基于Adams的弹射座椅运动仿真分析

某型火箭弹射座椅（以下简称A 型座椅）是与新一代飞机配套研制的新型座椅，采用了多项新产品、新技术，其采用的新型射伞机构将伞箱沿与弹射轴线成一定夹角向后上方射出，从而缩短伞系统拉直时间，有利于提高座椅性能。

A型座椅并非第一个采用稳定杆和射
伞箱方式的座椅，之前的B型座椅也采用了类似方式，并且在射伞过程中未发现伞系统与稳定杆产生干扰的现象。

但由于A型座椅与B型座椅在稳定杆结构及射伞箱角度（A 型座椅比B 型座椅两个稳定杆前端轴心距减少了300 m m以上，且其射伞机构将伞箱沿与弹射轴线成一定夹角向后上方射出，而
B型座椅将伞箱沿弹射轴线射出）等方面发生了变化，为了判断A型座椅射伞过程中伞系统（含操纵带、伞绳和伞衣）与稳定杆是否发生干扰，需要对伞系统和稳定杆的运动情况进行仿真研究。

对于该文所述的干扰问题，可以采用两种方法进行探讨。

其一是试验的方法，
①作者简介：闵婕，女，毕业于西北工业大学，现就职于中航工业航宇公司应用技术部，主要从事弹射座椅的性能仿真工作。

基于Adams的弹射座椅运动仿真分析①
闵婕
（中航工业航宇救生装备有限公司 应用技术部 襄阳 441003）
摘 要：针对某型火箭弹射座椅稳定杆结构及伞箱射伞方式改变的状况，存在着射伞过程中伞系统与稳定杆产生干扰的风险。

本文采用多体动力学分析软件对射伞过程中伞系统与稳定杆的空间运动轨迹进行仿真，从而判断射伞过程中伞系统是否会与稳定杆发生干扰，为该型座椅的设计提供技术支持。

关键词：多体运动 仿真模型 柔性体建模 轨迹中图分类号:V244.212 文献标识码：A 
文章编号：1674-098X(2013)09(b)-0061-05
参数名称
工 况工况一
工况二工况三弹射启动时人-椅系统参数
表速（km/h）011001100俯冲角(°)06060滚转角(°)
00180导流板工作状态
不工作
工作
工作
表1 工况参数表
图1 伞系统模型（初始位置）
就是采用真实的弹射试验方法，并在不同弹射速度情况下进行试验考核；其二是仿真的方法，就是建立仿真模型和仿真环境，进行仿真测试。

由于试验费用昂贵、耗费时间长，而且试验需要规定比较多的限定条件，会限制试验结果的应用，而仿真的方法既经济又高效，并且在仿真测试方面，
可以复现仿真环境，从而为设计产品的改进或维护提供可靠的数据。

对于弹射座椅这类复杂的产品，仿真的作用体现在从设计到样品试制直到产品性能测试等各个阶段，运用仿真手段可以评估设计方案、优化设计参数、提高座椅性能，从而为设计提供技术支持，达到缩短研制周期，降低费
用,提高质量的目的。

1 仿真说明
1.1 仿真类型
仿真的数学模型有静态模型和动态模型，其中动态模型又分为连续系统模型和离散系统模型。

连续系统仿真是对系统状
发序
射伞角度
射伞出口速度 m/s
射伞弹启动到救生伞拉直的时间（s）试验数据
仿真结果1铅垂线向上29.70.3840.3543铅垂线向后30°19.30.3260.3034
铅垂线向后45°
20.2
0.308
0.289
表2 试验数据与仿真结果对比表
图2 座椅和人体建模界面截图正视图（导流板不工作状态和工作状态）
图3 座椅和人体建模界面截图侧视图（导流板工作状态）
图4 伞箱速度矢量图（650 km/h）
态量随时间连续变化的系统的仿真研究，本文的研究对象就属于动态连续系统模型的范围。

1.2 仿真环境和方法
由于对弹射座椅的多体动力学仿真在本公司尚属首次，并无相关经验可供借鉴。

在项目初始阶段，仿真人员进行了大范围的技术探讨与研判，最终确认靠单一学科技术无法完成此类仿真，采用多学科交叉技术才是解决问题的惟一办法，于是提出并在工程上实现了多学科虚拟样机分析软件 A d a m s 和C F D 流体运动仿真相结合的解决办法。

2 仿真工况
根据工程需要，本次仿真选取了三个有代表性的工况，见表1。

仿真从射伞箱时刻（即自由飞阶段结束时刻）开始，至救生伞拉直结束，由Ad a m s对各个工况下人-椅系统、伞系统、伞箱的姿态和轨迹等进行仿
真，通过动画实时显示，从而判断伞箱、伞系统和稳定杆是否会发生干扰。

3 仿真过程
本次仿真以地面坐标系为计算坐标系，地面坐标系坐标原点固连于大地，位于射伞箱时刻飞行员眼位，x轴为逆航向方向，y轴竖直向上，z轴按右手螺旋法则确定。

3.1 仿真建模
3.1.1 伞系统建模(1)伞箱建模
伞箱通过C atia 模型直接导入A d a m s 中，并定义重量、重心、转动惯量等参数。

(2)救生伞系统建模
在A d a m s 软件中，对于刚性物体和小变形物体有相应的模块，但对于大变形的物体无法实现直接建模。

救生伞系统属于大变形柔性体，可将伞绳、伞衣离散成尽可能多的小段圆柱体进行建模，当每个小段圆
柱体相对整个绳索长度很小时，整
个绳索
图6 人-椅系统速度矢量图（650 km/h）
图7 人-椅系统射救生伞箱时姿态
（工况一）
图8 人
-椅系统射救生伞箱时姿态（工况二）
图5 伞箱气动力
可视为连续体，可较为真实地反映绳索的拉伸弯曲等力学性能。

本次仿真将操纵带、伞绳和封装在伞衣套中的伞衣离散成100段的圆柱形刚体，每两个圆柱形刚体之间用轴套力（bushing）连接，使每两个圆柱形刚体质心的运动参数（任意时刻的位移、速度、加速度等）和物理参数（受力情况、转动惯量等），以及两个刚体间的动力学参数（相对位移、转角、相互间的作用力和反作用力等）同实际伞系统的相应位置尽可能做到相似。

每小段圆柱形刚体的长度和整个伞系统的总长相差较大，从射救生伞开始到救生伞拉直时间段内用这个组合模型近似替代整个伞系统。

在实际包伞过程中，救生伞伞衣是封装在伞衣套中通过压力封包的方式堆叠在伞箱中，在仿真建模中无法做到与实际完全一致，通过适当简化，将伞绳和伞衣统一建模，折叠堆放在伞箱中，详见图1 。

4.1.2 人-椅系统建模(1)座椅建模
考虑到射伞后伞箱（含射伞机构、姿态
火箭）和座椅骨架部分的相对运动，对伞箱和座椅骨架分别进行刚性部件建模。

座椅骨架的状态为：抬腿机构抬起（工作行程160 m m），限臂器下放，工况一为低速模式，导流板未工作，工况二、三为高速模式，导流板工作。

由于射救生伞时人-椅系统速度已减到650 k m /h以下，故不考虑高速情况下稳定杆的变形。

(2)人体建模
本次仿真从射伞箱时刻开始，各约束机构已工作，故不考虑人体各关节的运动，在A d a m s中对人体进行刚性部件建模。

人体姿态为弹射姿态（肩带拉紧、腰带拉紧、限臂器、抬腿机构及腿部收紧装置工作后姿态），与座椅固连，见图2+图3。

4.2 仿真参数
仿真参数包括初始条件、外载、仿真步长等，是进行仿真的必备条件。

4.2.1 伞箱气动力
根据A 型座椅的控制逻辑，射伞箱时人-椅系统及伞箱速度已减至650 k m /
h 以下，故本次仿真使用C F D 仿真软件N U M E C A 计算出伞箱速度650 k m /h 时受到的气动力情况，见图4。

伞箱三个方向的气动力数值如下：升力：-615.06 N 阻力：1935.10 N 侧向力：0 N
由以上数据计算出伞箱X、Y、Z 三个方向的阻力特征分别为(C A )X S X =0.097m 2，(C A )Y S X =0.031 m 2，(C A )Z S X =0m 2。

假设伞箱的阻力特征不变，根据伞箱实时的速度和方向，可通过定义全局变量和S F O R C E函数的方式将气动力加载到伞箱的质心上，见图5，气动力SFORCE函数定义如下：
-0.5*1.225*V X(M A R K E R _248,0,M A R K E R _248)*A B S (V X (M A R K E R _248,0,M A R K E R _248))*0.097（以X 方向为例）
4.2.2 伞绳气动力
本次仿真中操纵带、伞绳和伞衣均按照圆柱体建模，阻力系数为C d
=0.8,根据每一
图9 人-椅系统射伞箱时姿态
（工况三）
图10 工况一伞系统与稳定杆最小间隙截图
图11 工况二伞系统与稳定杆最小间隙截图
段圆柱体实时的速度和方向，将气动力加载给伞绳，方法同4.2.1。

4.2.3 人-椅系统气动力
使用C F D 仿真软件N U M E C A 计算出人-椅系统650k m /h 时受到的气动力情况，见图6。

三个方向的气动力数值如下：升力： -1591.97 N 阻力： 7675.89 N 侧向力： 0 N
根据以上数据计算出人-椅系统三个方向的阻力特征(C A )X R Y =0.384 m 2
,(C A )Y R Y =0.080m 2
,(C A )Z R Y =0 m 2
，根据人-椅
系统实时的速度和方向，
将气动力加载给人-图13 工况一仿真过程截图
图12 工况三系统与稳定杆最小间隙截图
椅系统，方法同4.2.1。

4.2.4 射伞机构过载
A 型座椅使用X X型射伞机构，在自由飞阶段结束时与弹射轴线成一定夹角向飞行员斜后方射出伞箱，伞箱质量为15.5k g （含伞系统、射伞机构和姿态火箭）时，仿真过程中将射伞机构的过载定义为射伞力施加给人-椅系统和伞箱。

4.2.5 射伞时人-椅系统初始姿态射救生伞时人-椅系统姿态由性能仿真六自由度程序计算得出，三个工况人-椅系统的初始姿态分别见图7-图9。

4.3 运行仿真
本次仿真使用插值方法求解微分方程，
分析精度设为1.0E-3, 仿真时间从射伞箱时刻（即自由飞阶段结束时刻）开始，至救生伞拉直结束。

5 试验数据对比
为了检验仿真模型是否建立准确，在进行多工况仿真前先针对该型座椅的射伞摸底试验状态进行了仿真，结果见表2（由于试验测试手段的局限性，不能对伞衣拉出的摩擦力等数据进行测量，因此本文仅对射伞弹启动到救生伞拉直的时间进行对比）。

6 各工况仿真结果及结论
6.1 各工况仿真结果及分析
在工况一～工况三情况下，运动过程中伞系统与稳定杆最小间隙截图见图10~图12。

仿真结果说明，在三个不同工况条件下，伞系统均未与稳定杆发生干扰。

以工况一为例，整个仿真过程见图13。

由于伞箱沿与座椅弹射轴线成一定夹角向飞行员斜后方射出，伞箱相对座椅呈相反方向运动，且建模过程中将28根伞绳、两根操纵带都简化成一根，减小了操纵带、伞绳与稳定杆干扰的可能。

6.2 仿真结论
在本次仿真中，三种工况下操纵带、伞绳与稳定杆均未发生干扰，这在后来的单项射伞试验中也得到了验证。

仿真结果表明稳定杆和射伞机构在当前结构及动力条件下，不会发生稳定杆与伞系统的干扰，为技术状态的确定和冻结提供了有力的技术支持。

本次仿真取得了预期效果，同时表明应用多体动力学分析和C F D 流体运动仿真相结合的方法能有效地描述空间移动物体的运动轨迹，其工程应用前景十分广阔。

参考文献
[1] 郑建荣.A D A M S -虚拟样机技术入门
与提高[M].机械工业出版社，2002.[2] 刑俊文，陶永忠.M S C.A D A M S /V i e w
高级培训教程[M].清华大学出版社，2004.。