基于负刚度结构的直升机座椅特性研究

王贺强 张树桢

（中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001）

0 引言

高水平的直升机振动会对机体产生破坏、降低疲劳寿命及设备可靠性，也会从地板传导给座椅，从而对机上机组及乘客造成严重的不适。直升机激振力主要来自旋翼、尾桨、发动机及传动系统等。据研究，0.5 ～80Hz 的振动是造成机组脊柱及颈部疼痛的主要原因[1-2]，因此，降低振动体感水平对提升飞行员的舒适程度和完成任务的能力有重要意义。

降低全机振动水平较为困难，控制从地板传导到座椅的振动水平是一个比较有效且容易的手段。一般来说，座椅悬挂系统的振动控制主要有被动、主动和半主动控制。比起振动主动控制方法，被动控制不需要能量输入及实时反馈系统，结构简单，因此振动被动控制及隔振得到了广泛的研究及应用。传统线性被动隔振系统对大于隔振系统固有频率倍的外界振动才有比较有效的减振作用，但对低于此频率的振动，尤其是接近系统固有频率的振动甚至还有放大作用，传统隔振系统只能对高频振动提供较好的隔振效果。因此超低频的非线性隔振系统已成为研究的热点。本文研究由负刚度结构与正刚度弹簧连杆结构并联的座椅悬挂系统，其中负刚度结构主要调节系统刚度，正刚度承载载荷，使得悬挂系统既具有很低的运动刚度，对低频振动具有较好的隔振效果，也能承载较大的载荷，不至于在承载时出现较大的位移[3]。

1 非线性座椅悬挂设计

本文研究的座椅的非线性悬挂如图1 所示。座椅悬架由安装在座椅中部的垂直弹簧、阻尼器及4 个对称连杆弹簧负刚度机构组成，其中负刚度机构由水平弹簧与连杆铰接组成。垂直弹簧主要用来支撑座椅及人员，负刚度结构用来在运动时平衡垂直弹簧刚度使得系统总刚度接近于0。设垂直杆的长度为L0，斜杆的长度为L1，均为无质量杆。垂直弹簧和水平弹簧的刚度分别为K0和K1，原长分别为LS0和LS1，水平弹簧及铰接的斜杆在水平方向的投影长度为定值L，座椅离水平弹簧轴线的高度为h。

图1 座椅非线性悬挂模型正视图

当座椅偏移水平弹簧轴线h时，设弹簧隔振系统给座椅的力为F，垂直弹簧和水平弹簧分别压缩到L'S0和L'S1，则：

隔振系统刚度为-F(h)对h的导数，则隔振系统的总刚度为：

可以通过调节参数α、β1、β2等来改变系统的相关动力学特性参数。

图2 为系统刚度特性曲线图。由曲线可以看出，在= 0处系统刚度为0，且可以得到在平衡位置附近小于竖直弹簧的刚度。在平衡位置附近，水平弹簧对悬挂系统竖直方向的承载能力不会造成影响。因此，该系统具有很低的运动刚度，也能承载较大的载荷。

图2 系统刚度特性曲线

2 座椅悬挂系统参数优化

选择合适的参数使得座椅在承载时位移不太大，又具有较小的动刚度，使得座椅能隔离更低频的振动。于是问题可以转化为有约束条件下的函数最小值优化问题。选取悬挂刚度为优化目标函数，限制其余参数的范围得到最优的α、β1、β2的值。

当悬挂系统受到直升机地板的作用时，座椅将在垂直方向偏离平衡位置h，当位移较小时，将式在h=0 处进行泰勒展开，得到：

约束条件为：

变量的范围为0≤α≤ 1、0.6≤β1≤ 2、1≤β2≤ 2。

可以求解得到α=0.4983,、β1=1.1542,、β2=1.5751时目标函数取得最优解。

3 系统动力学模型

为研究座椅悬挂系统的隔振效果，建立包含悬挂系统、座椅、人体的模型，如图3 所示[4-6]。

图3 系统动力学模型

zi(i=1,2,3,4,c,s)分别表示各质量点的位移。人体及座椅的参数如表1 和表2 所示。系统的动力学方程为：

表1 人体及座椅系统动力学模型参数

表2 悬挂弹簧参数

式中，zf为地板相对于惯性坐标系的位移。

4 仿真分析

稳态下直升机地板的振动包含多个频率，根据ISO-2631 标准，高频率的振动对人体的伤害相对低频振动更小[7]，因此，本文只研究50Hz 以下的振动。某型直升机地板50Hz 以下的垂向振动参数如表3 所示，利用Runge-Kutta 4 阶算法仿真。

表3 直升机地板振动参数

根据表3 可以模拟地板的位移zf，从而计算出地板对座椅的激励。

分别计算线性悬挂（去掉负刚度结构）和非线性悬挂下人体及座椅的动态响应，并根据ISO-2631 计算各部位加速度的均方根RMS，结果如图4 和图5 所示。

图4 地板及座椅位移

图5 线性及非线性悬挂下各部位的加速度均方根

由图4 和图5 可以看出，非线性悬挂座椅的响应幅度小于线性座椅。相对于线性悬挂，非线性悬挂下座椅的RMS 降低了54.21%，腹部的RMS 降低了44.98%，内脏的RMS 降低了46.61%，胸部的RMS 降低了47.57%，头部的RMS 降低了48.38%。

5 结语

非线性悬挂系统的准零刚度只在一个较小的位移范围内成立，而在这个范围之外，它的变化非常大，会引起严重的非线性响应。如果能正确选择基于正负刚度并联的悬挂系统的设计参数，悬挂能显著减小从地板传递给机组的振动。仿真研究表明，如果正确选择悬挂系统的设计参数，可以减少传递给座椅和直升机机组的振动。与线性悬挂相比，非线性悬挂下座椅的RMS 降低了54.21%，腹部的RMS 降低了44.98%，内脏的RMS 降低了46.61%，胸部的RMS 降低了47.57%，头部的RMS 降低了48.38%。