Computer Engineering and Applications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用2013,49(7)221彈射通道動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)薛紅軍,劉瀟XUE Hongjun,LIUⅹiao西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院,西安710072School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xian 710072, ChinaXUE Hongjun, LIU Xiao. Design of ejection exit based on dynamics simulation Computer Engineering and Applications,2013,49(7):221-24Abstract: Traditionally design of ejection exit is always based on ground ejection experiment, which is costly and hard to controlIn contrast, dynamics simulation obviously has advantages such as inexpensiveness, no risks and short design period. Amulti-body dynamics model for pilot-ejection seat system is developed using the software LifeMOD. The movements of dummyslimbs during the ejection phase are simulated on three different conditions. The trajectory of tip s movement of dummy s limbs formsdesign envelope curve. From this curve, the minimum dimension of the ejection exit, which is satisfied with safety demand, isestablished. The conclusion of simulation and analysis may help to determine the dimension of ejection exit in aircraft designKey words: ejection exit; pilot-ejection seat system; multi-body dynamics; LifeMOD摘要:傳統(tǒng)的彈射通道設(shè)計(jì)手段局限于地面彈射實(shí)驗(yàn),成本髙,難控制;而動(dòng)力學(xué)仿真與之相比具有成本低,零風(fēng)險(xiǎn),設(shè)計(jì)周期短等明顯優(yōu)點(diǎn)。以多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件 LifeMOD為平臺(tái),建立了人椅系統(tǒng)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型,仿真分析了彈射出艙階段三種不同工況下人體模型肢體的運(yùn)動(dòng)軌跡;以各點(diǎn)軌跡形成的包絡(luò)面為邊界,獲得了滿足安全要求的最小彈射通道尺寸,可以為彈射通道設(shè)計(jì)提供必要的指導(dǎo)關(guān)鍵詞:彈射通道;人椅系統(tǒng);多剛體動(dòng)力學(xué); LifeMOD軟件文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A中圖分類號(hào):TP391.9doi:10.3778jiss.1002-8331.1108-04661引言成本低,速度快,周期短,易于控制,很適合用于求解這軍機(jī)彈射通道是指乘員和座椅應(yīng)急離機(jī)時(shí)所通過的問題。本文建立了人椅系統(tǒng)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型,模擬彈飛機(jī)座艙空間。彈射通道的縱向及橫向尺寸必須保證乘射過程中人椅離機(jī)階段的運(yùn)動(dòng)情況,得到淸足安全要求的員和座椅無障礙地安全彈離座艙。當(dāng)飛機(jī)遇到險(xiǎn)情而無最小彈射通道尺寸。法挽回時(shí),飛行員將按照彈射程序拉動(dòng)彈射手柄,彈射筒點(diǎn)火,使座椅沿導(dǎo)軌加速上升到離機(jī)高度,彈射火箭開始2人椅系統(tǒng)建模工作,產(chǎn)生推力使人椅繼續(xù)上升,之后人椅分離,降落傘打以多剛體動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ),建立人椅系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模開,使飛行員安全著陸。在彈射離機(jī)過程中,駕駛艙儀表型。對(duì)整個(gè)模型的運(yùn)動(dòng)計(jì)算分兩步進(jìn)行,先將人椅系統(tǒng)視板駕駛桿、座艙蓋以及某些機(jī)構(gòu)均可成為彈射通道的障為單個(gè)剛體,計(jì)算整體的運(yùn)動(dòng)情況:然后在此基礎(chǔ)上計(jì)算礙物,座艙蓋可通過拋蓋或穿蓋彈射予以清除,儀表板、駕駛桿及其他機(jī)構(gòu)則應(yīng)通過良好的設(shè)計(jì)避免對(duì)彈射產(chǎn)生干人體模型的肢體運(yùn)動(dòng)擾。彈射通道過于狹小自然安全性大打折扣,但飛機(jī)駕駛2.1參考系的建立艙空間有限,精確確定符合安全要求的彈射通道尺寸意義駕駛艙固定坐標(biāo)系Oxyz:以駕駛艙設(shè)計(jì)眼位點(diǎn)為坐標(biāo)重大。目前關(guān)于彈射系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析與評(píng)估多通過地面彈原點(diǎn),與飛機(jī)固連。Oy軸垂直于地面,向上為正;Oz軸與射實(shí)驗(yàn)進(jìn)行,如火箭滑車實(shí)驗(yàn),設(shè)備昂貴,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且Oy軸相互垂直,指向前;Ox軸垂直于Oyz平面,向左為正假人肢體的詳細(xì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)難以捕捉。而計(jì)算機(jī)仿真方法人椅系統(tǒng)坐標(biāo)系 O.,:原點(diǎn)選擇在座椅參考基金項(xiàng)目:國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)(No,2010CB734101)。作者簡介:薛紅軍(1966-),男,博士學(xué)位,副教授,主要研究領(lǐng)域?yàn)槿藱C(jī)工效,飛行器環(huán)境控制與安全救生;劉瀟(1987—),男,碩士研究生E-mail:lizardliu(a126.com中國煤化工收稿日期:2011-08-31修回日期:2011-10-25文章編號(hào):1002-8331(2013)07-0221-04CNMHGCNKI出版日期:2011-12-09htp://ww. cnki. net/kcms/ detail/l.2127TP201112090959.0072222013,49(7)Computer Engineering and Applications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用點(diǎn)。Onxn軸平行于O軸;Onym與彈射軸線平行且指向的多剛體動(dòng)力學(xué)人體模型是 Hanavan的15剛體模型。這頭部;Onzn與 O,xm)平面垂直且指向前方。里將人體劃分為頭,頸,上、中、下軀干,左、右肩,左、右上{坐標(biāo)系O,x列,1:固連于多剛體人體模型的各段剛臂,左、右前臂,左、右手,左、右大腿,左、右小腿,和左、右體上,原點(diǎn)在與父節(jié)點(diǎn)相連接的關(guān)節(jié)處,0z軸沿該段剛體腳共19段剛體,如圖2。連接各段剛體的關(guān)節(jié)簡化為運(yùn)動(dòng)軸線指向外側(cè)副。下軀干作為人體模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn),確定整個(gè)人2.2人椅彈射出艙運(yùn)動(dòng)模型體在駕駛艙坐標(biāo)系中的位置?，F(xiàn)代彈射座椅一般釆用兩級(jí)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。第一級(jí)動(dòng)力由彈射筒提供,飛行員啟動(dòng)彈射手柄后,彈射筒點(diǎn)火,使彈射座椅沿導(dǎo)軌上升,直到內(nèi)外筒分離,人椅上升到離機(jī)高度。此時(shí)第二級(jí)動(dòng)力彈射火箭點(diǎn)火,繼續(xù)將人椅推升到安全高度。本文研究人椅系統(tǒng)出艙階段相對(duì)于飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況,從啟動(dòng)彈射開始,到人椅系統(tǒng)離機(jī)為止。由于整個(gè)彈射離機(jī)過程僅持續(xù)0.18s,且人椅系統(tǒng)相對(duì)于飛機(jī)而言質(zhì)量很小,可不考慮彈射過程對(duì)飛機(jī)飛行狀態(tài)的影響。在此階段,彈射座椅受到彈射筒推力、氣動(dòng)力、重力和導(dǎo)軌支撐力作用,垂直于導(dǎo)軌方向被約束。一般而言,在人椅系圖2人椅系統(tǒng)模型及坐標(biāo)系圖統(tǒng)離機(jī)前,只沿導(dǎo)向裝置作直線運(yùn)動(dòng),而沒有轉(zhuǎn)動(dòng)。利用彈射筒的內(nèi)彈道計(jì)算可以確定彈射筒的推力。假定人椅232關(guān)節(jié)剛度模型關(guān)節(jié)用來連接相鄰兩段剛體,肌肉、韌帶、肌腱等軟組織系統(tǒng)出艙時(shí)受到的氣動(dòng)力隨彈射行程由零線性變化到完全暴露在氣流中的狀況。人椅系統(tǒng)完全暴露在氣流中時(shí)對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的約束可簡化為關(guān)節(jié)剛度作用于人體。這里用受到的氣動(dòng)阻力Q和升力P,可按式(1)、(2)計(jì)算HybridⅢ關(guān)節(jié)力矩曲線模型模擬關(guān)節(jié)剛度,如圖3所示。這一曲線由 Armstrong宇航醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室和 Wright Patterson(1)空軍基地對(duì) HybridⅢ碰撞假人的關(guān)節(jié)剛度阻尼和摩擦" CA(2)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測獲得。它表示對(duì)某一特定關(guān)節(jié)的特定自由式中,為人椅系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度,為空氣密度,A,為人度在正常操作范圍內(nèi)關(guān)節(jié)具有較小的剛度。曲線兩端斜率突然變大表示關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角一旦超過生理極限,關(guān)節(jié)剛度會(huì)系統(tǒng)的正面投影面積,C為人椅系統(tǒng)的氣動(dòng)阻力系數(shù),C,變得很大,從而產(chǎn)生很大的關(guān)節(jié)力矩,阻止關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)。為人椅系統(tǒng)的升力系數(shù)。氣動(dòng)阻力系數(shù)Cx和升力系數(shù)C與人椅系統(tǒng)的幾何外形、雷諾數(shù)、相對(duì)氣流的位置等因素關(guān)節(jié)力矩有關(guān),C,和C.與迎角的關(guān)系如圖16+B下極限上極陽→關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角圖3 HybridⅢ關(guān)節(jié)力矩曲線圖233動(dòng)力學(xué)方程圖1人椅系統(tǒng)氣動(dòng)力系數(shù)隨迎角變化曲線圖采用拉格朗日方程法建立人體模型的動(dòng)力學(xué)方程。人椅坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型如下拉格朗日函數(shù)L定義為系統(tǒng)的動(dòng)能Ek和勢能E之差F+P+O+N=MIdv m /dt, dv, m /dt, dvm /drL=Er-Ep式中,F為彈射筒推力,N為導(dǎo)軌支撐力,ν為人椅系統(tǒng)速式中,EA、E,分別是用廣義坐標(biāo)表示的系統(tǒng)動(dòng)能和勢能。度,M為人椅系統(tǒng)的質(zhì)量對(duì)于廣義坐標(biāo)q∈R,拉格朗日函數(shù)為L的系統(tǒng),其運(yùn)23人體多剛體動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)方程為23.1模型結(jié)構(gòu)Q=4}-,=1,2…,n人體多剛體動(dòng)力學(xué)方法,是根據(jù)解剖學(xué)原理,將人體分為若干個(gè)獨(dú)立的剛體,每個(gè)剛體具有質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)式中,q是系統(tǒng)的慣量等物理特性,相鄰剛體之間通過鉸接連接在一起,將第i個(gè)廣義坐標(biāo)上EYE中國煤化工是作用在人體簡化為具有有限個(gè)自由度的多剛體系統(tǒng)。最為著名統(tǒng)的自由度數(shù)目。CNMHG多剛體系薛紅軍,劉瀟:彈射通道動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)2013,49(7)223系統(tǒng)的動(dòng)能為仿真三種工況下的彈射出艙過程OT. aT∑E=∑(1)彈射座椅采用腳卡裝置固定飛行員雙腿,飛行員H4i 4k拉動(dòng)彈射手柄前將雙腿收回,彈射啟動(dòng)后雙腿被鎖住。ly>stroH(2)彈射座椅采用腳卡裝置固定飛行員雙腿,彈射啟qk動(dòng)前飛行員并未收回雙腿。例如串列雙座型殲擊機(jī)上式中,T表示坐標(biāo)系Oxy2相對(duì)于慣性坐標(biāo)系Oz名飛行員仍處于駕駛姿勢,而另一名飛行員觸發(fā)了彈射的齊次線性變換關(guān)系;t為方陣跡的運(yùn)算符號(hào);H為齊次開關(guān)坐標(biāo)系表示的慣性矩陣。3)彈射座椅采用限腿帶固定飛行員雙腿,飛行時(shí)限系統(tǒng)的勢能為腿帶并不影響飛行員操縱。飛行員拉動(dòng)彈射手柄后,雙腿m,g Tp(7)被限腿帶強(qiáng)迫靠至椅盆前緣。在仿真過程中,跟蹤人椅模型關(guān)鍵邊界點(diǎn)如腳尖、膝式中,m為第i段剛體的質(zhì)量,p為該段剛體質(zhì)心相對(duì)于蓋、雙手、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié),座椅參考點(diǎn)等處的位置變化。}坐標(biāo)系的矢徑。仿真過程人體模型姿態(tài)變化過程,如圖5所示將式(4)、式(5)、式(6)、式(7)聯(lián)立,可得系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程工況1工況2工況32.4座椅約束系統(tǒng)建模Os座椅對(duì)人體模型的約束包括兩部分:約東系統(tǒng)(肩帶和腰帶)的拉力和人體與頭靠、背靠、坐墊之間的接觸力。彈射過載通過這兩種接觸從彈射座椅傳遞到人體模型上并使人體模型產(chǎn)生響應(yīng)。約束系統(tǒng)的約束力函數(shù)為F=step(l1,l00,1,-(1-l0))(8)式中,1、l0、1分別為約束帶的實(shí)時(shí)長度、初始長度和最大長度;μ為約束帶的彈性系數(shù)。接觸力函數(shù)為Fn=kxg+step(g, 0,0, dmay,c(9)dt式中,k為人椅接觸剛度,g為穿透深度,dx為最大穿透深度,cm為最大阻尼系數(shù)圖5仿真過程人體姿態(tài)變化過程圖3人椅系統(tǒng)彈射出艙仿真人體模型和彈射座椅模型的建立在動(dòng)力學(xué)仿真軟件4結(jié)果亐分析Lifemod中完成。彈射座椅模型根據(jù)GJB殲擊機(jī)座椅基本通過仿真計(jì)算,記錄了人椅系統(tǒng)各關(guān)鍵點(diǎn)如手、肘關(guān)幾何尺寸建立。人體模型測量數(shù)據(jù)來源于GJB-4856-2003節(jié)、肩關(guān)節(jié)、腳尖、膝關(guān)節(jié)、座椅參考點(diǎn)等的運(yùn)動(dòng)軌跡。這中國男性飛行員人體尺寸。根據(jù)應(yīng)用人體尺寸數(shù)據(jù)的基些點(diǎn)形成的包絡(luò)面構(gòu)成了滿足最小安全要求的彈射通本原理,當(dāng)身體尺寸在界限值以外的人使用會(huì)危害其健康道。通常情況下,彈射通道在y平面的尺寸更受關(guān)注。三或增加事故危險(xiǎn)時(shí),應(yīng)以第99百分位數(shù)值為依據(jù)。因此建立第99百分位飛行員的人體模型用于仿真。使用文獻(xiàn)[7]種工況下各點(diǎn)軌跡在yz平面上的投影,如圖6-8所示。中的彈射筒過載曲線作為彈射筒推力輸入數(shù)據(jù)(如圖4)并作適當(dāng)修改,過載峰值18.5g,工作時(shí)間0.18s,彈射角13°,馬赫數(shù)0.6,人椅系統(tǒng)正面投影面積0.7m2。0.050.10中國煤化工CNMHG圖4彈射筒過載曲線圖圖6工I品yIⅢ]I2242013,49(7)Computer Engineering and Applications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用l000-1400圖7工況(2)各點(diǎn)軌跡y平面投影圖圖8工況(3)各點(diǎn)軌跡y平面投影圖當(dāng)飛機(jī)安裝使用腳卡器的彈射座椅,飛行員在啟動(dòng)彈5結(jié)論射手柄前需要主動(dòng)收回雙腿,增加了彈射前的準(zhǔn)備時(shí)間本文建立了軍機(jī)彈射座椅人椅系統(tǒng)的多剛體動(dòng)力學(xué)而出艙所需的凈空空間尺寸最小,整個(gè)空間呈直筒狀,寬模型,通過仿真彈射出艙階段人椅系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)情況,分析度為620mm。但若特殊情況下飛行員未能成功收回雙腿,在彈射過程的前段,雙腿會(huì)在過載作用下緩慢靠近座椅前了該系統(tǒng)各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,以此為依據(jù)獲得了滿足安全要緣形成一段平緩的弧形軌跡,使所需空間前緣下半段向求的最小彈射通道尺寸。前偏折并延伸至腳蹬處,偏折段與水平面的夾角約為55現(xiàn)有模型經(jīng)過進(jìn)一步完善,還可以擴(kuò)大其仿真應(yīng)用范當(dāng)飛機(jī)安裝使用束腿帶的彈射座椅,飛行員無需主動(dòng)圍,如對(duì)飛行員肢體受氣流吹襲、甩打、脊柱受力等情況進(jìn)收回雙腿,啟動(dòng)彈射手柄后,在座椅上升的同時(shí),雙腿被束行仿真分析腿帶快速拉冋彈射座椅前緣,雙腿形成的弧形軌跡變短,使得所需凈空空間下半段偏折部分的比例降低了約50%,參考文獻(xiàn):偏折段與水平面夾角減小至約38°根據(jù)仿真結(jié)果合理的彈射通道尺寸如圖9所示。若]飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì)飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第15冊(cè):生命保障和環(huán)飛機(jī)裝備的彈射座椅采用腳卡器作為下肢約束裝置,考慮控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]北京:航空工業(yè)出版社,1999:393-469到實(shí)際彈射過程可能出現(xiàn)的險(xiǎn)情,彈射通道設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)以[2] Perry C E Vertical impact tests of a proposed B-52 ejection飛行員雙腿未事先收回為準(zhǔn),彈射通道上半段為直筒狀,seat cushion, AFRL-RH-WP-TR-2010-0011[R]. Wright-Patterson寬度應(yīng)大于620mm;下半段前緣向前偏折至腳蹬處,與水AFB OH. 2007平面的夾角應(yīng)大于55,如圖中虛線所示。若飛機(jī)裝備的3]趙楊春信,韓海鷹,等彈射救生過程數(shù)值計(jì)算及損傷風(fēng)彈射座椅采用東腿帶作為下肢約束裝置,則彈射通道上半險(xiǎn)評(píng)估門空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),2006,24(3):314-318段仍為寬度大于620mm的直筒狀空間,下半段前緣向前[4] Hanavan E PA mathematical model of the human body偏折并延伸至腳蹬處,偏折段與水平面的夾角應(yīng)大于3AD608463[R].1964如圖中實(shí)線所示。[5]畢紅哲,莊達(dá)民航空人機(jī)工程計(jì)算機(jī)仿真M北京:電子工業(yè)彈射通道出版社,2010:184-19[6]袁修干,莊達(dá)民人機(jī)工程M]北京:北京航空航天大學(xué)出版社座艙蓋「η]聶聰,張科,李通飛機(jī)彈射救生系統(tǒng)內(nèi)彈道數(shù)值仿真研究航空計(jì)算技術(shù),2011,41(2):36-39[8] Obergefell L, Rizer A, Ma D Military application of body座椅參考點(diǎn)namics models[R].Ohio, 1998[9]張春林,蘇永安跳傘救生學(xué)[M]北京:中國人民解放軍空軍司圖9彈射通道尺寸示意圖令部,1999:24-26中國煤化工CNMHG