|
Adams是世界上使用最广泛的多体动力学和运动分析软件。Adams帮助工程师研究机械系统中移动部件的动力学及负荷和力的分布情况，并改进和优化产品。本文介绍了使用多体仿真软件MSC Adams研发了一个弹射座椅模型，并应用Adams完成模拟弹射座椅复杂物理运动分析。
弹射座椅在外部条件如海拔高度、飞行作动轨迹、风力条件、飞行员重量等在剧烈变化时都必需处于良好的工作状态，与此同时还必需要考虑制造公差的影响。毫无疑问，物理测试在设计弹射座椅时发挥着至关重要的作用，但是由于时间、成本和安全方面的限制，使接受测试的情况比可能出现的弹射情况少得多。印地安纳总部马里兰海军水面作战中心（NSWC）和佛罗里达Patrick空军基地第45空军翼队的分析专家已经使用多体仿真软件MSC Adams研发了一个弹射座椅模型。在联合部队研发模型的头5年中，Adams是用来完成模拟弹射座椅复杂物理运动的第一个专业动力学软件。 （图片） “Adams模型提高了我们对弹射座椅部署的理解，”第45空军翼队的弹射座椅和火箭分析家Sean Stapf说，“我们用模型来调查无法理解的弹射情景，用模型重现情景，以此来分析可能的制造误差所造成的影响。同时，同时用它来改善弹射座椅的设计，例如：最近添加在弹射座椅上的手臂和腿部安全带的设计。软件精确模拟从头至尾、完整的操作过程的能力，革命性地改善了弹射座椅的性能，提高了弹射座椅的安全性。”
所做物理测试必要但并不充分
A-10、F-15、F-16、F-22、B-1和B-2 型号的飞机使用CKU-5火箭弹射器和ACES II弹射座椅作为空勤人员的弹射逃生系统。部件和整机级的弹射座椅测试是概念设计和弹射座椅性能最终验证的重要工具。例如：滑翔测试可用来获取重要数据（如：座椅弹道和代表乘员的人体模型上的加速度）。然而，弹射座椅可能出现的诸多的弹射情景，技术和设备成本限制了物理测试，也就是说只能测试小部分可能出现的弹射座椅的部署情景。
由于物理过程的广度和复杂性，要想获得精确的结果，模拟弹射座椅面临着巨大的挑战。其的困难和挑战包括：
1.弹射过程中，飞机潜在动作（例如：旋转和俯仰）的复杂性。
2.计算多台火箭推进器的影响，包括：
●把弹射座椅推到驾驶员座舱中心的弹射器火箭
●提供200英尺左右升力的辅助火箭，使弹射座椅快速地从飞机弹出跳过飞机尾翼，在低空上进行安全修复。
●弹出两位组员时需要把两个弹射座椅分开的分离推进器
●抵消前后俯仰动作的稳定推进器
● 部署降落伞的其他火箭
●一些座椅上包括的实现特殊功能的力能学，例如：分离组员座椅、断开降落伞浮标、打开或者松开降落伞华盖以及去除夜视装置。
3.整合弹射过程的多个阶段，包括：弹射、取出降落伞、打开降落伞以及分离座椅上的组员等等。
4.判断风力条件的影响，包括：侧风、逆风、飞机载体的动作等等。（图片）
图4 弹射座椅物理分析 寻找正确的软件工具
军队评估并使用了大量用于仿真各种弹射座椅活动的开放源码和商业软件程序包。同时，军队还编写了专门用于弹射座椅模拟的六个自由度程序。实验证明，大部分程序在研发弹射座椅，模拟弹射活动的一个或者多个方面发挥了非常重要的作用，但是直到使用Adams为止所有程序都未实现模拟完整过程的目标。
20世纪90年代中期，NSWC的工程师们开始研发Adams弹射座椅模型，2000年完成模型建造，并通过验证。“为了达到能模拟所有弹射座椅，整合完整特性的目标，我们研究了英国、俄罗斯海军和空军使用的不同弹射座椅的所有机械零件，”Stapf说。模型处理种三套着陆装置的压力。
只包括飞机机身的简单模型不能模拟飞机坠地、出轨冲进泥土、在轨道或者飞机载体电缆上制动时飞行员弹出飞机的位置。通过在降落伞周围添加质量点，打开降落伞，将牵引力设置为降落伞膨胀角度的函数的方式来计算降落伞的牵引载荷。这个模型计算了代表模拟过程中所有部位受到损伤的可能性的动力响应指数（DRI），并将指数与空军多轴动力反应标准（MDRC）组合。例如：对大多数组员来说，15g的短暂加速是可以容忍的，它不会造成任何损伤，但是相同的加速度持续时间太长就会导致潜在的脊椎损伤。我们已证明模型可模拟各种弹射场景并计算弹射过程中人－椅系统的变化情况。（图片）
图5 飞机模拟图形 Adams使用指导设计程序
迄今为止，Adams模型最令人关注的用途之一就是处理弹射座椅多处同时更新的情况。变更设计的原因之一在于高速阵风能对座椅突出部位施加过大作用力，而导致被弹射的少数飞行员受伤。
传统方法一般在弹射座椅上添加拉吊带保护组员的腿和手臂。使用一系列拉吊带作为安全带。在弹射过程中，座椅向弹道移动时拉吊带可以固定座椅。
同时，当组员处在风暴中时，手臂和座椅安全带还可以用来保护飞行员。另一个设计变更是制定弹射器推进器的能量释放分布图。这个变更旨在避免在弹射器弹射的初始阶段造成飞机内部损伤。两个设计变更都对分离速度的降低造成了影响，测试显示：执行了两种变更设计的座椅并未获得足够快的分离速度。
通过仿真来计算不同拉火索配置弹射器推进器的产生推力的大小。结果证明：没有手臂安全带的情况下 ，新推进器火箭的工作状况良好，而旧火箭上配上手臂安全带工作状况也良好。在建造和测试物理模型的过程中，我们考虑了除成本和时间外的各种设计变更的可能。我们的结论是：这个问题最可行的解决方案是用更少的机械能量重新设计安全带。解决方案已经通过了物理测试的验证，并且已经在许多战斗飞机上应用。
“过去十年，Adams实质性地改善了军用飞机弹射座椅的性能，提高了军用飞机弹射座椅的可靠性。”Stapf总结说，“Adams模型已通过了多个物理测试的验证，也提高了我们依靠模拟结果评估事故、调查事故、判断合理制造误差的影响并指导设计优化流程的信心。”
5/21/2013
|
