火箭弹射座椅椅盆侧板在1100km/h速度气动载荷下的安全性研究

摘 要：以火箭弹射座椅侧板为研究对象，研究不同外形的侧板在座椅弹射出舱后承受高速气流吹袭的能力，评估侧板及其连接件的安全性。这种研究方法可在同类型弹射座椅上推广应用。

关键词：侧板；气动载荷；仿真

火箭弹射座椅自诞生半个多世纪以来，其发展是多种多样的，尽管座椅的结构形式、性能水平各有差异，但其基本组成大同小异。就其结构而言，一般由头靠、骨架、靠背和椅盆组成。其中椅盆包含左右两侧侧板、前梁、后梁、上梁等部件，它为乘员提供座位，并为操纵系统提供安装位置。目前，大多数椅盆都是采用高强度铝合金钣材的铆接结构。在弹射座椅的使用过程中，椅盆需承受各种载荷，如机动飞行状态乘员的惯性载荷以及弹射出舱时的气动载荷，其设计应具有足够的强度和刚度。

1. 问题的来源

C型火箭弹射座椅在1100km/h速度试验中，座椅在出舱后出现侧板向椅盆外侧大变形，进而与座椅主体分离的现象。通过对试验现象的分析，设计师系统判断侧板受到较大气动载荷是导致连接侧板的螺钉、螺栓断裂进而侧板与座椅主体分离的原因。鉴于A型、B型及C型火箭弹射座椅最大安全救生速度相同，椅盆结构相似，为保证座椅救生安全可靠，需要对上述3种型号火箭弹射座椅在不同状态的计算气动载荷（含侧板、乘员腿部）作用下，连接侧板与椅盆前梁的螺钉、螺栓以及侧板的受力情况进行仿真研究，评估3种型号座椅侧板安全情况，并对加强后的座椅侧板强度作进一步分析。

2. 有限元仿真

2.1 有限元模型的建立

首先采用CATIA软件建立A型、B型及C型座椅侧板的几何模型（分别如图1～图3所示），在此基础上，根据有限元模型建立原则☿，加以适当简化，并采用四面体单元对座椅侧板进行网格化建立有限元模型，再加入相应的载荷、约束条件，最后通过MSC.Nastran软件进行有限元仿真计算。

2.2 材料

A型、B型、C型座椅侧板材料均为7A04，屈服极限σs=410MPa，强度极限σb1=490MPa。

2.3 座椅侧板在1100km/h速度条件下的气动载荷

2.4 仿真分析策略

根据气动分析结果，侧板受到的气动合力作用在侧板前端。在该载荷作用下，连接侧板与前梁的M5螺钉、螺栓主要受拉力。M5螺钉、螺栓（30CrMnSiA）的破坏拉力为14500N。当气动载荷超过一定值（结构失效载荷），将首先导致最前端的螺钉断裂；根据力学原理，一旦最前端螺钉断裂，后面的螺栓将逐个失效，进而侧板连接铆钉断裂，并最。终导致侧板在结构薄弱处失效，从而使侧板与座椅主体分离。如何得出这一定值，是仿真分析的关键。为此采用以下分析策略。

判断准则：连接侧板与前梁的最前端螺钉刚达到其破坏拉力时的气动载荷为结构失效载荷。

结构失效载荷寻找方法：

第一步：以初始载荷（P0）100N为基点，对连接侧板与前梁的螺钉、螺栓处的支反力情况进行仿真分析。

第二步：若侧板螺钉处支反力大于螺钉的破坏拉力，则载荷以10N的幅度逐步向下递减进行计算，当载荷为（P0-10×n）N时的侧板螺钉处支反力大于螺钉的破坏拉力而当载荷为[P0-10×（n+1）]N时的侧板螺钉处支反力小于螺钉的破坏拉力，则以[P0-10×（n+1）]N为基点，以1N的幅度逐步向上递增进行计算，直到侧板螺钉处支反力达到螺钉的破坏拉力，这时的气动载荷为结构失效载荷。

若侧板螺钉处支反力小于螺钉的破坏拉力，则载荷以10N的幅度逐步向上递增进行计算，当载荷为（P0+10×nป）N时的侧板螺钉处支反力小于螺钉的破坏拉力而当载荷为[P0+10×（n+1）]N时的侧板螺钉处支反力大于螺钉的破坏拉力，则以（P0+10×n）N为基点，以1N的幅度逐步向上递增进行计算，直到侧板螺钉处支反力达到螺钉的破坏拉力，这时的气动载荷为结构失效载荷。

3. 仿真结果

3.1 座椅侧板在1100km/h速度条件下的结构失效载荷及安全情况

计算得到A型、B型、C型座椅在不同受力状态下的结构失效载荷见表2。

侧板受到气动载荷作用，当侧板气动载荷小于结构失效载荷时，螺钉不会断裂，侧板处于安全状态；当侧板气动载荷达到结构失效载荷时，连接侧板与椅盆前梁的最前端螺钉断裂，使得连接侧板与椅盆前梁的螺栓逐个失效，最终导致侧板与座椅分离，侧板处于不安全状态。将各受力状态下A型、B型、C型座椅气动载荷与结构失效载荷进行比较后得到座椅侧板的安全性，具体见表2。

3.2 侧板应力

当座椅侧板气动载荷达到结构失效载荷时的A型、B型、C型座椅侧板应力图分别如图4～图6所示，最前端的螺钉孔周侧板应力最大为410MPa，侧板材料发生屈服。

3.3 加强侧板

3.3.1 加强方案

鉴于座椅弹射出舱过程中，高速气流的吹袭有可能会使乘员腿部碰触侧板，为了保证在1100km/h速度条件、侧板自身气动载荷加上全部腿部气动载荷下的侧板安全性满足要求，必须对A型、B型、C型座椅侧板进行加强：增加侧板加强块，改变侧板载荷传载路线，降低连接侧板与椅盆前梁的螺钉（螺栓）的载荷。A型、B型、C型座椅加强后的侧板结构模型分别如图7～图9所示。

3.3.2 加强后的侧板强度及加强块强度

在1100km/h速度条件、侧板自身气动载荷加上全部腿部气动载荷下的A型、B型、C型座椅加强后的侧板及加强块应力见表3，应力图分别如图10～图15所示。

加强块的材料均为7A04，强度极限σb1=490MPa。A型、B型、C型座椅加强后的侧板及加强块的最大应力均小于材料的强度极限，强度足够。

3.3.3 连接螺栓强度

根据以上计算得到A型、B型、C型座椅连接螺栓的载荷。连接螺钉、螺栓材料均为30CrMnSiA，强度极限σb2=1080MPa。经过计算，3种型号座椅的连接螺栓均满足强度要求，安全性得到保证。

结论

综上所述，得到以下结论：

（a）A型、B型、C型座椅侧板受到自身气动载荷作用及自身气动载荷加上1/3乘员腿部气动载荷下的强度足够，处于安全状态；当侧板受自身气动载荷加上全部腿部气动载荷作用时，连接侧板与前梁的最前端螺钉断裂，侧板处于不安全状态。

（b）为保证座椅救生安全可靠，对A型、B型、C型座椅侧板进行加强设计。经分析，A型、B型、C型座椅加强后的侧板、加强块及连接件的强度均足够，满足安全性要求。

参考文献

[1]吴晓君， 冯光辉， 张岩.ธ 基于姿态火箭的弹射座椅轨迹控制技术研究[J]. 舰船电子工程，2015（11）：133-136.