民机座椅扶手在垂直冲击中对乘员腰椎载荷影响研究

摘要：在座椅的适航试验中，因为座椅的坐宽尺寸限制，乘员手臂在冲击过程中不可避免地会与座椅扶手接触，影响试验测试的腰椎载荷。对民机座椅扶手对乘员在垂向14G冲击中腰椎的影响进行研究，通过民机座椅有、无扶手对比试验，研究乘员腰椎力变化。根据试验状态，建立可信的仿真模型，通过改变乘员手臂与扶手之间的相对位置，研究手臂位置变化对乘员腰椎的影响，给出民机座椅扶手对乘员腰椎载荷的影响规律，为民机座椅乘员腰椎防护提供数据支持。

关键词：民机座椅扶手垂直冲击腰椎载荷

AStudyontheInfluenceofCivilAircraftSeatArmrestsonPassengerLumbarLoadinVerticalImpact

LILeizi

（HubeiAerospaceJiataiAircraftEquipmentCo.，Ltd.，Xiangyang， HubeiProvince，441003China）

Abstract：Fortheaircraftseat，theseatarmrestscancontactthearmandpreventthebodyfrommovingdownwardsintheverticalemmencyimpact，sothelumbarloadsofpassengerswillbeaffected.Inthispaper，theinfluenceofarmrestonpassengerslumbarloadshadbeenstudiedinthevertical14Gimpact.Basedonthedynamictestresults，asimulationmodelwasestablishedandcalibrated.Bychangingtherelativepositionbetweenthepassenger'sarmandarmrest，theinfluenceofthearmpositionchangeonthepassenger'slumbarloadswasstudied，andtheinfluencelawofthepassenger'slumbarloadwasalsogiventoprovidedatasupportforthelumbarprotectionofpassenger'sseat.

KeyWords：Aircraftseat;Armrest;Verticalimpact;Lumbarload

在适航规章AC562.1B中第10章节中，对民机座椅垂向14G试验中乘员手臂与座椅扶手摆放位置进行了规定，以减少扶手对乘员腰椎载荷的采集影响，更真实地考核座椅对乘员腰椎的防护[1]。在座椅的适航试验中，因为座椅的坐宽尺寸限制，乘员手臂在冲击过程中不可避免会与座椅扶手接触，影响试验测试的腰椎载荷，因此，需要对冲击过程中乘员手臂与扶手相对位置对乘员腰椎载荷的影响进行研究。

1研究思路

本文针对该问题进行研究。首先，通过座椅有扶手和无扶手垂直冲击试验对比，考核扶手对腰椎的影响。根据试验工况，建立仿真分析模型，将试验结果与仿真结果进行对比分析，确定动态模型的可信性。模型经标定后，对乘员手臂与扶手相对位置进行变参分析，研究手臂不同摆放角度下对乘员腰椎力大小的影响[2]，如图1所示。

2有无扶手垂直冲击对比试验

根据适航规章的规定，选取某型经济舱座椅为对象，在单个乘员乘坐状态下，开展两发14G垂向动态冲击试验。试验1为座椅扶手正常状态，试验2为无扶手状态（通过扶手抬起模拟），试验冲击波形如图2所示。

将试验获取的乘员最大腰椎载荷进行对比，试验1和试验2的腰椎载荷对比如图3所示。无扶手状态下，乘员最大腰椎载荷为6464N；有扶手情况下，乘员腰椎载荷最大值为7840N，扶手抬起后，其腰椎载荷增加21.28%。

3座椅有限元模型

在建模工作中，应遵循力学等效和质量等效原则，同时要兼顾计算精度、计算速度和经济性。在座椅系统有限元模型的建立过程中，需要采用六面体单元、壳单元和梁单元[3]。在座椅有限元模型中，座椅支板、椅腿、转盘、座椅垫使用六面体单元模拟，座椅椅管、滑竿、靠背板等薄壁结构使用壳单元模拟。使用公共节点法来模拟各部件之间的焊接、铆接和螺栓连接。使用LS-DYNA网格前处理软件进行座椅各部件的有限元建模，建立座椅的有限元网格模型（包括腰部和肩部安全带、防撞垫和隔板）。假人有限元模型为LSTC.H3_50TH假人。最终建立整体模型，总网格110万，模型如图3所示。

4仿真计算及结果标定

4.1仿真计算结果

模型建立后，根据试验工况的冲击波形条件，利用LS-DYNA软件对模型进行计算[4]。计算完成后，获得乘员腰椎三向加速度。按照SAEJ211碰撞仪器要求的腰椎力加速度，按照通道级1000的要求，进行滤波处理，获得乘员腰椎力加速度曲线与试验结果对比，如图4所示。

4.2模型精度评价

根据ARP5765中附录中误差分析方法，对合成加速度两条曲线进行误差分析。根据AC20-146A《23、25、27、29部飞机和旋翼航空器的动态座椅合格审定的分析方法》中仿真模型评定方法[5]，幅值精度为0.9175，相位精度为0.9329，综合精度为0.8937，模型精度满足要求。

5假人手臂位置变化

5.1假人手臂与扶手相对位置定义

本文以手臂向两侧伸直状态位置为90°，手臂与躯干平行时为0°，定义座椅试验状态手臂与扶手相对位置[6]，如图5所示。分别选取乘员手臂与躯干的角度为15°（工况1）、10°（工况2）和5°（工况3）工况进行仿真分析，如图6所示，不同手臂位置变参工况模型如图7所示。

5.2手臂与扶手相对位置变参结果

对建立的三个工况模型分别进行计算，获得乘员手臂与座椅扶手三个位置下腰椎载荷和腰椎载荷随乘员手臂与扶手角度的关系，如图8～9所示。

6结语

根据以上分析，可以得到以下结论。（1）从有、无扶手的对比试验可以看出，因为扶手的存在，冲击过程中，_{K+xzzJtgz1ynuBwK9lZtYw==}乘员手臂会与扶手接触，将会降低乘员垂向载荷，进而降低乘员腰椎，降低21.28%。（2）相同条件下，乘员手臂摆放姿态会影响腰椎载荷，冲击过程中，手臂与扶手的可能的接触区域越小，腰椎载荷越大。（3）手臂角度5°时，腰椎为7795N；手臂角度10°时，腰椎为6762N，已经超过了人体耐受极限的6667N；在15°姿态下，乘员腰椎5431N，低于耐受极限。（4）垂直冲击的乘员腰椎载荷与手臂角度近似满足Y=19.76X2-546.8X+10264的回归方程关系。

参考文献

1. 薛凯勋.四座电动飞机座椅可靠性技术研究[D].沈阳：沈阳航空航天大学，2022.
2. 林策，李磊子，李庆锋.基于乘员腰椎损伤指标的座椅垂直冲击波形包线研究[J].机械强度，2024，46（1）：77-86.
3. 王昱，苏长青，薛凯勋，等.电动飞机座椅的可靠性分析及优化[J].新能源航空，2023，1（2）：42-49.
4. 薛凯勋，苏长青，赵锐，等.基于有限元仿真的电动飞机座椅的适航分析[J].新型工业化，2022，12（3）：79-81.
5. 肖杨.面向腰椎载荷与体压分布的坐姿人体有限元建模[D].重庆：重庆大学，2022.
6. 石霄鹏，钟欣言，牟浩蕾，等.垂向冲击下的民机乘员腰椎载荷研究[J].航空学报，2024，45（8）：192-209.