假人空投试验六分量天平研究

摘要：依据救生伞假人空投试验中六分量应变天平的工作条件与载荷特点，确定了天平的设计载荷并完成了结构设计。针对实际应用中天平各种极限载荷情况，计算了天平各弹性元件的安全系数。对天平应力场进行了有限元分析，获取了天平整体应力分布状况。进一步对传统计算结果进行了验证，为天平结构设计提供了理论依据。

关键词：空投试验；六分量天平；安全系数；有限元分析

中图分类号：V215.1

文献标志码：A

文章编号：1005-2615（2015）01-0167-06

航空救生装备不仅要满足现代飞机日益提高的战术性能和防护救生要求，而且还必须符合人体的生理耐限。因此，救生伞类产品的研制，需要进行大量假人空投试验来确定救生系统的制动性能。而假人在空投过程中的飞行姿态影响真实的开伞过载，为了准确掌握假人在空投试验中的过载，本文研制一套与空投试验相匹配的动态测力系统，通过对伞绳连接处力与力矩的测量，来了解假人在任意姿态下救生伞的丌伞力情况。

国内相关机构曾采用长方形截面柱体作为单分量力传感器，测量救生伞张开瞬间产生的拉力，但无法掌握开伞力的全力信息。六分量应变天平作为直接感应和测量作用在模上力和力矩的高精度测量装置，在试验中的作用显而易见，然而，与常规货运精确空投过程中对姿态要求不同（即与常规天平不同），由于假人飞姿态的不确定性及假人安装空间的限制，该六分量天平可能在严重超载的情况下工作，天平住校准以及实际工作过程中有断裂的危险。国内在救生系统大迎角大侧滑角天平研制过程中，仅校核了天平在设计载荷情况下的结构强度。本文通过分析假人各种极限姿态下的载荷特点、假人安装空间、伞绳连接位置等，首次将六分量天平应用于假人空投试验，对天平进行了结构设计，并校核其强度。同时结合有限元分析，准确掌握危险截面及弹性元件在各种极限载荷下的应力分布，为天平的研制提供理论依据。

1 天平载荷情况分析

如图l所示，救生伞的两根伞绳通过连接架分别与安装于假人左右肩的天平前锥连接，天平后锥固结于假人背板。根据以往空投试验结果，开伞瞬间最大载荷约为25 kN，故单根伞绳最大瞬间载荷取15 kN。而假人下落过程中，由于假人质心不在其几何中心.受气动力及重力的影响，其轴向、侧向载荷不可能达到此最大值，同时考虑天平在假人腔内的安装空间，最终确定天平3个方向力的极限载荷为：Fx=10 kN.Fy=15 kN，Fz=10 kN。

如图1所示，伞绳对假人的载荷实际作用点为O，天平中心为Ot，当3个方向的力作用时，考虑到天平在假人腔内的安装位置、伞绳对天平的力作用点等因素的影响，确定该六分量天平的设汁载荷为：Fx=5 000 N，Fy=7 500 N，Fz=5 000 N，Mx =430 N.m，My=525 N.m，Mz =860 N.m.

2 天平结构设计

考虑天平在工作过程中，其前锥通过连接架与伞绳连接、后锥与假人背板连接，前锥、后锥的锥度均取1：5；根据假人实际工作要求，天平系统安装后假人质心与其脚底距离应为身体总长的45%～47%，同时兼顾假人腔体尺寸（厚度130 mm）、天平与假人的连接尺寸以及天平刚度、强度等综合因素，最终确定天平的外径为φ55 mm，总长为213 mm。

类似传统的杆式六分量应变天平，将易受干扰的阻力测量元件独立设计布置在天平设计中心，关于天平对称面对称；将用于测量模型的升力、侧向力、俯仰力矩、偏航力矩4个分量的组合单元，即矩形截面梁对称布置在天平前后，尽量减小对阻力元件的干扰。此4个分量利用梁的“S”弯变形，梁在相应载荷作用下产生的应变输出按式（1）计算

式中：Fi为分量载荷（广义载荷）；Li为各分量对应载荷下的力臂；bi为各分量相应梁的宽度；hi为各分量相应梁的厚度；E为材料弹性模量。

为了有较大的应变输出，滚转力矩的测量由天平模型端矩形截面梁两侧的勾头梁完成，计算公式为

式中：Mx为滚转力矩；G为剪切弹性模量；H为矩形截面梁高度；B为矩形截面梁高度；l为勾头长度；p为勾头中心与矩形梁中心的径向距离；L为矩形截面梁长度；E为材料弹性模量；b为勾头宽度；h为勾头厚度。

确定天平结构尺寸时，应使各分量有相近的灵敏度，并综合考虑结构与强度等因素。天平实物如图2所示。

3 安全系数计算

根据规定，救生伞打开瞬间冲击允许值应低于25g（g为重力加速度），否则会危害飞行员人身安全.然而空投试验时，最大过载有时大于此值。研究人员分析发现，假人在救生伞张开瞬间的飞行姿态是导致上述情况的主要原因。在以下3种极限姿态下，假人将承受极限载荷，即：（1）假人身体与伞绳平行，此时法向力为极限载荷；（2）假人身体与伞绳垂直，且侧卧，此时侧向力为极限载荷；（3）假人身体与伞绳垂直，且仰卧，此时轴向力为极限载荷。本文将分别对上述情况进行天平强度校核，并与设计载荷情况进行比较。

3.2 法向力最大情况

救生伞打开瞬间，如果伞绳牵引方向与假人平行，天平将承受最大法向力。此时Fy=15 000 N，将力作用点移至天平中心，产生滚转力矩与俯仰力矩，Mx=360 N.m，Mz=1 215 N.m，其余分量为零。

根据式（3～6），对于天平轴向力元件，测量片和支撑片安全系数分别为n1=38.31，n2=24.33。根据式（7-12），天平矩形截面梁安令系数为n3=6. 19。

3.3 侧向力最大情况

救生伞打开瞬间，如果伞绳牵引方向与假人侧面平行，天平将承受最大侧向力。此时Fz=10 000 N，将力作用点移至天平几何中心，产生滚转力矩与偏航力矩，Mx=500 N.m，Mz=810 N.m.其余分量为零。

根据式（3～6）.对于天平轴向力元件，测量片和支撑片安全系数分别为n1=21. 53，n2=12. 39。根据式（7～12）.天平矩形截面梁安全系数n3=6.21。

3.4 轴向力最大情况

救生伞打开瞬间，如果伞绳牵引方向与假人正面平行.人平将承受最大轴向力。此时取Fx=10 000N.将力作用点移至天平几何中心，产生俯仰力矩与偏航力矩.My= 240 N.m，Mz=500N.m，其余分量为零。

根据式（3～6）.对于天平轴向力元件，测量片和支撑片安全系数分别为n1=10. 59，n2=11. 48。根据式（7～12）.天平矩形截面梁安全系数n3=16.19。

3.5 勾头梁强度校核

勾头梁布置于矩形截面梁两侧，如图5所示，其刚度远小于矩形截面梁，因此除滚转力矩以外的其他j个分量对勾头梁影响可忽略不计。经过计算，横向力最大时，经坐标变换后产生的滚转力矩最大。其设计参数为：l=19 mm，b=4.6 mm，h=2.4 mm，p=22 mm。此时，滚转力矩载荷Mx=500N.m.每个勾头梁所承受载荷为Mx1=47.9 N.m.根据第一强度理论

4 天平的有限元分析

传统校核计算方法有一定局限性，虽然获取了各弹性元件的安全系数，但天平整体应力分布及危险截面应力梯度变化仍然未知。引入有限元分析，可获取天平在任意载荷状态下最大应力值及其所在部位，为强度校核提供更有力的理论保障。

应用Abaqus软件对天平进行应力分析，天平参数模型如图6所示。

采用二次缩减积分方法进行模型的单元网格化分。天平工作时后端与假人背部固定.前端通过伞绳连接架与伞绳相连，因此分别设置轴向旋转自由度约束和全自由度固定约束于天平首尾两端.使天平成超静定梁方式固定。另外，六个自由度载荷都要通过伞绳连接架传递到天平，利用多点约束添加虚拟刚体的方法来模拟载荷传递。天平材料为沉淀硬化不锈钢17-4PH时效处理，确定弹性模量为E=2.07×10 11Pa，泊松比μ=0.3。创建4个工况（1个3分量载荷工况和3个单分量载荷工况），对设计载荷、法向力载荷超载、横向力载荷超载、轴向力载荷超载4种天平工作情况进行强度校核。

根据第四强度理论，设计载荷作用于天平时，冯米斯应力结果云图如图7（a）所示.出现了多个应力集中截面，其中应力最大点位于天平主体框边缘，应力值为304.5 MPa.安全系数为4.60。同样，图7（b～d）分别为法向力超载、横向力超载、轴向力超载情况下天平应力云图。最大应力值分别为289.9，267.3，103.4 MPa，安全系数分别为4.83，5. 24 ，13. 54。

传统计算方法与有限元方法得出的安全系数对比结果如表1所示，可以看出，由于条件假设以及模型简化等原因，两种方法得出的结果有所不同，但均在安全范围之内，符合设计要求。

5 结束语

本文在充分考虑了天平与假人连接方式、天平假人系统的重量与重心、天平在假人空投试验中各种超载工作情况后，对天平进行了结构设计、强度校核，通过传统材料力学方法及有限元方法掌握了天平元件在4种工作情况下的安全系数与应力分布，确保天平在假人空投试验中安全、可靠。