弹射通道动力学仿真设计

Computer Engineering and Applications计算机工程与应用2013,49(7)221弹射通道动力学仿真设计薛红军,刘潇XUE Hongjun,LIUⅹiao西北工业大学航空学院,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:传统的弹射通道设计手段局限于地面弹射实验,成本髙,难控制;而动力学仿真与之相比具有成本低,零风险,设计周期短等明显优点。以多体动力学仿真软件 LifeMOD为平台,建立了人椅系统的多刚体动力学模型,仿真分析了弹射出舱阶段三种不同工况下人体模型肢体的运动轨迹;以各点轨迹形成的包络面为边界,获得了满足安全要求的最小弹射通道尺寸,可以为弹射通道设计提供必要的指导关键词:弹射通道;人椅系统;多刚体动力学; LifeMOD软件文献标志码:A中图分类号:TP391.9doi:10.3778jiss.1002-8331.1108-04661引言成本低,速度快,周期短,易于控制,很适合用于求解这军机弹射通道是指乘员和座椅应急离机时所通过的问题。本文建立了人椅系统的多刚体动力学模型,模拟弹飞机座舱空间。弹射通道的纵向及横向尺寸必须保证乘射过程中人椅离机阶段的运动情况,得到淸足安全要求的员和座椅无障碍地安全弹离座舱。当飞机遇到险情而无最小弹射通道尺寸。法挽回时,飞行员将按照弹射程序拉动弹射手柄,弹射筒点火,使座椅沿导轨加速上升到离机高度,弹射火箭开始2人椅系统建模工作,产生推力使人椅继续上升,之后人椅分离,降落伞打以多刚体动力学为理论基础,建立人椅系统的运动模开,使飞行员安全着陆。在弹射离机过程中,驾驶舱仪表型。对整个模型的运动计算分两步进行,先将人椅系统视板驾驶杆、座舱盖以及某些机构均可成为弹射通道的障为单个刚体,计算整体的运动情况:然后在此基础上计算碍物,座舱盖可通过抛盖或穿盖弹射予以清除,仪表板、驾驶杆及其他机构则应通过良好的设计避免对弹射产生干人体模型的肢体运动扰。弹射通道过于狭小自然安全性大打折扣,但飞机驾驶2.1参考系的建立舱空间有限,精确确定符合安全要求的弹射通道尺寸意义驾驶舱固定坐标系Oxyz:以驾驶舱设计眼位点为坐标重大。目前关于弹射系统设计、分析与评估多通过地面弹原点,与飞机固连。Oy轴垂直于地面,向上为正;Oz轴与射实验进行,如火箭滑车实验,设备昂贵,费时费力,且Oy轴相互垂直,指向前;Ox轴垂直于Oyz平面,向左为正假人肢体的详细运动参数难以捕捉。而计算机仿真方法人椅系统坐标系 O.,:原点选择在座椅参考基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)(No,2010CB734101)。作者简介:薛红军(1966-),男,博士学位,副教授,主要研究领域为人机工效,飞行器环境控制与安全救生;刘潇(1987—),男,硕士研究生E-mail:lizardliu(a126.com中国煤化工收稿日期:2011-08-31修回日期:2011-10-25文章编号: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计算机工程与应用点。Onxn轴平行于O轴;Onym与弹射轴线平行且指向的多刚体动力学人体模型是 Hanavan的15刚体模型。这头部;Onzn与 O,xm)平面垂直且指向前方。里将人体划分为头,颈,上、中、下躯干,左、右肩,左、右上{坐标系O,x列,1:固连于多刚体人体模型的各段刚臂,左、右前臂,左、右手,左、右大腿,左、右小腿,和左、右体上,原点在与父节点相连接的关节处,0z轴沿该段刚体脚共19段刚体,如图2。连接各段刚体的关节简化为运动轴线指向外侧副。下躯干作为人体模型拓扑结构的根节点,确定整个人2.2人椅弹射出舱运动模型体在驾驶舱坐标系中的位置。现代弹射座椅一般釆用两级动力驱动。第一级动力由弹射筒提供,飞行员启动弹射手柄后,弹射筒点火,使弹射座椅沿导轨上升,直到内外筒分离,人椅上升到离机高度。此时第二级动力弹射火箭点火,继续将人椅推升到安全高度。本文研究人椅系统出舱阶段相对于飞机的运动情况,从启动弹射开始,到人椅系统离机为止。由于整个弹射离机过程仅持续0.18s,且人椅系统相对于飞机而言质量很小,可不考虑弹射过程对飞机飞行状态的影响。在此阶段,弹射座椅受到弹射筒推力、气动力、重力和导轨支撑力作用,垂直于导轨方向被约束。一般而言,在人椅系图2人椅系统模型及坐标系图统离机前,只沿导向装置作直线运动,而没有转动。利用弹射筒的内弹道计算可以确定弹射筒的推力。假定人椅232关节刚度模型关节用来连接相邻两段刚体,肌肉、韧带、肌腱等软组织系统出舱时受到的气动力随弹射行程由零线性变化到完全暴露在气流中的状况。人椅系统完全暴露在气流中时对关节运动的约束可简化为关节刚度作用于人体。这里用受到的气动阻力Q和升力P,可按式(1)、(2)计算HybridⅢ关节力矩曲线模型模拟关节刚度,如图3所示。这一曲线由 Armstrong宇航医学实验室和 Wright Patterson(1)空军基地对 HybridⅢ碰撞假人的关节刚度阻尼和摩擦" CA(2)数据进行实测获得。它表示对某一特定关节的特定自由式中,为人椅系统的运动速度,为空气密度,A,为人度在正常操作范围内关节具有较小的刚度。曲线两端斜率突然变大表示关节转角一旦超过生理极限,关节刚度会系统的正面投影面积,C为人椅系统的气动阻力系数,C,变得很大,从而产生很大的关节力矩,阻止关节的转动。为人椅系统的升力系数。气动阻力系数Cx和升力系数C与人椅系统的几何外形、雷诺数、相对气流的位置等因素关节力矩有关,C,和C.与迎角的关系如图16+B下极限上极阳→关节转角图3 HybridⅢ关节力矩曲线图233动力学方程图1人椅系统气动力系数随迎角变化曲线图采用拉格朗日方程法建立人体模型的动力学方程。人椅坐标系下的运动数学模型如下拉格朗日函数L定义为系统的动能Ek和势能E之差F+P+O+N=MIdv m /dt, dv, m /dt, dvm /drL=Er-Ep式中,F为弹射筒推力,N为导轨支撑力,ν为人椅系统速式中,EA、E,分别是用广义坐标表示的系统动能和势能。度,M为人椅系统的质量对于广义坐标q∈R,拉格朗日函数为L的系统,其运23人体多刚体动力学模型动方程为23.1模型结构Q=4}-,=1,2…,n人体多刚体动力学方法,是根据解剖学原理,将人体分为若干个独立的刚体,每个刚体具有质量、质心和转动式中,q是系统的惯量等物理特性,相邻刚体之间通过铰接连接在一起,将第i个广义坐标上EYE中国煤化工是作用在人体简化为具有有限个自由度的多刚体系统。最为著名统的自由度数目。CNMHG多刚体系薛红军,刘潇:弹射通道动力学仿真设计2013,49(7)223系统的动能为仿真三种工况下的弹射出舱过程OT. aT∑E=∑(1)弹射座椅采用脚卡装置固定飞行员双腿,飞行员H4i 4k拉动弹射手柄前将双腿收回,弹射启动后双腿被锁住。ly>stroH(2)弹射座椅采用脚卡装置固定飞行员双腿,弹射启qk动前飞行员并未收回双腿。例如串列双座型歼击机上式中,T表示坐标系Oxy2相对于惯性坐标系Oz名飞行员仍处于驾驶姿势,而另一名飞行员触发了弹射的齐次线性变换关系;t为方阵迹的运算符号;H为齐次开关坐标系表示的惯性矩阵。3)弹射座椅采用限腿带固定飞行员双腿,飞行时限系统的势能为腿带并不影响飞行员操纵。飞行员拉动弹射手柄后,双腿m,g Tp(7)被限腿带强迫靠至椅盆前缘。在仿真过程中,跟踪人椅模型关键边界点如脚尖、膝式中,m为第i段刚体的质量,p为该段刚体质心相对于盖、双手、肘关节、肩关节,座椅参考点等处的位置变化。}坐标系的矢径。仿真过程人体模型姿态变化过程,如图5所示将式(4)、式(5)、式(6)、式(7)联立,可得系统的动力学方程工况1工况2工况32.4座椅约束系统建模Os座椅对人体模型的约束包括两部分:约東系统(肩带和腰带)的拉力和人体与头靠、背靠、坐垫之间的接触力。弹射过载通过这两种接触从弹射座椅传递到人体模型上并使人体模型产生响应。约束系统的约束力函数为F=step(l1,l00,1,-(1-l0))(8)式中,1、l0、1分别为约束带的实时长度、初始长度和最大长度;μ为约束带的弹性系数。接触力函数为Fn=kxg+step(g, 0,0, dmay,c(9)dt式中,k为人椅接触刚度,g为穿透深度,dx为最大穿透深度,cm为最大阻尼系数图5仿真过程人体姿态变化过程图3人椅系统弹射出舱仿真人体模型和弹射座椅模型的建立在动力学仿真软件4结果亐分析Lifemod中完成。弹射座椅模型根据GJB歼击机座椅基本通过仿真计算,记录了人椅系统各关键点如手、肘关几何尺寸建立。人体模型测量数据来源于GJB-4856-2003节、肩关节、脚尖、膝关节、座椅参考点等的运动轨迹。这中国男性飞行员人体尺寸。根据应用人体尺寸数据的基些点形成的包络面构成了满足最小安全要求的弹射通本原理,当身体尺寸在界限值以外的人使用会危害其健康道。通常情况下,弹射通道在y平面的尺寸更受关注。三或增加事故危险时,应以第99百分位数值为依据。因此建立第99百分位飞行员的人体模型用于仿真。使用文献[7]种工况下各点轨迹在yz平面上的投影,如图6-8所示。中的弹射筒过载曲线作为弹射筒推力输入数据(如图4)并作适当修改,过载峰值18.5g,工作时间0.18s,弹射角13°,马赫数0.6,人椅系统正面投影面积0.7m2。0.050.10中国煤化工CNMHG图4弹射筒过载曲线图图6工I品yIⅢ]I2242013,49(7)Computer Engineering and Applications计算机工程与应用l000-1400图7工况(2)各点轨迹y平面投影图图8工况(3)各点轨迹y平面投影图当飞机安装使用脚卡器的弹射座椅,飞行员在启动弹5结论射手柄前需要主动收回双腿,增加了弹射前的准备时间本文建立了军机弹射座椅人椅系统的多刚体动力学而出舱所需的净空空间尺寸最小,整个空间呈直筒状,宽模型,通过仿真弹射出舱阶段人椅系统的运动情况,分析度为620mm。但若特殊情况下飞行员未能成功收回双腿,在弹射过程的前段,双腿会在过载作用下缓慢靠近座椅前了该系统各点的运动轨迹,以此为依据获得了满足安全要缘形成一段平缓的弧形轨迹,使所需空间前缘下半段向求的最小弹射通道尺寸。前偏折并延伸至脚蹬处,偏折段与水平面的夹角约为55现有模型经过进一步完善,还可以扩大其仿真应用范当飞机安装使用束腿带的弹射座椅,飞行员无需主动围,如对飞行员肢体受气流吹袭、甩打、脊柱受力等情况进收回双腿,启动弹射手柄后,在座椅上升的同时,双腿被束行仿真分析腿带快速拉冋弹射座椅前缘,双腿形成的弧形轨迹变短,使得所需净空空间下半段偏折部分的比例降低了约50%,参考文献:偏折段与水平面夹角减小至约38°根据仿真结果合理的弹射通道尺寸如图9所示。若]飞机设计手册总编委会飞机设计手册第15册:生命保障和环飞机装备的弹射座椅采用脚卡器作为下肢约束装置,考虑控系统设计[M]北京:航空工业出版社,1999:393-469到实际弹射过程可能出现的险情,弹射通道设计上应当以[2] Perry C E Vertical impact tests of a proposed B-52 ejection飞行员双腿未事先收回为准,弹射通道上半段为直筒状,seat cushion, AFRL-RH-WP-TR-2010-0011[R]. Wright-Patterson宽度应大于620mm;下半段前缘向前偏折至脚蹬处,与水AFB OH. 2007平面的夹角应大于55,如图中虚线所示。若飞机装备的3]赵杨春信,韩海鹰,等弹射救生过程数值计算及损伤风弹射座椅采用東腿带作为下肢约束装置,则弹射通道上半险评估门空气动力学学报,2006,24(3):314-318段仍为宽度大于620mm的直筒状空间,下半段前缘向前[4] Hanavan E PA mathematical model of the human body偏折并延伸至脚蹬处,偏折段与水平面的夹角应大于3AD608463[R].1964如图中实线所示。[5]毕红哲,庄达民航空人机工程计算机仿真M北京:电子工业弹射通道出版社,2010:184-19[6]袁修干,庄达民人机工程M]北京:北京航空航天大学出版社座舱盖「η]聂聪,张科,李通飞机弹射救生系统内弹道数值仿真研究航空计算技术,2011,41(2):36-39[8] Obergefell L, Rizer A, Ma D Military application of body座椅参考点namics models[R].Ohio, 1998[9]张春林,苏永安跳伞救生学[M]北京:中国人民解放军空军司图9弹射通道尺寸示意图令部,1999:24-26中国煤化工CNMHG