彈射通道動(dòng)力學(xué)仿真設計

Computer Engineering and Applications計算機工程與應用2013,49(7)221彈射通道動(dòng)力學(xué)仿真設計薛紅軍,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:傳統的彈射通道設計手段局限于地面彈射實(shí)驗,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,設計周期短等明顯優(yōu)點(diǎn)。以多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件 LifeMOD為平臺,建立了人椅系統的多剛體動(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動(dòng)軌跡;以各點(diǎn)軌跡形成的包絡(luò )面為邊界,獲得了滿(mǎn)足安全要求的最小彈射通道尺寸,可以為彈射通道設計提供必要的指導關(guān)鍵詞:彈射通道;人椅系統;多剛體動(dòng)力學(xué); LifeMOD軟件文獻標志碼:A中圖分類(lèi)號: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彈射通道是指乘員和座椅應急離機時(shí)所通過(guò)的問(wèn)題。本文建立了人椅系統的多剛體動(dòng)力學(xué)模型,模擬彈飛機座艙空間。彈射通道的縱向及橫向尺寸必須保證乘射過(guò)程中人椅離機階段的運動(dòng)情況,得到淸足安全要求的員和座椅無(wú)障礙地安全彈離座艙。當飛機遇到險情而無(wú)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,使座椅沿導軌加速上升到離機高度,彈射火箭開(kāi)始2人椅系統建模工作,產(chǎn)生推力使人椅繼續上升,之后人椅分離,降落傘打以多剛體動(dòng)力學(xué)為理論基礎,建立人椅系統的運動(dòng)模開(kāi),使飛行員安全著(zhù)陸。在彈射離機過(guò)程中,駕駛艙儀表型。對整個(gè)模型的運動(dòng)計算分兩步進(jìn)行,先將人椅系統視板駕駛桿、座艙蓋以及某些機構均可成為彈射通道的障為單個(gè)剛體,計算整體的運動(dòng)情況:然后在此基礎上計算礙物,座艙蓋可通過(guò)拋蓋或穿蓋彈射予以清除,儀表板、駕駛桿及其他機構則應通過(guò)良好的設計避免對彈射產(chǎn)生干人體模型的肢體運動(dòng)擾。彈射通道過(guò)于狹小自然安全性大打折扣,但飛機駕駛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系Oxyz:以駕駛艙設計眼位點(diǎn)為坐標重大。目前關(guān)于彈射系統設計、分析與評估多通過(guò)地面彈原點(diǎn),與飛機固連。Oy軸垂直于地面,向上為正;Oz軸與射實(shí)驗進(jìn)行,如火箭滑車(chē)實(shí)驗,設備昂貴,費時(shí)費力,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運動(dòng)參數難以捕捉。而計算機仿真方法人椅系統坐標系 O.,:原點(diǎn)選擇在座椅參考基金項目:國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展規劃(973)(No,2010CB734101)。作者簡(jiǎn)介:薛紅軍(1966-),男,博士學(xué)位,副教授,主要研究領(lǐng)域為人機工效,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: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計算機工程與應用點(diǎn)。Onxn軸平行于O軸;Onym與彈射軸線(xiàn)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)在與父節點(diǎn)相連接的關(guān)節處,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)節簡(jiǎn)化為運動(dòng)軸線(xiàn)指向外側副。下軀干作為人體模型拓撲結構的根節點(diǎn),確定整個(gè)人2.2人椅彈射出艙運動(dòng)模型體在駕駛艙坐標系中的位置?，F代彈射座椅一般釆用兩級動(dòng)力驅動(dòng)。第一級動(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,使彈射座椅沿導軌上升,直到內外筒分離,人椅上升到離機高度。此時(shí)第二級動(dòng)力彈射火箭點(diǎn)火,繼續將人椅推升到安全高度。本文研究人椅系統出艙階段相對于飛機的運動(dòng)情況,從啟動(dòng)彈射開(kāi)始,到人椅系統離機為止。由于整個(gè)彈射離機過(guò)程僅持續0.18s,且人椅系統相對于飛機而言質(zhì)量很小,可不考慮彈射過(guò)程對飛機飛行狀態(tài)的影響。在此階段,彈射座椅受到彈射筒推力、氣動(dòng)力、重力和導軌支撐力作用,垂直于導軌方向被約束。一般而言,在人椅系圖2人椅系統模型及坐標系圖統離機前,只沿導向裝置作直線(xiàn)運動(dòng),而沒(méi)有轉動(dòng)。利用彈射筒的內彈道計算可以確定彈射筒的推力。假定人椅232關(guān)節剛度模型關(guān)節用來(lái)連接相鄰兩段剛體,肌肉、韌帶、肌腱等軟組織系統出艙時(shí)受到的氣動(dòng)力隨彈射行程由零線(xiàn)性變化到完全暴露在氣流中的狀況。人椅系統完全暴露在氣流中時(shí)對關(guān)節運動(dòng)的約束可簡(jiǎn)化為關(guān)節剛度作用于人體。這里用受到的氣動(dòng)阻力Q和升力P,可按式(1)、(2)計算HybridⅢ關(guān)節力矩曲線(xiàn)模型模擬關(guān)節剛度,如圖3所示。這一曲線(xiàn)由 Armstrong宇航醫學(xué)實(shí)驗室和 Wright Patterson(1)空軍基地對 HybridⅢ碰撞假人的關(guān)節剛度阻尼和摩擦" CA(2)數據進(jìn)行實(shí)測獲得。它表示對某一特定關(guān)節的特定自由式中,為人椅系統的運動(dòng)速度,為空氣密度,A,為人度在正常操作范圍內關(guān)節具有較小的剛度。曲線(xiàn)兩端斜率突然變大表示關(guān)節轉角一旦超過(guò)生理極限,關(guān)節剛度會(huì )系統的正面投影面積,C為人椅系統的氣動(dòng)阻力系數,C,變得很大,從而產(chǎn)生很大的關(guān)節力矩,阻止關(guān)節的轉動(dòng)。為人椅系統的升力系數。氣動(dòng)阻力系數Cx和升力系數C與人椅系統的幾何外形、雷諾數、相對氣流的位置等因素關(guān)節力矩有關(guān),C,和C.與迎角的關(guān)系如圖16+B下極限上極陽(yáng)→關(guān)節轉角圖3 HybridⅢ關(guān)節力矩曲線(xiàn)圖233動(dòng)力學(xué)方程圖1人椅系統氣動(dòng)力系數隨迎角變化曲線(xiàn)圖采用拉格朗日方程法建立人體模型的動(dòng)力學(xué)方程。人椅坐標系下的運動(dòng)數學(xué)模型如下拉格朗日函數L定義為系統的動(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為導軌支撐力,ν為人椅系統速式中,EA、E,分別是用廣義坐標表示的系統動(dòng)能和勢能。度,M為人椅系統的質(zhì)量對于廣義坐標q∈R,拉格朗日函數為L(cháng)的系統,其運23人體多剛體動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)方程為23.1模型結構Q=4}-,=1,2…,n人體多剛體動(dòng)力學(xué)方法,是根據解剖學(xué)原理,將人體分為若干個(gè)獨立的剛體,每個(gè)剛體具有質(zhì)量、質(zhì)心和轉動(dòng)式中,q是系統的慣量等物理特性,相鄰剛體之間通過(guò)鉸接連接在一起,將第i個(gè)廣義坐標上EYE中國煤化工是作用在人體簡(jiǎn)化為具有有限個(gè)自由度的多剛體系統。最為著(zhù)名統的自由度數目。CNMHG多剛體系薛紅軍,劉瀟:彈射通道動(dòng)力學(xué)仿真設計2013,49(7)223系統的動(dòng)能為仿真三種工況下的彈射出艙過(guò)程O(píng)T. 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上式中,T表示坐標系Oxy2相對于慣性坐標系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(xiàn)性變換關(guān)系;t為方陣跡的運算符號;H為齊次開(kāi)關(guān)坐標系表示的慣性矩陣。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)被限腿帶強迫靠至椅盆前緣。在仿真過(guò)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)心相對于蓋、雙手、肘關(guān)節、肩關(guān)節,座椅參考點(diǎn)等處的位置變化。}坐標系的矢徑。仿真過(guò)程人體模型姿態(tài)變化過(guò)程,如圖5所示將式(4)、式(5)、式(6)、式(7)聯(lián)立,可得系統的動(dòng)力學(xué)方程工況1工況2工況32.4座椅約束系統建模Os座椅對人體模型的約束包括兩部分:約東系統(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(guò)載通過(guò)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。約束系統的約束力函數為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(cháng)度、初始長(cháng)度和最大長(cháng)度;μ為約束帶的彈性系數。接觸力函數為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為最大阻尼系數圖5仿真過(guò)程人體姿態(tài)變化過(guò)程圖3人椅系統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結果亐分析Lifemod中完成。彈射座椅模型根據GJB殲擊機座椅基本通過(guò)仿真計算,記錄了人椅系統各關(guān)鍵點(diǎn)如手、肘關(guān)幾何尺寸建立。人體模型測量數據來(lái)源于GJB-4856-2003節、肩關(guān)節、腳尖、膝關(guān)節、座椅參考點(diǎn)等的運動(dòng)軌跡。這中國男性飛行員人體尺寸。根據應用人體尺寸數據的基些點(diǎn)形成的包絡(luò )面構成了滿(mǎn)足最小安全要求的彈射通本原理,當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。三或增加事故危險時(shí),應以第99百分位數值為依據。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[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(guò)載曲線(xiàn)作為彈射筒推力輸入數據(如圖4)并作適當修改,過(guò)載峰值18.5g,工作時(shí)間0.18s,彈射角13°,馬赫數0.6,人椅系統正面投影面積0.7m2。0.050.10中國煤化工CNMHG圖4彈射筒過(guò)載曲線(xiàn)圖圖6工I品yIⅢ]I2242013,49(7)Computer Engineering and Applications計算機工程與應用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平面投影圖當飛機安裝使用腳卡器的彈射座椅,飛行員在啟動(dòng)彈5結論射手柄前需要主動(dòng)收回雙腿,增加了彈射前的準備時(shí)間本文建立了軍機彈射座椅人椅系統的多剛體動(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(guò)仿真彈射出艙階段人椅系統的運動(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(guò)程的前段,雙腿會(huì )在過(guò)載作用下緩慢靠近座椅前了該系統各點(diǎn)的運動(dòng)軌跡,以此為依據獲得了滿(mǎn)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現有模型經(jīng)過(guò)進(jìn)一步完善,還可以擴大其仿真應用范當飛機安裝使用束腿帶的彈射座椅,飛行員無(wú)需主動(dòng)圍,如對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:偏折段與水平面夾角減小至約38°根據仿真結果合理的彈射通道尺寸如圖9所示。若]飛機設計手冊總編委會(huì )飛機設計手冊第15冊:生命保障和環(huán)飛機裝備的彈射座椅采用腳卡器作為下肢約束裝置,考慮控系統設計[M]北京:航空工業(yè)出版社,1999:393-469到實(shí)際彈射過(guò)程可能出現的險情,彈射通道設計上應當以[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,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平面的夾角應大于55,如圖中虛線(xiàn)所示。若飛機裝備的3]趙楊春信,韓海鷹,等彈射救生過(guò)程數值計算及損傷風(fēng)彈射座椅采用東腿帶作為下肢約束裝置,則彈射通道上半險評估門(mén)空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報,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大于3AD608463[R].1964如圖中實(shí)線(xiàn)所示。[5]畢紅哲,莊達民航空人機工程計算機仿真M北京:電子工業(yè)彈射通道出版社,2010:184-19[6]袁修干,莊達民人機工程M]北京:北京航空航天大學(xué)出版社座艙蓋「η]聶聰,張科,李通飛機彈射救生系統內彈道數值仿真研究航空計算技術(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