引言

在可生存飞机坠撞事故中，航空座椅/乘员约束系统对保护乘员安全具有重要作用。与航空座椅相关的适航要求较多，仅依靠滑台冲击试验进行符合性验证，适航取证周期长，费用高。采用数值分析方法可以缩短取证周期，精确的数值分析可以部分替代试验。本文利用有限元方法建立双排航空座椅/乘员约束系统数值模型，识别不同因素对乘员头颈部损伤的影响，为航空座椅设计提供参考，为应急着陆情况下乘员保护提供建议。

论文首先建立撞击A/B区和C区的双排航空座椅有限元模型，并开展滑台冲击试验进行验证。通过比较试验与仿真分析中假人的运动姿态、假人头部重心加速度、头部HIC值、头部撞击时刻、碰撞位置以及股骨轴向载荷，验证了模型的有效性。

其次，对比了撞击椅背不同区域时乘员头颈部损伤的差异，分析了吸能装置的吸能过程与乘员头部损伤的关联机制，研究了吸能装置几何构型对乘员头部的损伤影响，在此基础上提出了一种可以减小动态冲击过程中乘员损伤的新构型。

研究背景及意义

当今的航空运输比陆地运输具备更高的安全性，通过预防措施已经将死亡率降低到陆运的2%。根据1950-2018年的事故统计，近几年商业航空发生的致命事故数不到前20年的50%。进近着陆和起飞爬升阶段发生的航空事故数目占总数目的76%，而在这些事故中若采取恰当的保护设施和方法，乘员有很大的概率生还。2013年7月6日发生的韩亚航空事故中，机上共载有307名人员，事故共造成3人死亡。分析报告表明，所有按照要求乘坐航空座椅的旅客安然无恙。美国政府机构NTSB通过事故调查发现，如果乘客使用配置约束系统的吸能座椅，可以有效避免致命和严重损伤。可见航空座椅/乘员约束系统在飞机坠撞事故中发挥着乘员保护的关键作用。

航空座椅本身需要符合的技术标准规定和装机适航要求很多，取证周期长。而目前工业方主要依靠滑台冲击试验获取关键结构的瞬态响应以及分析乘员损伤，存在着时间周期长、费用高的缺点。以巴航工业的ERJ170/190新型客舱构型开发项目为例，其中仅HIC验证项目花费在认证费用中占比达到了35%，这样的成本显然是不可接受的。而数值分析方法不仅具备较高的重复性，可以为试验结果提供支撑，而且恰当的数值分析方法还可以部分替代试验，同时利用数值模型可以预测乘员在坠撞环境下的动态响应和受伤害程度，弥补了试验研究的缺点。因此FAA、汽车工程师协会（SAE）、工业方及以威奇塔州立大学为首的科研单位同步推进运用数值分析的方法来表明航空座椅符合性，LS-DYNA的航空宇航工作团队也发布ModelingGuidelinesDocument（MGD），对仿真分析工作提供具体指导。

在飞机坠撞事故中，头颈部损伤是最常见的伤害，也是乘员最主要的致命因素之一。根据美军在1983年至2005年统计的航空事故数据，头部损伤是造成人员伤亡的主要原因，头部伤害分别占致命与非致命事故的37%、33%。头部作为人体最关键的器官，是需要被保护的首要对象。适航规章CCAR25.562(c)中指出“在头部可能触及座椅或其它构件的情况下，必须提供保护措施以使头部伤害判据(HIC：HeadInjuryCriterion)不超过1,000”。在航空座椅装机的适航验证中，与头部相关的验证项目繁多。其中需要考虑的因素包括：不同的机舱布局、座椅安装位置、乘员体型等。

而颈部作为与头部直接连接的器官，构造复杂，其损伤状况与头部的运动姿态相关联。在上述事故统计中，颈部伤害分别占致命与非致命事故的6%、4%。因此，FAA持续推动颈部损伤判据的研究，并借鉴汽车领域相关标准，将其应用到航空颈部损伤判据的制定中。美国汽车安全技术法规FMVSS208中采用Nij准则来评估乘员颈部损伤，限定普通乘员的4类颈部损伤Nij值都必须小于1，该值等同于22%的概率造成伤害等级AIS3。事实上，大型民机制造商例如波音公司也明确要求座椅供应商评估颈部的损伤。因此，若要综合评估乘员损伤情况，必须将颈部损伤考虑在内。

采用数值分析的方法，进行水平冲击下后排乘员头颈部损伤研究可以增快航空座椅研发和交付进程。本文利用LS-DYNA建立双排航空座椅有限元模型，揭示乘员各类损伤的动力学原理，识别影响乘员头颈部损伤的关键影响因素，推动航空座椅的适航取证，为座椅的设计提供参考，为乘员保护提供最佳建议。

航空座椅动态冲击试验适航要求及符合性

1986年7月，FAA发布NPRM86-11通告，要求提高应急着陆条件下民用飞机对乘员的保护等级，将航空座椅的最低性能标准由9g静态标准提升为9g静态和16g动态。FAA通过分析各类航空事故和试验数据后，在1988年以修正案25-64的形式发布FAR25.561和新增25.562条款。FAA在1992年3月，正式颁布最低性能标准TSO-C127《旋翼航空器和运输类飞机座椅系统》，其中引用了SAEAS8049《民用旋翼航空器和运输类飞机座椅的性能标准》。1998年8月，FAA颁布TSO-C127a来替代TSO-C127，其中新增添了正常类和实用类两种类别航空座椅，并且提出了HIC试验的简化程序，对座椅滑台冲击试验当中的设置与试验需求更详细的要求说明。2014年6月，FAA颁布TSO-C127b替代TSO-C127a，对航空座椅乘员约束系统的适用范围进行修订，将正常类和实用类飞机更新为小飞机，引用SAEAS8049B和SAEARP5526C《航空座椅设计指导与说明》，重新定义座椅系统分类及编号原则。

1990年3月，FAA颁布了AC25.562-1《运输类飞机座椅约束系统和乘员保护的动态评估》作为动态全尺寸滑台试验的标准程序为工业方提供指导。1996年1月，FAA颁布AC25.562-1A替代老版的AC25.562-1。2006年1月，FAA撤消了AC25.562-1A，并发布了AC25.562-1B。2015年9月，撤消了AC25.562-1B，发布了AC25.562-1BCHG1，明确了对包含上躯干约束系统和气囊的座椅的适用性，指出申请人应该考虑的偏航角范围，同时增加了对头排座椅的指导材料。

1990年7月FAA正式颁布了协同SAE的座椅委员会共同制定的SAEAS8049《民用旋翼航空器和运输类飞机座椅的性能标准》，明确说明滑台试验方法和步骤。1997年9月，SAE颁布SAEAS8049A增加了动态试验判据要求和更新了脉冲波形评估方法。2005年1月颁布SAEAS8049B提出了四种测量座椅参考点的方法、扩展了座椅系统上质量项目的静态试验要求。并陆续于2015年8月颁布SAEAS8049C，2020年11月颁布SAEAS8049D，其中D版中对颈部损伤的载荷和力矩方向进行了规定，对颈部损伤类型进行了明确说明。

头部损伤机理及判据

造成头部损伤的机理分为两类：接触损伤机理和惯性损伤机理。第一类，接触损伤机理分为局部接触损伤和远隔接触损伤。局部接触损伤包括头皮损伤、颅骨骨折、硬膜外血肿和直达性挫伤。其中颅骨骨折由力的大小、分布面积以及接触到的局部颅骨厚度共同决定。而远隔接触损伤包括远离接触位置部位的颅盖骨骨折、颅底骨骨折以及对冲性损伤。当碰撞发生点的颅骨厚度大（或碰撞面部），即使骨头的局部载荷低于破坏水平也会被传至脑颅和颅底，当应力超过极限强度时就会发生远隔骨折。第二类，惯性损伤机理分两种情况讨论。当头部受到平移加速度的作用会导致脑挫伤和脑内血肿，而当产生角加速度时会容易诱发局灶性脑损伤和弥漫性脑损伤。

基于航空座椅/约束系统的乘员损伤研究

航空座椅/乘员约束系统航空座椅、安全带及其零部件、乘员视为相互关联的整体。就假人而言，通用汽车公司对HybridII且的颈部、胸部、膝部等进行大量改进，开发出了更接近人体特性的混合III型假人HybridIII，其可安装的数据采集通道可根据需要多达100个以上。以HybridIII型假人为基础开发出FAAHybridIII型假人，其最主要的更改是将HybridIII型假人的弯曲腰椎替换为HybridII型假人的直立腰椎，该假人被广泛应用于航空领域的座椅滑台冲击和坠撞试验。经过对比，HybridIII50th百分位男性数值假人模型与FAAHybridIII50th百分位数值假人在水平冲击下的各项响应具有较好一致性。

航空座椅建模与乘员头颈部损伤研究

2013年FAA的报告AR-11/24提供了HybridII和FAAHybridIII的实体假人的规格以及校准程序，为开发精确模型提供建模指南，确定了评估试验和模型相关性的标准和程序。PipkornB分析了2000年到2015年NASS/CDS(国家机动车抽样系统/耐撞数据系统)碰撞事故中最常见的伤害，统计结果表明需要着重关注乘员头部、胸部和下肢的损伤。2008年，BhongeP从座椅系统的有限元建模、材料试验、边界条件和输出四个方面介绍了飞机座椅有限元建模策略，为座椅系统建模提供指导。QiuJ等人利用LS-dyna和MADYMO建立耦合模型，研究轿车正面碰撞下不同碰撞速度、气囊展开时间和是否佩戴安全带等因素对乘员损伤的影响。

2018年M.Guida等人使用Matlab建立了多体座椅结构，建立的头排HIC模型与实验符合性较高。E-JuneChen.利用LS-DYNA建立起经过试验验证的排与排座椅/乘员约束系统模型，得到排距为37英寸和29英寸时的HIC值，表明了HIC的可预测性。VenkateshappaH在Mscpatran中建立蜂窝板与MADYMO中的假人和座椅模型进行耦合，研究了不同的边界条件、不同材料的安全带、不同的座椅间距、不同的蜂窝板厚度对头部损伤产生的影响。PrabhuG通过改变舱壁的刚度、假人与椅盆和靠背之间的摩擦系数、座椅安全带的刚度和座椅间距来进行参数研究，结果表明HIC值与舱壁的刚度成正比，尼龙安全带比聚酯安全带的延展性更大。

GulavaniO建立一个向下施加8.6g静态载荷的三联座椅模型，通过质量缩放和时间缩放极大的减少了在LS-DYNA中的计算时间，仿证与试验的结果有较好的相关性。王骁正等人研究发现对于双排座椅，随着排距增大撞击到前排座椅椅背的速度和加速度更大，HIC值也变大。但排距增大到一定程度之后，撞击椅背的速度和加速度变小，HIC值小于1000的可能性变大。但没有分析座椅椅背功能件结构（椅背餐桌、扶手等装置及其零部件）对头部损伤的影响。王强等人基于有限元软件LS-DYNA对组合式吸能器的吸能过程进行静态和动态的数值仿真，并提取数据简化为弹簧模型，加载到假人直升机座椅/约束系统的有限元模型中，校核在不同重量乘员情况下座椅结构强度是否满足要求。

王海菠针对一种系列嵌套圆环系统的能量吸收特性进行了理论、仿真和实验研究，并将其运用到航空座椅上，建立乘员和吸能结构座椅模型，计算结果表明此系统可以有效地对乘员腰椎进行安全防护。2021年1月由日本丰田公司开发的Thums假人公开免费化使用。此类型假人具备精密的脑组织、内脏、肌肉模型，已经在汽车行业得到广泛使用，能够精确模拟乘员的损伤，是目前世界上最先进的假人模型。

贾子校等人在假人的头颈部连接处安装颈部六分量传感器测量颈部载荷，设计和制造头部角速度传感器安装块可以测量头部旋转角度。通过真实试验验证表明此乘员颈部损伤测试方式的可行性。2007年湖南大学的肖志将HybridIII假人和BioRIDII假人在汽车后碰撞中的动力学响应进行对比分析，对比发现BioRIDII假人的脊柱结构更有生物逼真度。

再建立由HBM-neck颈部和BioRIDII假人、汽车座椅、安全带组成的有限元模型分析颈部的生物力学响应和损伤机理，研究了头枕距离和高度、靠背刚度、调角器刚度、碰撞加速度和速度对颈部损伤的影响。2015年，民用航空医学协会(CAMI)的AmandaM.Taylor等人进行了17次全尺寸滑台试验评估乘员的保护姿势对头颈部以及上下肢的损伤，在双排座椅碰撞试验中采用了三种不同类型的椅背座椅：锁定式椅背、完全可折式椅背、吸能过度式椅背，分别研究不同乘员保护姿势下的伤害情况。但未针对座椅椅背本身的吸能机理展开分析。

FAA在2017年的试验报告中对乘员在碰撞壁板、双排座椅碰撞、侧面座椅碰撞等工况中头颈部损伤状况开展试验研究。结果表明：在大多数前向座椅碰撞工况中发现，只要保护好头部，颈部也将得到保护，因而颈部损伤也没有划分为重大风险的损伤方式。然而随着考虑因素更为细致的试验展开，测试结果表明如果乘员的下巴在撞击过程中挂在小桌板或者座椅其他组件上，颈部损伤就是重大风险的损伤。而且在侧面碰撞中，颈部损伤通常会超出损伤极限，需要重点考虑颈部防护。

总结

航空座椅的适航取证项目较多，发展有限元建模方法为试验验证提供支撑，并且可以部分代替试验，为航空座椅的设计和设计更改提供依据，为航空座椅的符合性验证提供参考。