兵器装备工程学报

飞机弹射座椅的随机振动响应仿真与试验对比分析

分类:编辑推荐 发布时间:2019-05-11 19:41 访问量:6221

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本文引用格式李雷,白雅洁,何新党,等.飞机弹射座椅的随机振动响应仿真与试验对比分析[J].兵器装备工程学报,2019,40(3):227-231.

Citation format:LI Lei, BAI Yajie, HE Xindang, et al.Random Response Simulation of Ejection Seat and Comparison with Test[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2019,40(3):227-231.


作者简介李雷(1986—),男,工程师,硕士,主要从事结构振动动力学研究,E-mail:lilei062544@126.com。

飞机弹射座椅的随机振动响应仿真与试验对比分析

李 雷1,白雅洁2,何新党2,王海云2

(1.中国飞行试验研究院, 西安 710089; 2.西北工业大学 力学与土木建筑学院,西安 710129)

摘要提出了飞机弹射座椅有限元计算的方法,建立了某型弹射座椅的振动计算模型,得到了振动载荷作用下的响应规律,计算结果可作为弹射座椅结构设计的依据。采用灰色关联分析方法,以椅背火箭为例,对椅载设备测点处仿真与试验结果的随机响应加速度均方根值和加速度功率谱密度曲线进行了对比分析。结果表明:椅载设备测点位置处的仿真结果与试验结果吻合较好。

关键词弹射座椅;随机响应;灰色关联分析;椅载设备


Random Response Simulation of Ejection Seat and Comparison with Test

LI Lei1, BAI Yajie2, HE Xindang2, WANG Haiyun2

(1.Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089, China; 2.School of Mechanics, Civil Engineering and Architecture, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China)

Abstract: This paper proposed a finite element method of aircraft ejection seat. And a certain type ejection seat model for vibration was built. The response of the seat and its equipment under the random vibration load were obtained, which could be used as the basis for the structure design of the ejection seat. Using the Grey relational analysis method and taking the back rocket as an example, the results of the simulation and test were compared. The compare results of acceleration root mean square value and power spectral density curve trend at the points of measurement were show that the simulation results all agree with the experimental results well. It proves that the proposed simulation method is effective and feasible.

Key words: ejection seat; random response; Grey relational analysis method; equipment loaded in ejection seat


飞机弹射座椅是在紧急情况下载飞行员弹离飞行器,使飞行员安全返回地面的装备[1]。飞行器在空中高速飞行时,机身会不可避免地产生复杂的随机振动激励[2]。由此引起弹射座椅相关的振动环境,可能造成弹射座椅及椅载设备损坏,在关键时刻影响飞行员的生命安全。因此,在弹射系统的设计过程中,必须充分考虑弹射座椅椅载设备在随机振动环境的动力响应。

飞机弹射座椅结构复杂,椅载设备多,随机动力响应仿真计算困难,缺乏成熟规范的方法。国内外目前大多采用振动试验进行弹射座椅随机振动分析,其缺点是费时费力,成本高昂[3];而采用振动仿真方法能够保证低成本、高效率获得弹射座椅响应[4],且具有较高的可靠度,因此需要对弹射座椅进行振动仿真。以往进行随机振动数值仿真模拟的对象大都模型零件较少,组成结构较简单,如Hanna[5]对汽车环抱死刹车系统中的电子控制元器件进行了随机振动仿真分析,用试验验证;Chan Kyu Choi[6]对旋转梁进行了随机振动分析;季享文[7]对飞机阻力伞锁随机振动载荷环境进行了研究;罗杨阳等[8]对空空导弹的吊挂进行了随机振动仿真,刘威等[9]对火箭发射装置炮口进行了振动响应分析等等,但从中形成的仿真方法未考虑复杂结构的模型处理。由于弹射座椅上装有众多实现弹射救生功能椅载设备,且连接形式多变,在数值仿真方面技术难度较大,缺乏相关研究。

本文以某型弹射座椅为研究对象,借助有限元分析软件对弹射座椅的振动响应仿真问题展开研究,结合有限元建模的基本原则,分析座椅结构特点及振动特性,总结出座椅有限元模型的处理方法,计算该座椅在耐久载荷谱下的随机响应,并将响应结果与试验结果对比,以椅背火箭为例,利用灰色关联度的方法比较测点位置处的随机响应加速度均方根值及加速度功率谱密度曲线和关联程度。该计算得到的结果可揭示弹射座椅随机振动规律,对弹射座椅的结构设计具有指导意义,仿真方法可为复杂结构的振动仿真提供参考。

1 弹射座椅的模型处理方法

由于座椅模型太繁杂,故先要对模型简化处理。几何模型处理地合理与否很大程度上决定了振动仿真结果是否正确。模型处理要遵循三个基本简化原则,一是保证传力路径不发生变化;二是保证零件连接和实际情况一致;三是保证主结构的完整性。其次要明确仿真目的,考虑本次进行振动仿真,故简化过程中,要保证模型质量、质量分布及刚度不发生改变,选取合适的阻尼值,并兼顾计算精度、计算速度和经济性。此外,还要熟悉座椅的结构特点,了解工作原理,明确各零部件的连接方式,根据各零部件功能确定模型的结构件、功能件及装饰件。本文研究的座椅三维模型如图1所示,其主要由椅盆、滑轨和弹射筒组件组成,其中椅盆主要由上梁、下梁、前梁、侧板等结构件组成。座椅通过上下挂点固定在飞机座舱内,并通过滑轨与弹射筒连接,滑轨的导槽与4对滑块相配合,弹射筒分为内筒和外筒。紧急情况下,飞行员拉动弹射手柄,启动弹射分离系统,弹射筒内筒、滑轨及椅盆沿着导槽弹射出座舱外。

模型处理的第一步是要区分出主结构件和非主结构件。根据研究对象来确定零件的取舍:若研究对象是主结构件,则只保留主结构件及其连接件;若研究对象是非主结构件,则保留主结构件、研究对象及其连接件,其余零件用质量点代替。本文最终需输出椅载设备处(非主结构件)的随机响应,因此忽略坐垫、靠垫等舒适性组件及不必要的功能件,保留主结构件、关心的椅载设备及其连接件。例如座椅的主结构件滑轨组件原模型如图2所示,省去部分零件后滑轨组件模型,如图3所示。


图1 某型座椅的三维模型


图2 滑轨组件原模型


图3 零件取舍后滑轨组件模型

模型处理的第二步是将保留的结构进行简化,其简化方法为:

1) 在确保关注部位有限元分析精度的前提下可以填充和修改局部结构,尽可能地简化主结构件的棱角、小凸台、小凹槽等几何模型细节特征,对于刚度影响较大的须保留。如某型弹射座椅的椅盆几何模型处理前后如图4、图5所示。


图4 椅盆几何原模型

2) 椅载设备分为结构式椅载设备和电子式椅载设备。对于结构式椅载设备,尽量去除倒角、圆角等,其与座椅连接位置处圆角尽量保留;对于电子式椅载设备,由于其内部结构非常复杂,须用与原模型外形相近的壳体表示,质量属性采用添加质量元的方式实现,但它与座椅连接关系应保持不变。如某型弹射座椅电子式程控器的几何模型处理前后如图6、图7所示。


图5 简化后椅盆几何模型


图6 程控器原几何模型 图7 简化后程控器几何模型

3) 激励输入位置和传力部件的简化,须保证其结构基本不变,保证模型初始激励的准确施加,传力路径基本与原模型一致,以确保响应结果的正确输出。

4)主结构件与功能件及装饰件的连接位置尽可能保留;填充距测点位置较远的小孔,避免在孔周围发生应力集中导致响应结果不理想。

根据上述方法,最终某型座椅模型经简化处理后如图8所示。


图8 某型座椅的简化模型

2 弹射座椅的有限元模型

将模型导入有限元分析软件MSC.Patran中,座椅在装机状态下椅盆与滑轨成22°夹角,如图4、图5所示。人-椅系统坐标系坐标原点O位于导轨上梁上表面中心与纵向对称平面的交点,OY轴沿弹射轴线向下,OX轴垂直于OY轴沿航向向前为正,OZ轴按右手螺旋法则确定。人-椅系统(第95百分位假人,座椅处于低位)的总质量为196 kg,质心位置为(250 mm,814 mm,0 mm)。

由于座椅的零部件众多,故对其进行有限元网格划分时整个座椅模型采用四面体网格,其中单元数为 734 073个,节点数为 158 654个。振动试验中所用到的假人模型为第95百分位的刚性假人,且该研究的目的是为了得到椅载设备处的振动响应,不考虑假人处的响应,故在有限元仿真中只考虑将假人简化为质量点固连到弹射座椅模型上。座椅的振动计算模型如图9所示。


图9 某型座椅振动计算模型

某型弹射座椅中多数零部件采用7A04-T6,有的零部件由于其特殊的工作环境选择为TC4和30CrMnSiA。其材料性能如表1所示。依据GJB150的相关规定,得到该座椅与机舱相连的上下挂点处的耐久加速度载荷谱如图10所示。

表1 主要材料及物理特性



图10 飞机座舱振动耐久加速度载荷谱

3 结果分析

3.1 随机响应仿真结果

如图11所示,为弹射座椅在垂向加速度激励下的随机振动加速度响应均方根云图。可以看出,在伞箱的前板和椅盆侧板处的加速度均方根较高,输入的振动总能量偏大;在滑轨和弹射筒处的加速度均方根相对较小,输入的振动总能量偏小,仿真结果与试验结果相一致。因此在弹射座椅的结构设计过程中,考虑到环境载荷的影响,选择将程控器、开伞器等易损坏的电子器件安装在导轨上相较于椅盆上而言,其振动环境相对没有那么严苛,符合工程实际情况。


图11 垂向加速度激励下弹射座椅随机振动加速度响应均方根云图

3.2 仿真结果与试验结果对比分析

对试验件进行检查,未发现异常后,按规定要求安装好试验件与座椅系统,保证各紧固部分连接牢固可靠。传感器测试轴为试验轴向。试验系统的组成框图如图12。


图12 弹射座椅随机振动试验系统框图

其中,1为随机信号源;2为均衡系统;3是功率放大器;4是振动台;5是座椅系统;6、7是加速度传感器;8是电荷放大器;9是磁记录器;10是数据处理装置

检测件为左侧椅背火箭、程控器、开伞器,将传感器设置在尽量靠近椅载设备安装位置处。试验时传感器测点位置如图13~图15所示,通过磁记录器和数据处理装置得到测点传感器安装位置处的响应曲线,与仿真曲线进行对比,来验证仿真曲线的正确性。下面对椅载设备测点处的响应结果与试验结果进行对比。以椅背火箭测点处为例:



图15 开伞器测点位置

3.2.1 仿真结果与试验结果的加速度均方根值(RMS)对比

总加速度均方值[10]代表加给试件的总振级,即输给试件的总能量。与振动试验得到的均方根值对比,可以用来判断振动仿真给椅载设备输入的总能量是否与试验相同,从而初步判断仿真方法正确与否。当仿真与试验值误差小于10%时,认为仿真结果基本正确。图16为椅背火箭测点处的垂向加速度功率谱密度曲线以及加速度均方根值。


图16 椅背火箭测点处垂向加速度功率谱密度曲线

与试验所得加速度均方根值进行误差计算,椅背火箭测点处RMS仿真=5.338 g,该位置处实测均方根加速度值为RMS实测=5.067 7 g,其误差为:

|RMS实测-RMS仿真RMS实测|×100%=

|5.067 7-5.3385.067 7|×100%=5.334%<10%

3.2.2 基于灰色关联分析的仿真与试验加速度功率谱密度曲线的相似程度对比

首先进行直观对比,将椅背火箭测点处的加速度功率谱密度曲线输出并导入Matlab中。提取测点处试验曲线的若干点,在Matlab中进行曲线拟合,得到椅背火箭测点处的仿真曲线与试验曲线,如图17所示。对比发现,仿真曲线的幅值和趋势与试验曲线大致相同。

其次,为了定量衡量仿真曲线与试验曲线的相关程度,利用灰色关联方法对其进行曲线关联度计算。将试验曲线作为参考对象,仿真曲线作为比较对象。故仿真曲线与试验曲线在各时刻(即曲线中的各点)的关联系数ε0i(k)可由下式[11]算出:


(1)

式中,为分辨系数,一般在0~1,通常取0.5;


图17 椅背火箭上测点处仿真曲线与试验曲线对比

则关联度γ公式如下:


(2)

利用式(1)、式(2)计算椅背火箭上测点的曲线关联度,提取试验曲线数据如表2所示,仿真曲线及差值数据如表3、表4所示。

表2 椅背火箭试验曲线数据


表3 椅背火箭仿真曲线数据


表4 椅背火箭试验曲线与仿真曲线差值数据


ρ=0.5,由表4可知Δ(min)=0.001,Δ(max)=0.028。由(1)、(2)式计算得两曲线关联度为:γ=0.815。

关联度越接近1表示仿真曲线与试验曲线的相关程度越高,一般关联度高于0.7认为参考对象和比较对象的相关程度高[10]。椅背火箭处的曲线关联度是0.815,满足工程实际要求。

4 结论

1) 从弹射座椅随机振动加速度响应均方根云图中可看出各部件的振动载荷环境;

2) 输出弹射座椅椅载设备测点位置处的加速度功率谱密度曲线,采用灰色关联度的方法对仿真与试验进行对比,通过比较加速度均方根值及曲线关联度值,定量地衡量其相关程度,仿真与试验结果吻合较好。

3) 建立了有效可行的座椅模型处理方法,可以为其他结构复杂、零件繁多的大型机械结构的振动仿真研究提供参考。

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