[发明专利]一种舰载机座椅背带约束系统的建模和仿真方法

说明书

本发明公开了一种舰载机座椅背带约束系统的建模和仿真方法，属于航空生物力学仿真领域；首先参照某型舰载机，利用三维造型软件和混合网格建立座椅的有限元模型；并根据标准姿势设置Hybrid3型假人模型的初始状态；采用混合安全带模式，拉紧机构到肩部采用多体模型，其余部分采用有限元模型；然后，将座椅、假人和背带模型组合为人椅背带系统模型，按实际舰载机中的姿态设置座椅椅背倾斜角，假设座椅与飞机之间为刚性连接，建立座椅与人以及人与背带之间的接触；最后根据实际舰载机阻拦着舰加速度，采用底板处的加速度曲线作为仿真分析的输入曲线施加在座椅底部，输入给计算模型进行仿真计算；可以评估背带系统约束效果和飞行员面临的安全风险。

技术领域

本发明属于航空生物力学仿真领域，具体是一种舰载机座椅背带约束系统的建模和仿真方法。

背景技术

舰载机在航母甲板上降落时滑跑的距离短，需要借助拦阻系统实现。在拦阻着舰过程中会产生较大的持续性载荷，影响飞行员的生理健康和操纵工效。虽然，现役舰载机座舱内配备的座椅背带约束系统有助于减弱拦阻载荷给飞行员生理健康和操纵工效带来的不利影响，但在实际使用过程中的防护效果不甚理想，需要继续得到系统研究。

目前，通过开展大量的地面载人弹射实验、地面载动物弹射实验和飞行实验来研究舰载机座椅背带约束防护效果和人体可能的损伤情况，这样做需要耗费大量的人力物力。

飞行员座椅背带约束系统是一种四点式安全带，这种安全带比汽车领域常见的两点式、三点式安全带具有更复杂的结构和更平缓的约束特征，能更好的保护头部、胸部和脊柱。在汽车领域，多采用专业汽车安全软件Madymo进行多刚体建模和仿真，或者是采用LS-DYNA软件进行有限元建模和仿真。但是相比汽车安全带领域，关于舰载机飞行员座椅背带约束系统在原始数据获取、系统结构和工作原理上都更加复杂，汽车领域的研究方法，都不能直接应用到舰载机上关于飞行员背带约束系统的建模与仿真中，需要效率和精度更高的更有效的建模和仿真方法，以实现飞行员在典型航空飞行过程中的约束效果评价。

在航空领域，国内外鲜有舰载机背带约束系统建模与仿真方面的研究，一些相关研究多集中头颈部响应、操作影响和追撞环境的影响方面。

例如文献1：鲁廷,王亚伟,柳松杨等.拦阻着舰过程中飞行员头颈部的动力学响应[J].医用生物力学,2012,27(6):10-16；采用ADAMS软件建立包括头部、7个颈椎和2个胸椎共10个刚体的人体头颈部的多体动力学模型，并分析了航母舰载机拦阻着舰过程中飞行员在佩戴和不佩戴头盔时的头颈部动力学响应以及主要肌肉应变量，但是没有考虑背带约束系统可能的影响。

文献2：都承斐,王丽珍,柳松杨等.机动飞行过载时操纵杆位置对飞行员操控影响的生物力学研究[J].航天医学与医学工程,2014,(4):286-288；采用Hypermesh软件建立了完整的人－椅系统有限元模型，该模型包括多体动力学假人、弹射座椅、约束系统以及惯性锁强制机构，对模型施加不同方向的加速度载荷，从生物力学的角度对比研究不同位置的操纵杆以及不同大小的椅背角对飞行员操控工效的影响。该方法对刚性人体，但是网格数量过多，计算效率很低，也没有考虑舰载机输入载荷的问题。

文献3：李梦晓，向锦武，任毅如等.航空座椅适坠性评估与分析方法[J].北京航空航天大学学报，2016，42(2):383-390；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，先建立了座椅的有限元模型，并将有限元模型和50分位HybridⅢ型多刚体假人模型耦合，综合使用非线性有限元软件LS-DYNA和多刚体动力学软Madymo开展了联合仿真，但是安全带采用了多刚体模型，无法准确考虑其对人体的约束和安全带的作用力。

所以，对于舰载机弹射起飞、拦阻着舰和机动飞行等特殊应用场景，有必要发展一种有针对性的背带约束系统的建模和仿真方法，能更有效的分析和评估舰载机特性飞行条件下的潜在损伤。

发明内容