韓圓珍 周 昊 李磊子

（航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003）

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火箭彈射座椅椅盆側(cè)板在1100km/h速度氣動(dòng)載荷下的安全性研究

韓圓珍 周 昊 李磊子

（航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003）

摘 要：以火箭彈射座椅側(cè)板為研究對(duì)象，研究不同外形的側(cè)板在座椅彈射出艙后承受高速氣流吹襲的能力，評(píng)估側(cè)板及其連接件的安全性。這種研究方法可在同類型彈射座椅上推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：側(cè)板；氣動(dòng)載荷；仿真

0. 前言

火箭彈射座椅自誕生半個(gè)多世紀(jì)以來，其發(fā)展是多種多樣的，盡管座椅的結(jié)構(gòu)形式、性能水平各有差異，但其基本組成大同小異。就其結(jié)構(gòu)而言，一般由頭靠、骨架、靠背和椅盆組成。其中椅盆包含左右兩側(cè)側(cè)板、前梁、后梁、上梁等部件，它為乘員提供座位，并為操縱系統(tǒng)提供安裝位置。目前，大多數(shù)椅盆都是采用高強(qiáng)度鋁合金鈑材的鉚接結(jié)構(gòu)。在彈射座椅的使用過程中，椅盆需承受各種載荷，如機(jī)動(dòng)飛行狀態(tài)乘員的慣性載荷以及彈射出艙時(shí)的氣動(dòng)載荷，其設(shè)計(jì)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

1. 問題的來源

C型火箭彈射座椅在1100km/h速度試驗(yàn)中，座椅在出艙后出現(xiàn)側(cè)板向椅盆外側(cè)大變形，進(jìn)而與座椅主體分離的現(xiàn)象。通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的分析，設(shè)計(jì)師系統(tǒng)判斷側(cè)板受到較大氣動(dòng)載荷是導(dǎo)致連接側(cè)板的螺釘、螺栓斷裂進(jìn)而側(cè)板與座椅主體分離的原因。鑒于A型、B型及C型火箭彈射座椅最大安全救生速度相同，椅盆結(jié)構(gòu)相似，為保證座椅救生安全可靠，需要對(duì)上述3種型號(hào)火箭彈射座椅在不同狀態(tài)的計(jì)算氣動(dòng)載荷（含側(cè)板、乘員腿部）作用下，連接側(cè)板與椅盆前梁的螺釘、螺栓以及側(cè)板的受力情況進(jìn)行仿真研究，評(píng)估3種型號(hào)座椅側(cè)板安全情況，并對(duì)加強(qiáng)后的座椅側(cè)板強(qiáng)度作進(jìn)一步分析。

2. 有限元仿真

2.1 有限元模型的建立

首先采用CATIA軟件建立A型、B型及C型座椅側(cè)板的幾何模型（分別如圖1～圖3所示），在此基礎(chǔ)上，根據(jù)有限元模型建立原則，加以適當(dāng)簡化，并采用四面體單元對(duì)座椅側(cè)板進(jìn)行網(wǎng)格化建立有限元模型，再加入相應(yīng)的載荷、約束條件，最后通過MSC.Nastran軟件進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。

表1座椅側(cè)板計(jì)算氣動(dòng)載荷

2.2 材料

A型、B型、C型座椅側(cè)板材料均為7A04，屈服極限σs=410MPa，強(qiáng)度極限σb1=490MPa。

2.3 座椅側(cè)板在1100km/h速度條件下的氣動(dòng)載荷

根據(jù)氣動(dòng)分析得到的A型、B型、C型座椅側(cè)板在3種受力狀態(tài)下的計(jì)算氣動(dòng)載荷見表1。

2.4 仿真分析策略

根據(jù)氣動(dòng)分析結(jié)果，側(cè)板受到的氣動(dòng)合力作用在側(cè)板前端。在該載荷作用下，連接側(cè)板與前梁的M5螺釘、螺栓主要受拉力。M5螺釘、螺栓（30CrMnSiA）的破壞拉力為14500N。當(dāng)氣動(dòng)載荷超過一定值（結(jié)構(gòu)失效載荷），將首先導(dǎo)致最前端的螺釘斷裂；根據(jù)力學(xué)原理，一旦最前端螺釘斷裂，后面的螺栓將逐個(gè)失效，進(jìn)而側(cè)板連接鉚釘斷裂，并最終導(dǎo)致側(cè)板在結(jié)構(gòu)薄弱處失效，從而使側(cè)板與座椅主體分離。如何得出這一定值，是仿真分析的關(guān)鍵。為此采用以下分析策略。

判斷準(zhǔn)則：連接側(cè)板與前梁的最前端螺釘剛達(dá)到其破壞拉力時(shí)的氣動(dòng)載荷為結(jié)構(gòu)失效載荷。

結(jié)構(gòu)失效載荷尋找方法：

第一步：以初始載荷（P0）100N為基點(diǎn)，對(duì)連接側(cè)板與前梁的螺釘、螺栓處的支反力情況進(jìn)行仿真分析。

第二步：若側(cè)板螺釘處支反力大于螺釘?shù)钠茐睦?，則載荷以10N的幅度逐步向下遞減進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)載荷為（P0-10×n）N時(shí)的側(cè)板螺釘處支反力大于螺釘?shù)钠茐睦Χ?dāng)載荷為［P0-10×（n+1）］N時(shí)的側(cè)板螺釘處支反力小于螺釘?shù)钠茐睦?，則以［P0-10×（n+1）］N為基點(diǎn)，以1N的幅度逐步向上遞增進(jìn)行計(jì)算，直到側(cè)板螺釘處支反力達(dá)到螺釘?shù)钠茐睦Γ@時(shí)的氣動(dòng)載荷為結(jié)構(gòu)失效載荷。

若側(cè)板螺釘處支反力小于螺釘?shù)钠茐睦?，則載荷以10N的幅度逐步向上遞增進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)載荷為（P0+10×n）N時(shí)的側(cè)板螺釘處支反力小于螺釘?shù)钠茐睦Χ?dāng)載荷為［P0+10×（n+1）］N時(shí)的側(cè)板螺釘處支反力大于螺釘?shù)钠茐睦?，則以（P0+10×n）N為基點(diǎn)，以1N的幅度逐步向上遞增進(jìn)行計(jì)算，直到側(cè)板螺釘處支反力達(dá)到螺釘?shù)钠茐睦?，這時(shí)的氣動(dòng)載荷為結(jié)構(gòu)失效載荷。

3. 仿真結(jié)果

3.1 座椅側(cè)板在1100km/h速度條件下的結(jié)構(gòu)失效載荷及安全情況

計(jì)算得到A型、B型、C型座椅在不同受力狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)失效載荷見表2。

側(cè)板受到氣動(dòng)載荷作用，當(dāng)側(cè)板氣動(dòng)載荷小于結(jié)構(gòu)失效載荷時(shí)，螺釘不會(huì)斷裂，側(cè)板處于安全狀態(tài)；當(dāng)側(cè)板氣動(dòng)載荷達(dá)到結(jié)構(gòu)失效載荷時(shí)，連接側(cè)板與椅盆前梁的最前端螺釘斷裂，使得連接側(cè)板與椅盆前梁的螺栓逐個(gè)失效，最終導(dǎo)致側(cè)板與座椅分離，側(cè)板處于不安全狀態(tài)。將各受力狀態(tài)下A型、B型、C型座椅氣動(dòng)載荷與結(jié)構(gòu)失效載荷進(jìn)行比較后得到座椅側(cè)板的安全性，具體見表2。

3.2 側(cè)板應(yīng)力

當(dāng)座椅側(cè)板氣動(dòng)載荷達(dá)到結(jié)構(gòu)失效載荷時(shí)的A型、B型、C型座椅側(cè)板應(yīng)力圖分別如圖4～圖6所示，最前端的螺釘孔周側(cè)板應(yīng)力最大為410MPa，側(cè)板材料發(fā)生屈服。

表2側(cè)板結(jié)構(gòu)失效載荷及其安全性

3.3 加強(qiáng)側(cè)板

3.3.1 加強(qiáng)方案

鑒于座椅彈射出艙過程中，高速氣流的吹襲有可能會(huì)使乘員腿部碰觸側(cè)板，為了保證在1100km/h速度條件、側(cè)板自身氣動(dòng)載荷加上全部腿部氣動(dòng)載荷下的側(cè)板安全性滿足要求，必須對(duì)A型、B型、C型座椅側(cè)板進(jìn)行加強(qiáng)：增加側(cè)板加強(qiáng)塊，改變側(cè)板載荷傳載路線，降低連接側(cè)板與椅盆前梁的螺釘（螺栓）的載荷。A型、B型、C型座椅加強(qiáng)后的側(cè)板結(jié)構(gòu)模型分別如圖7～圖9所示。

表3加強(qiáng)后的側(cè)板及加強(qiáng)塊應(yīng)力

3.3.2 加強(qiáng)后的側(cè)板強(qiáng)度及加強(qiáng)塊強(qiáng)度

在1100km/h速度條件、側(cè)板自身氣動(dòng)載荷加上全部腿部氣動(dòng)載荷下的A型、B型、C型座椅加強(qiáng)后的側(cè)板及加強(qiáng)塊應(yīng)力見表3，應(yīng)力圖分別如圖10～圖15所示。

加強(qiáng)塊的材料均為7A04，強(qiáng)度極限σb1=490MPa。A型、B型、C型座椅加強(qiáng)后的側(cè)板及加強(qiáng)塊的最大應(yīng)力均小于材料的強(qiáng)度極限，強(qiáng)度足夠。

3.3.3 連接螺栓強(qiáng)度

根據(jù)以上計(jì)算得到A型、B型、C型座椅連接螺栓的載荷。連接螺釘、螺栓材料均為30CrMnSiA，強(qiáng)度極限σb2=1080MPa。經(jīng)過計(jì)算，3種型號(hào)座椅的連接螺栓均滿足強(qiáng)度要求，安全性得到保證。

結(jié)論

綜上所述，得到以下結(jié)論：

（a）A型、B型、C型座椅側(cè)板受到自身氣動(dòng)載荷作用及自身氣動(dòng)載荷加上1/3乘員腿部氣動(dòng)載荷下的強(qiáng)度足夠，處于安全狀態(tài)；當(dāng)側(cè)板受自身氣動(dòng)載荷加上全部腿部氣動(dòng)載荷作用時(shí)，連接側(cè)板與前梁的最前端螺釘斷裂，側(cè)板處于不安全狀態(tài)。

（b）為保證座椅救生安全可靠，對(duì)A型、B型、C型座椅側(cè)板進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。經(jīng)分析，A型、B型、C型座椅加強(qiáng)后的側(cè)板、加強(qiáng)塊及連接件的強(qiáng)度均足夠，滿足安全性要求。

參考文獻(xiàn)

［1］吳曉君， 馮光輝， 張巖. 基于姿態(tài)火箭的彈射座椅軌跡控制技術(shù)研究［J］. 艦船電子工程，2015（11）：133-136.

中圖分類號(hào)：V244

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A