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1、第二十八届（2023）全国直升机年会论文直升机坠地加速度损伤研究及仿真计算陈智谦 陈 军 韩跃峰（陆军航空兵学院飞行理论系，北京，101116）摘 要：当直升机意外坠地时，乘员也许在由巨大冲击作用所产生的加速度环境下导致伤亡。本文以某型直升机抗坠毁座椅为原型建立了仿真简化模型，计算得出在冲击作用下的翻卷管工作过程，比较了四个不同乘员重量下的缓冲结果。从计算结果得出，座椅位移与重量成正比，加速度过载与重量成反比，根据加速度环境下评估指标，阐述翻卷管吸能这一方式在10m/s的初始下降速度条件下可满足安全性规定。关键词：加速度损伤；评价指标；抗坠毁座椅；缓冲效果1 引言在直升机的实际应用中，由人为、
2、机械故障引起的突发事故以及武装直升机因袭击受损等因素所导致的坠落，机毁人亡的劫难性后果经常不可避免。因素重要在于直升机的设计无法保证在这些高冲击环境下乘员受到的损伤在人体耐限以内。因此，抗坠毁设计是直升机初始设计阶段中与重量、载荷因子和疲劳寿命同等重要的关键问题，其设计的重要目的就是避免直升机紧急或意外着陆等情况下的乘员伤亡。直升机抗坠毁研究重要涉及人体损伤和直升机结构抗坠毁两大方面。其中，人体损伤研究在于拟定损伤机理和确立损伤评估指标两部分，而结构抗坠毁研究在于提高起落架、机身机构和座椅三级结构的抗坠毁性。本文旨在了解人体加速度损伤机理及评估指标，并通过仿真计算了解垂直坠落情况下我国某型直升
3、机抗坠毁座椅的缓冲效果。2 损伤机理及评估指标一旦直升机坠落，机体和乘员会受到巨大的着陆冲击力，致使乘员处在一个很大的加速度环境中，这将对身体的组织器官等产生极大的伤害，甚至危及生命。纵观人类载人航天史，因人体遭受到着陆冲击，返回着陆阶段的事故发生的事件并不算少，如“联盟”35号飞船着陆时缓冲火箭未能发挥作用，导致冲击过载达50G；“联盟”1号飞船的主伞未打开，飞船以高速撞毁，航天员遇难等等。因此，了解冲击对人体产生的影响、人体对冲击的响应及人体的抗冲击耐力限值，一直是工程医学界极为重视的课题。2.1 损伤机理大量实验表白，对于人体这样一个粘弹性体来说，在着陆冲击这一瞬间物理作用下，会产生复杂
4、的一系列响应。且因人体各器官的结构、位置及材料的不同，在冲击作用力下的损伤病理也不尽相同。重要损伤有以下几个部位：（1）肺损伤。肺脏的损伤几乎是高G值冲击损伤中最为常见的部位，其中，又以肺实质伤和气管损伤最为多见。（2）心脏损伤。心脏在胸部的位置并非固定的，而是经由肺动脉和积极脉悬挂于胸腔中。在冲击力的作用下，易发生摆动和扭转，故也是冲击易损伤的部位。Viano DC等通过实验看出对心脏起固定作用的积极脉弓部是心血管系统在冲击作用下最为常见的损伤部位。（3）肝脏损伤。肝脏损伤是导致创伤性死亡发生率最高的腹部器官，亦是非穿透性腹部撞击中致死率最严重的损伤。在冲击作用下，常因肝脏与肋骨和脊柱的互相
5、碰撞及韧带的撕脱引起肝脏的破裂和出血，严重的会引起肝脏诸多管道系统的破裂而导致大出血，危及生命安全。（4）骨骼系统损伤。冲击过程中，骨骼系统是刚性物体，能直接传递冲击力的作用，而脊柱是机体承受冲击作用的重要构件，当脊柱承受的冲击力骤然增长超过椎骨强度，就会引起脊柱损伤。并且因冲击作用导致的骨折断端对内脏器官的戳刺、切割也也许引起内出血、休克等危及生命的伤害。（5）头部损伤。在冲击作用下，人体头部重要会受到两种伤害，一种是头骨骨折，二是脑损伤（脑震荡）。国外记录资料表白，在公路交通事故中，头盖骨骨折的80%都伴有脑震荡，而航空一等事故中70%80%的人死于头部损伤。2.2 评估指标为了给抗坠毁座
6、椅的设计提供人体损伤参考标准，保证在直升机坠地时人体所受过载在安全范围内，必须综合考虑人体各器官组织的损伤机理，建立确切的损伤评估指标。目前，国内外对于加速度损伤耐限都有相关研究。国外有几种评估加速度耐限的方法，其中涉及Eiband准则、动态响应指数（DIR）和腰椎载荷峰值。美国军方在MIL-S-58095和MIL-S-81771中也有与美国航空航天局的Eiband准则很接近，并且有尸体实验证实的人体耐限参数。我国国军标GJB-4234中（如图1）规定了人体坐姿着陆冲击过载的安全限值和损伤阀值，此标准合用于军用旋翼机载人飞船及救生防护装备的设计。 图1 着陆冲击过载对飞行员作用安全限值及其引起
7、冲击损伤阈值曲线图中反映的是脉冲连续时间及冲击过载值的关系。从左下至右上的绿色，蓝色，紫色及红色区域依次代表安全区，轻度损伤区，中度损伤区和重度损伤区。此军标中规定直升机抗坠毁座椅的设计规定是将人体坐姿着陆冲击过载减少到图中所示安全区及轻度损伤区以内。3 某型抗坠毁座椅抗坠毁座椅、起落架和机身一起构成直升机坠地时的三级缓冲，而抗坠毁座椅作为与乘员相连的机构，是在起落架和机身两级缓冲后对乘员的最后一道屏障。其设计规定是在前两级缓冲不起作用的情况下能单独保证乘员安全。抗坠毁具有可选吸能装置多样的特点，其可用吸能装置涉及液压/气压缓冲装置、金属缓冲装置、可压缩缓冲装置、机械式弹簧缓冲装置及磁流变液缓
8、冲装置等。其中，金属缓冲装置由于结构简朴、缓冲力平稳、适应环境温度能力强等优点而被广泛应用。我国某型直升机的抗坠毁座椅采用的就是这类缓冲装置翻卷管吸能器。某型抗坠毁座椅重要由安全带、椅盆、骨架和吸能器四个部分组成，如图2：图2 某型直升机抗坠毁座椅后视图其翻卷管吸能器的结构如图3：图3 翻卷管吸能器结构图当翻卷管吸能器承受冲击载荷时，上下端盖因分别与支柱和座椅相连受到拉力而带动翻卷管发生塑性变形，由双层管变成单层管同时吸取冲击能量。当施加反向载荷时，单层管又恢复成双层管再次吸取冲击能量。如此反复多次吸取能量，从而减少飞行员承受的加速度过载。4 仿真模型本文运用ANSYS/LS-DYNA软件建立
9、了某型抗坠毁座椅的仿真模型，如图4：图4 某型直升机抗坠毁座椅仿真模型模型重要涉及座椅、支柱及翻卷管吸能器三个部分，其中翻卷管吸能器分为载荷管和翻卷管两个部分（如图5，红色为翻卷管），两部分互相连接，翻卷管下端与座椅相连。为简化仿真，模型省去了人体、坐垫及安全带部分，将其质量加到座椅之中。并且还省去了载荷管与上端盖，上端盖与骨架相连的部分，用施加约束来代替。 图5 翻卷管吸能器模型因计算重要为了得出翻卷管的缓冲效果，为简化仿真，将座椅、载荷管及支柱三个部分设定为刚体。模型各部分材料模型和单元类型如表1，其中翻卷管的材料密度为2740kg/m3，弹性模量为71000MPa，切线模量为20230M
10、Pa，屈服应力为50MPa，泊松比为0.32。表1 材料参数表材料模型单元类型座椅RIGIDSOLID164翻卷管BILINERKINEMATICSHELL163载荷管RIGIDSHELL163滑柱RIGIDSOLID164将缓冲过程中座椅与支柱，翻卷管与载荷管存在的接触设定为自动单面接触，其算法为对称罚函数法。同时，因支柱与地板相连，载荷管上端与支柱相连，而本文不考虑支柱等随地板的运动，将支柱及载荷管上端设定为固定不动的部分，施加全自由度的约束。5 计算结果运用以上所建立的仿真模型，将座椅初始垂直向下速度设定为典型工况之一10m/s（处在直升机自转着陆下降速度范围内）进行计算，通过后解决软件
11、提取出座椅缓冲过程，如图6。图中分别相应0s，0.02s，0.026s时座椅的状态，可以看出座椅在缓冲过程中会随着支柱下滑并将翻卷管拉出，慢慢减速至最低点。图6 座椅位移变化过程翻卷管在这个过程中因受到巨大拉力的作用会自身卷曲，产生塑性变形，由双层管变为单层管，如图7。翻卷管顶端变形区域应力最大，能达成7000MPa。 座椅的动能随着缓冲的进行所有转化为热能及翻卷管的内能。图7 翻卷管变形图在相同的初始条件下，对乘员重量为50kg，60kg，70kg及80kg四个情况进行了计算，得出座椅垂直方向的位移（纵坐标）随时间（横坐标）变化曲线如图8：图8 座椅位移随时间变化曲线从图中可以看出，不同重量
12、下的座椅位移变化趋势基本相同，从缓冲开始会沿着支柱向下滑动，在一小段时间后到达最低点，然后存在一个1cm2cm的反弹，之后经历微小振动趋于稳定。但是，最大位移值却是与重量成正比的，50kg重量下的最大位移为11.1cm，而80kg重量下的最大位移达成了16.2cm。与实际的某型抗坠毁座椅底部与地板的距离13cm相比较可以得出，后三种情况下座椅位移超过最大行程，将导致座椅与地板碰撞而也许使乘员遭受二次损伤。四个重量下座椅垂直方向的加速度（纵坐标）随时间（横坐标）变化曲线如图9和10： 图9 50kg和60kg重量下的座椅加速度变化曲线 图10 70kg和80kg重量下的座椅加速度变化曲线从图中可
13、以看出，四个重量下座椅加速度变化整体趋势基本相同，重要分为两个阶段。第一个阶段为缓冲开始后前0.3s，此时翻卷管吸能，座椅所受过载较大，过载处在200m/s2350m/s2范围内。第二个阶段为0.3s以后至缓冲结束，此阶段随着座椅位移趋近于最低点，座椅速度大大减少，翻卷管变形减慢，座椅所受过载迅速减小，趋近于零，并在这个值上下波动。但加速度过载值却是与重量成反比的，随着重量从50kg增大到80kg，最大加速度过载从330m/s2减少到250m/s2，这符合翻卷管吸能器这一吸能方式过载曲线不可调的客观现状。将四条曲线对照GJB-4234的标准可以得出，座椅加速度过载曲线所有处在安全区及轻度损伤区
14、内，缓冲效果符合规定。6 结论本文在了解人体加速度损伤机理及评估指标的基础上，以某型抗坠毁座椅为模型，通过仿真计算得到了座椅缓冲过程和翻卷管工作过程。并对四个不同乘员重量的情况进行了计算，通过比较其座椅位移及加速度变化曲线，得出座椅位移与重量成正比，加速度过载与重量成反比。虽然乘员重量大于60kg时存在二次反弹，但考虑到座椅与地板碰撞时重要缓冲过程已接近完毕，冲击能量较小，不至于引起人体的二次损伤。抗坠毁设计，是直升机设计制造的重要指标之一，不仅是军用直升机，民用直升机对这一指标的规定也越来越高。因此，我们要加强对直升机抗坠毁理论的研究，随着新技术的运用，直升机的安全可靠性会越来越高。参 考
15、文 献1 李晓波,王惠良,朱利强,赵勇翔.直升机抗坠毁座椅翻卷管工艺完善性分析J.直升机技术.2023.12 马登武,叶文,丁春全.直升机航空救生装备发展研究与设想J.航空科学技术.2023.33 杨嘉陵,吴卫华.武装直升机抗坠毁设计研究J.机械工程学报,2023.5 4 成自龙,韩延方,曾文艺,王玉兰,范景连,姜俊成.人体坐姿着陆冲击(+Gz)耐限区间的研究J.航天医学与医学工程,1997.55 刘炳坤,王宪民,王玉兰,姜世忠.不同体位着陆冲击时人体的动态响应J.航天医学与医学工程，2023.26 国耀宇,谈诚,刘炳坤,姜世忠,着陆冲击对人体影响及医学评价问题评述J.航天医学与医学工程，2023.6The Study and Simulation of Acceleration Injury of Helicopters Crashing DownCHEN Zhi-qian CHEN Jun HAN Yue-feng（Department of Flight Theory，Army Aviation Institute，Beijing 101123，China）Abstract: Crew members may experience bad injury or potential fatal danger
