘员坠撞响应及乘员伤害分析、多种工况下的民机框段坠撞响应及乘员伤害的分析及评估，所述乘员伤害的评估包括一种综合伤害的评估方法，具体步骤如下：
[0036]
步骤s1，建立民机典型机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型：分别建立经验证的机身框段结构有限元模型和座椅/乘员约束系统有限元模型，将机身框段结构有限元模型和座椅/乘员约束系统有限元模型组合，建立出民机典型机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型；
[0037]
步骤s2，验证民机典型机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型：首先利用上述模型计算即可求解得到机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型的仿真结果，通过与坠撞试验获得的机身结构坠撞响应、座椅动态响应、乘员假人动态响应等数据进行对比，判断有限元模型仿真结果与试验结果的相关性，相关性差时，通过修正材料本构及失效判据，完善有限元模型进而提高仿真精度，最后得到经验证的机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型；
[0038]
步骤s3，典型机身框段-座椅-乘员坠撞响应及乘员伤害分析：基于经验证的机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型进行典型工况下的坠撞仿真，分析民机机身框段坠撞响应和乘员伤害程度，根据乘员伤害评估判据，分别对乘员头部、颈部伤害、乘员腰椎伤害、乘员股骨伤害评估，评估综合乘员伤害；
[0039]
步骤s4，评估民机框段坠撞响应程度和乘员在坠撞冲击下的伤害程度，基于经验证的机身段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型进行机身段坠撞响应程度和乘员在坠撞冲击下的伤害程度，根据伤害评估判据，分别对乘员头部、颈部、腰椎、股骨等进行伤害评估。
[0040]
进一步的，所述机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型主要包括三部分：经验证的机身框段模型、经验证的座椅约束系统模型、经标定的乘员假人模型，所述座椅约束系统模型包括航空座椅模型和约束系统模型。
[0041]
进一步的，所述机身框段模型主要使用section_shell壳单元建立，并采用belytschko-tsay算法；机身材料采用精确的材料本构及失效模型，紧固件采用8六面体簇的实体单元。
[0042]
进一步的，所述航空座椅模型，为典型客机三联座的旅客座椅，其中座椅前后椅腿及支板主传力路径上的部件、椅背靠垫及座椅垫组件使用section_solid实体单元建模，椅管、椅背及椅盆薄壁结构则通过section_shell壳单元模拟，其中座椅的主承力结构件为3种应变率不敏感的铝合金材料，采用型号为mat 024-piecewise linear plasticity的弹塑性材料卡片，座椅垫由聚氨酯和聚乙烯两部分组成，采用型号为mat057-low densityfoam低密度泡沫材料卡片。
[0043]
进一步的，所述约束系统模型，为两点式安全带及其锚点，安全带采用一维section_seatbelt安全带单元与二维section_shell壳单元混合建模的方法，并使用cnrb连接，安全带材料为尼龙，有限元模型中的1d单元使用mat_b01-seatbelt安全带材料卡片，用于模拟安全带与锚点的固定，2d单元使用mat_034-fabric织物材料卡片，用于模拟安全带与乘员假人间的相互作用。
[0044]
进一步的，所述乘员假人模型，为hybridⅲ型50th百分位男性的精细仿真假人，该型号假人主要部件包括头颈部、上躯干、骨盆、下躯干，其经过与物理假人的对标，各部位的物理特征均与对应物理假人基本一致，且体内安装的各类传感器可输出股骨、胫骨及腰椎压缩载荷、头部加速度数据，具有良好的仿生性。
[0045]
进一步的，所述机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型，设置各部件之间的接触定义，主要包括：机身框与刚性冲击平面的接触、机身框的自接触、座椅系统与假人的接触、约束系统与假人的接触，座椅系统内部其他各部件之间的接触。
[0046]
进一步的，所述机身框段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型，通过进行坠撞仿真分析，对比机身结构变形模式、乘员假人的运动姿态、乘员假人头部及腰椎承受载荷进行模型
修正，进行不同坠撞姿态、不同坠撞速度、不同坠撞环境、不同货物装载等工况下的坠撞仿真，实现对机身结构坠撞响应和乘员伤害的全面分析及评估。
[0047]
进一步的，所述坠撞实验实施流程如：试验选取的理论垂直坠撞速度为20fps(6.10m/s)，试验件采取三点对称垂直悬吊，通过铅垂线和测力平台上的标示点保证试验件对准测力平台的中心区域，在确认提升高度和机身姿态角无误后通过自由落体的方式，使试验件触的瞬间速度达到预期速度的
±
5％误差范围内，即5.80m/s至6.41m/s，根据公式其中v为预期触的速度6.10m/s，重力加速度g取9.81m/s，试验件应提升至1898mm的高度处后释放，试验过程主要分为试验前准备、正式试验、试验后检查三大部分：试验前准备部分包括试验件检查、假人及各传感器的安装、试验件称重及重量配平、系统联合调试；正式试验主要是提升试验件、确认投放前的机身姿态、移除保护装置后释放试验件、保存试验数据及图像；试验后检查测量数据、高速摄像图像记录的完整有效。
[0048]
进一步的，所述坠撞试验数据的采集，包括座椅导轨加速度数据采集、机身速度及位移数据采集、假人各部位响应数据，所述座椅导轨加速度通过在客舱地板导轨处及两套座椅的椅腿连接处分别布置12个加速度传感器，其中客舱地板纵梁从左至右依次编号为l1至l8，同时在两套座椅的各椅腿与导轨的连接处分别布置了加速度传感器，并预留足够长度的导线，以测量导轨在座椅椅腿处的加速度载荷；所述机身速度及位移数据采集通过在上部连接桁架、客舱地板横梁、客舱支撑立柱、货舱横梁处分别布置了mark标记点，机身框段布置共计35个mark标记点，依次编号为m1至m35，通过在试验平台周围布置高速摄像机，即可得到各mark标记点在坠撞过程中的运动轨迹，其次，通过tema3d软件进行数据分析与处理，即可得到机身框段各关键位置的垂直速度及位移的时间历程数据；所述假人各部位响应数据采集，试验通过在4个假人的头部及膝部各布置了1个mark标记点，依次编号为m36至m47，再通过高速摄像机及tema3d软件的数据分析与处理，可得到各假人头部及膝部的垂直速度及位移的时间历程数据，其次，通过p1和p4假人内部自带的腰椎载荷传感器以及骨盆加速度传感器，即可得到两假人的腰椎载荷及骨盆加速度的时间历程数据。
[0049]
进一步的，本发明伤害判据实验数值通过对航空假人在冲击试验下测量得到，即使用航空假人进行冲击试验乘员伤害的测量，hic值评估乘员头部伤害，乘员伤害评估判据参照相关规章/标准，如far25.562、fmvss208、ac21-22、tso-c127b、ac25.562-1b。
[0050]
进一步的，所述综合伤害的评估方法为：所述乘员伤害风险定量评估指标包括：
[0051]
乘员腰椎压缩载荷：fl≤6,672n；
[0052]
乘员左右股骨压缩载荷：ff≤10,008n；
[0053]
乘员头部伤害判据：hic≤1,000；
[0054]
乘员颈部伤害判据：nij≤1；
[0055]
此外，本发明参照综合适坠性评估指数(ici)的概念，对于乘员伤害风险进行综合评估，其评估公式为：
[0056][0057]
其中，座椅始终与座椅导轨保持连接，则attach＝1，否则attach＝0；座椅变形不影响乘员的应急撤离，则seat＝1，否则seat＝0；安全带保持约束于乘员骨盆处，则restraint＝1，否则restraint＝0。
[0058]
实验例
[0059]
本实验例基于经验证的机身段-座椅-乘员坠撞分析有限元模型，评估不同坠撞工况下乘员动态响应及伤害分析，所述不同坠撞工况包括不同坠撞姿势、不同坠撞速度、不同坠撞环境，本发明仅以不同坠撞姿态为例，分别选取左滚转角与右滚转角3
°
、6
°
及9
°
，研究在6.01m/s的垂向冲击速度下不同俯仰角度对应的乘员动态响应及伤害程度。
[0060]
根据加速度传感器的数值，得到座椅导轨加速度峰值与转角关系折线图，得出：向右滚转的左侧导轨处过载整体高于右侧，各乘员腰椎载荷水平随着角度的增大均呈现先增后减的趋势，且在3
°
左右的滚转角下腰椎载荷最高；向下俯角坠撞下的乘员腰椎载荷水平整体高于向上仰角的坠撞工况，各乘员腰椎载荷水平均随角度增大呈现先增后减的趋势，且在3
°
/6
°
左右的俯仰角下腰椎载荷最高。
[0061]
综上，本发明分析评估方法能够评估民机框段坠撞响应及乘员伤害。
[0062]
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。