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航空弹射座椅结构设计与仿真分析研究

田佳林  
【摘要】:论文针对飞行员救生安全问题,基于弹射座椅机械系统理论,结合理论研究方法、试验测试方法和数值模拟仿真方法,从航空弹射座椅全系统出发,系统研究座椅安全救生新技术。 国内外研究弹射座椅系统技术的方法主要是试验测试法、理论分析法和数值仿真法。试验方法受测试条件限制,无法获取座椅所有姿态下的技术参数。理论分析法运用力学分析方法,建立描述问题的数学方程,但理论分析在工程上往往很难得到满意的结果。数值仿真方法运用CFD能够有效解决座椅研究中存在的突出问题,现已经成为发达国家座椅系统研究的重要手段,而我国在这方面刚刚起步。 在对比、分析国内外弹射座椅系统技术特点的基础上,从飞行员安全防护出发,按照飞行员损伤程度,提出了按飞行员头颈部、心肺部和四肢的分级防护理论。分析了弹射救生过程中,弹射过载、制动过载、人椅的旋转和高速气流吹袭等因素对飞行员造成损伤的机理。给出了座椅系统的气动力学特性和影响座椅系统稳定性的因素,结合飞行员生理特点,建立了弹射救生中飞行员生理耐受指标。 建立了座椅系统坐标系,给出了坐标变化方法。针对我国某型座椅的工作基本程序,在运动模型的建立中,将运动分为出舱运动和空中自由飞行两个阶段。建模中充分考虑了出舱阶段座椅与滑轨之间的作用力问题,详细分析了自由飞行阶段座椅气动力、稳定装置作用力以及座椅稳定伞作用力,所建立的座椅系统运动模型为计算机仿真计算奠定了基础。 构建了某型座椅综合防护CAD模型,主要包括座椅骨架模型、飞行员人体模型和座椅系统模型。模型最大限度地保证了座椅和人体结构尺寸及其配套关系,很好地模拟了飞行员头部、身体以及四肢的空间位置,采用曲面建模方式,不仅保证了表面光滑,而且保证了人体主要参数的准确性。采用嵌套网格生成技术,生成了高质量、适合人椅分析的结构化网格。发展了N-S方程求解器,在求解器中,对座椅系统迎风面采用N-S方程,采用了有限体积法空间离散,双时间步长时间离散,并采用当地时间步长法进行了加速收敛;对于座椅尾流区的大分离紊流,提出的采用SA方程紊流模型的脱体涡(DES)并行计算方法明显提高了计算效率。 验证了所建立的座椅系统防护模型,模型计算结果与实测数据基本一致,仿真计算值与试验值的最大相对误差不超过10%,模型能够真实地描述座椅系统在弹射过程中的特性,为座椅的工程化研究提供了理论分析支撑。基于座椅系统CAD模型,采用数值方法分析了座椅系统结构强度,给出了人椅系统稳定的技术方法,分析了高速气流吹袭产生损伤的机理。应用数值模拟方法设计了导流板防护装置,验证了防护装置的有效性,为高速气流吹袭防护装置的优化设计奠定了基础。


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