飛機(jī)座椅與乘客碰撞模擬分析

飛機(jī)座椅與乘客碰撞模擬分析

ImpactSimulationandAnalysisofAircraftSeatand

Occupant

摘要

^文題目：飛機(jī)座椅與乘客碰撞模擬分析

言俞文摘要內(nèi)容：本^文研究目的為利用有限元素分析法，進(jìn)行碰撞模擬分

析以探討

飛機(jī)座椅之安全設(shè)計(jì)。使用分析軟件ANSYS建立座椅有限元素模型。依

據(jù)美國(guó)耳希邦航空總署所訂定的座椅動(dòng)態(tài)測(cè)試法規(guī)(14CFR25.562)即模擬

飛機(jī)于緊急迫降時(shí)，座椅產(chǎn)生減速度達(dá)14g與16g之負(fù)載條件。飛機(jī)座

椅有限元素分析模型包含：座椅主結(jié)構(gòu)、座椅軟墊、乘客安全約束系統(tǒng)以

及餐盤等附屬組件。座椅材料性質(zhì)皆由材料試驗(yàn)所獲得，主結(jié)構(gòu)材料模塊

是采用Cowper-SymondsPlasticityModel,此模塊可考慮應(yīng)變率對(duì)于材

料變形行為的影響，適用于金屬等向性材料的塑性變形分析。碰撞假人模

型使用LSTC公司所提供之HybridIII50thPercentileDummy。本研究使

用LS-DYNA動(dòng)態(tài)求解器，使用LS-PrePost前后處理軟件輸出仿真結(jié)

果。觀察座椅含假人整體碰撞過(guò)程動(dòng)態(tài)情形，依據(jù)座椅動(dòng)態(tài)測(cè)試法規(guī)訂立

之評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，分別探討座椅變形與損壞情形是否阻礙乘客緊急逃生路線，

再輸出假人頭部傷害指數(shù)、腰椎與骨盆間軸向負(fù)載以及大腿股骨軸向負(fù)載,

以判斷乘客是否安全。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)座椅、乘客安全、14g與16g動(dòng)態(tài)測(cè)試、假人、頭部傷害

指數(shù)、腰椎軸向負(fù)載、大腿股骨軸向負(fù)載

I

Abstract

TitleofThesisImpactSimulationandAnalysisofAircraftSeatandOccupant

TheContentsofAbstractinthisThesis：

Theobjectiveofthisresearchistoinvestigatethedesignofaircraftseat

andoccupantsafetyusingfiniteelementmethod.AcommercialcodeANSYS

isusedtoestablishthefiniteelementmodel,includingaircraftseatsand

dummies.Theimpactanalysesof14gand16gdecelerationareperformedto

simulatetheemergencylandingoftheaircraftbasedonthesafetyregulation

oftransportairplaneprescribedfromFederalAviationAdministration,called

title14codeoffederalregulationspart25sec.25.562.Thefiniteelement

modelofaircraftseatincludestheprimarystructures,seatcushions,occupant

restraintsystems,foodtraytableandotherplasticattachments.Thematerial

propertiesareobtainedfromthetensileandcompressivetests.Cowper-

Symondsplasticitymodelisusedtosimulatethedynamicbehaviorof

materials.Thismodelconsidersthestrain-rateeffectonmaterialswhile

theyaresubjectedtoimpactloading.ThefiniteelementmodelofHybridIII

50thPercentileDummy,providedfromLivermoreSoftwareTechnology

Corporation(LSTC),isadoptedforthesimulation.AcommercialcodeLS-

DYNAisusedtosolvetheimpactsimulation.Theplasticdeformationof

seatstructureisofconcern.Aftertheimpactcrash,thedeformationofseat

cannotimpedetherapidevacuationofoccupants.Theaccelerationand

resultantforcesofdummiesareobtainedfromtheimpactsimulationandare

usedtoassessthepotentialinjuriesofoccupantduringtheimpact,suchasthe

headinjurycriteria(HIC),themaximumcompressiveloadmeasuredbetween

thepelvisandthelumbarcolumn,andtheaxiallycompressiveloadsof

dummies.

Keywords:Aircraftseat,Occupantprotection,14Gand16Gdynamictest,

HybridIIIDummy,HIC,Lumbarloads,Femurloads

in

目^

摘要.........................................................I

Abstract.....................................................................................................................II

謝志.......................................................IV

目^........................................................V

表目嚏親.....................................................VIII

圖目嚏象......................................................IX

第1章緒^..................................................1

1.1研究動(dòng)機(jī)與目的........................................1

1.2飛機(jī)座椅動(dòng)態(tài)測(cè)試法規(guī)(14CFRPart25.562).....................................3

1.3文獻(xiàn)回顧..............................................4

1.4全文概述.............................................15

第2章飛機(jī)座椅之計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)與分析...................16

2.1飛機(jī)座椅系統(tǒng)介紹.....................................16

2.2材料機(jī)械性質(zhì)測(cè)試.....................................18

2.3飛機(jī)座椅有限元素模型.................................25

2.3.1有限元素模型建立................................25

2.3.2模型速接定義....................................29

2.3.3材料模塊定義....................................35

5

2.3.4接觸型式定義....................................40

2.4人形測(cè)試設(shè)備(AnthropomorphicTestDevice,ATD).......................41

2.4.1人形測(cè)試設(shè)備介紹................................41

2.4.2HybridIII50thPercentileDummy碰撞假人............48

2.5座椅主要負(fù)載傳遞路徑.................................56

2.6座椅預(yù)變形扭轉(zhuǎn)治具模型建立...........................58

2.7碰撞仿真座椅安裝配置.................................60

第3章飛機(jī)座椅碰撞模擬與分析...............................64

3.1座椅14G垂直向下碰撞動(dòng)態(tài)仿真.........................64

3.1.1邊界與負(fù)載條件設(shè)定..............................64

3.1.2碰撞分析結(jié)果與討^..............................67

3.1.3假人傷害指數(shù)....................................79

3.2座椅16G水平向前碰撞動(dòng)態(tài)仿真........................84

3.2.1邊界與負(fù)載條件設(shè)定..............................84

3.2.2座椅預(yù)變形模擬結(jié)果與討^........................88

3.2.3碰撞分析結(jié)果與討^..............................90

3.2.4座椅變形安全性評(píng)估.............................104

3.2.5假人傷害指數(shù)...................................111

第4章結(jié)^................................................118

6

4.1結(jié)^................................................118

4.2后續(xù)探討方向........................................121

參考文獻(xiàn)...................................................122

作者簡(jiǎn)介...................................................126

VII

表目鰥

表1-1、飛機(jī)座椅型式分^與對(duì)應(yīng)規(guī)范...............................5

表1-2、HIC與AIS關(guān)馨性.........................................9

表1-3、座椅碰撞模擬結(jié)果與HIC值總表...........................13

表2-1、材料參數(shù)總表............................................22

表2-2、座椅主結(jié)構(gòu)各組件重量比對(duì)................................26

表2-3、三種型號(hào)假人重量與坐姿高度規(guī)范值.......................42

表2-4、FAAHybridIII5。"Percentile成年男性假人重量.............49

表2-5、腰椎負(fù)載與座椅負(fù)載......................................51

表3-1、14G座椅碰撞測(cè)試負(fù)載條件規(guī)范值.........................65

表3-2、座椅各組件能量分布總表..................................76

表3-3、座椅主結(jié)構(gòu)各組件應(yīng)力分布總表............................77

表3-4、假人傷害指數(shù)與安全帶負(fù)載總表............................83

表3-5、16G座椅碰撞測(cè)試負(fù)載條件規(guī)范值.........................85

表3-6、前排座椅各組件能量分布總表.............................100

表3-7、前排座椅椅背組件能量分布總表...........................101

表3-8、后排座椅各組件能量分布總表.............................103

表3-9、假人傷害指數(shù)與安全帶負(fù)載總表...........................117

8

圖目鰥

圖1-1、1960年至2013年飛機(jī)失事案件與死亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)............2

圖1-2、飛機(jī)飛行時(shí)間與失事率..................................2

圖1-3、頭部碰撞路徑范圍......................................6

圖1-4、TheWayneStateToleranceCurve(WSTC)...........................................8

圖1-5、DynamicResponseIndex,DRI曲線.......................10

圖1-6、使用滑卓(Sled)撞擊Honeycomb進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試.............11

圖1-7、碰撞產(chǎn)生之沖擊力與反彈力.............................11

圖1-8、使用油壓缸控制加速度滑隼(AccelerationSled)..............................11

圖1-9、座椅結(jié)構(gòu)與艙體結(jié)構(gòu)...................................12

圖1-10、受應(yīng)變率影響之應(yīng)力應(yīng)變曲線差昊......................14

圖2-1、飛機(jī)座椅模型(2人座).................................17

圖2-2、材料機(jī)械性質(zhì)測(cè)試.....................................19

圖2-2、材料機(jī)械性質(zhì)測(cè)試(續(xù)).................................20

圖2-2、材料機(jī)械性質(zhì)測(cè)試(續(xù)).................................21

圖2-3、安全帶拉伸測(cè)試.......................................23

圖2-4、使用電熱線切割泡棉...................................23

圖2-5、泡棉壓縮性質(zhì)測(cè)試.....................................24

圖2-6、椅背調(diào)整桿壓縮性質(zhì)測(cè)試...............................24

9

圖2-7、座椅主結(jié)構(gòu)有限元素分析模型...........................27

圖2-8、座椅軟墊有限元素分析模型.............................27

圖2-9、扶手塑料外殼有限元素分析模型.........................28

圖2-10、餐盤與IFE有限元素分析模型..........................28

圖2-11、扶手旋轉(zhuǎn)接頭測(cè)試....................................30

圖2-12、椅背旋轉(zhuǎn)接頭測(cè)試....................................31

圖2-13、椅背調(diào)整桿速接設(shè)定..................................31

圖2-14、鉀釘接合位置........................................32

圖2-15、椅腳固定端組件速接方式..............................32

圖2-16、座椅軟墊與主結(jié)構(gòu)速接設(shè)定............................33

圖2-17、CONTACT_TIED黏滯距離隹計(jì)算示意圖...................33

圖2-18、座椅配重位置與分析模型..............................34

圖2-19、座椅系統(tǒng)有限元素模型................................34

圖2-20、材料非線性有效塑性區(qū)應(yīng)力應(yīng)變曲線....................36

圖2-21、鋁合金方管沖擊試驗(yàn)..................................37

圖2-22、沖擊實(shí)驗(yàn)與分析結(jié)果..................................37

圖2-23、修改后ABS材料曲線.................................39

圖2-24、安全帶分析模型元素型式..............................39

圖2-25、三種型號(hào)假人坐姿....................................42

10

圖2-26、HybridII50thPercentileMaleDummy.............................................43

圖2-27>HybridIII50thPercentileMaleDummy..........................................44

圖2-28、FAAHybridIII50thPercentileDummy...........................................45

圖2-29、假人腰椎型式比較（彎曲與直立型式）....................47

圖2-30、FAAHybridIIIDummy修改部位........................47

圖2-31、HybridIII50thPercentileDummy分析模型................48

圖2-32、假人各部位模型......................................50

圖2-33、腰椎負(fù)載與頭部運(yùn)動(dòng)路徑..............................51

圖2-34、SRP定義與計(jì)算.....................................53

圖2-35、HybridIII50thPercentileDummySRP位置................53

圖2-36、假人坐姿角度與四肢擺放位置調(diào)整......................54

圖2-37、安全帶模型建立與設(shè)定................................54

圖2-38、座椅含假人模型......................................55

圖2-39、座椅主要負(fù)載傳遞路徑................................56

圖2-40、腰椎損傷之負(fù)載傳遞路徑..............................57

圖2-41、頭部損傷之負(fù)載傳遞路徑..............................57

圖2-42、座椅扭轉(zhuǎn)條件相關(guān)規(guī)定................................58

圖2-43、扭轉(zhuǎn)治具旋轉(zhuǎn)接頭位置................................59

圖2-44、座椅扭轉(zhuǎn)治具模型....................................59

11

圖2-45、14G垂直俯沖碰撞測(cè)試座椅安裝配置....................60

圖2-46>14G碰撞仿真座椅安裝配置............................60

圖2-47>16G水平向前碰撞測(cè)試座椅安裝配置....................62

圖2-48、雨科F座椅間總巨........................................63

圖2-49、16G碰撞仿真座椅安裝配置............................63

圖3-1、座椅14g沖擊方向角度.................................65

圖3-2、地板減速度與時(shí)間曲線.................................65

圖3-3、14G碰撞仿真邊界與負(fù)載條件...........................66

圖3-4、地板負(fù)載曲線.........................................66

圖3-5,座椅14G碰撞模擬動(dòng)畫擷取圖...........................69

圖3-5、座椅14G碰撞模擬動(dòng)畫擷取圖（續(xù)）......................70

圖3-5、座椅14G碰撞模擬動(dòng)畫擷取圖（續(xù)）......................71

圖3-5、座椅14G碰撞模擬動(dòng)畫擷取圖（續(xù)）......................72

圖3-6、地板減速度分析結(jié)果輸出...............................73

圖3-7、地板速度分析結(jié)果輸出.................................73

圖3-8、14G碰撞座椅動(dòng)能與內(nèi)能分析結(jié)果.......................74

圖3-9、14G碰撞座椅內(nèi)能分析結(jié)果.............................74

圖3-10、座椅主結(jié)構(gòu)與坐墊變形情形............................75

圖3-11、座椅各組件能量分布情形..............................75

XII

圖3-12、座椅主結(jié)構(gòu)各組件應(yīng)力分布............................77

圖3-13、扶手(Armrest)應(yīng)力分布................................78

圖3-14、座椅圓管(UpperBeam)應(yīng)力分布........................78

圖3-15、假人頭部加速度值....................................80

圖3-16、假人頭部損傷指數(shù)(HIC)....................................................................80

圖3-17、假人大腿股骨軸向負(fù)載................................81

圖3-18、假人腰椎軸向負(fù)載....................................82

圖3-19、安全帶負(fù)載..........................................82

圖3-20、座椅16g沖擊方向角度................................85

圖3-21、減速度與時(shí)間曲線....................................85

圖3-22＞座椅預(yù)變形模擬......................................86

圖3-23、座椅沿縱軸方向偏置10度.............................86

圖3-24、16G碰撞仿真邊界與負(fù)載條件..........................87

圖3-25、地板負(fù)載曲線........................................87

圖3-26、座椅預(yù)變形模擬動(dòng)畫擷取圖(0-300ms)........................................88

圖3-27、座椅主結(jié)構(gòu)變形情形..................................89

圖3-28、座椅組件破壞情形....................................89

圖3-29、座椅碰撞模擬動(dòng)畫擷取圖..............................93

圖3-29、座椅碰撞模擬動(dòng)畫擷取圖(續(xù))..........................94

13

圖3-29、座椅碰撞模擬動(dòng)畫擷取圖（續(xù)）..........................95

圖3-29、座椅碰撞模擬動(dòng)畫擷取圖（續(xù)）..........................96

圖3-30、地板減速度分析結(jié)果輸出..............................97

圖3-31、地板速度變化曲線....................................97

圖3-32、16G碰撞座椅動(dòng)能與內(nèi)能分析結(jié)果......................98

圖3-33、16G碰撞前、后排座椅能量分布........................98

圖3-34、前排座椅主結(jié)構(gòu)與坐墊變形情形........................99

圖3-35、前排座椅各組件能量分布..............................99

圖3-36、前排座椅椅背組件能量分布...........................101

圖3-37、后排座椅主結(jié)構(gòu)與坐墊變形情形.......................102

圖3-38、后排座椅各組件能量分布.............................102

圖3-39、座椅向前變形量測(cè)位置...............................106

圖3-40、椅背變形量測(cè)位置...................................106

圖3-41、座椅變形旋轉(zhuǎn)角度量測(cè)位置...........................107

圖3-42、座椅向前變形量測(cè)...................................108

圖3-43、座椅椅背變形量測(cè)...................................109

圖3-44、座椅變形旋轉(zhuǎn)角度量測(cè)...............................110

圖3-45、后排座椅假人頭部撞擊位置與時(shí)間點(diǎn)...................111

圖3-46、假人頭部加速度值...................................113

14

圖3-47、假人頭部傷害指數(shù)(HIC)..................................................................113

圖3-48、假人大腿股骨軸向負(fù)載.................................114

圖3-49、假人腰椎軸向負(fù)載......................................115

圖3-50、安全帶負(fù)載.............................................115

圖3-51、前后排假人腿部撞擊位置與時(shí)間點(diǎn).......................116

圖3-52、安全帶拉伸破壞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)...............................116

圖3-53、安全帶拉伸破壞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)妻攵據(jù)...........................116

15

第1章緒^

1.1研究動(dòng)機(jī)與目的

世界大戰(zhàn)結(jié)束后，戰(zhàn)爭(zhēng)科技應(yīng)用于空中運(yùn)輸，飛機(jī)已漸漸取代翰船

成為長(zhǎng)途交通的主要工具，在遠(yuǎn)距離隹傳輸方面節(jié)省許多時(shí)間，也縮短國(guó)

與國(guó)的距雄但伴隨著飛機(jī)意外事故更是不容小覷圖1-1為1960至2013

年飛機(jī)失事統(tǒng)計(jì)口]。造成飛機(jī)失事意外的因素有很多，例如：鳥擊、引

擎失效、機(jī)械故障等等。圖1-2為飛機(jī)飛行時(shí)間百分比與發(fā)生事故機(jī)率，

共分為九個(gè)區(qū)域，曲線下方表示飛行于空中的時(shí)間百分比?？煽闯鲲w機(jī)

于起飛與降落期間飛行時(shí)間不長(zhǎng)但失事率高，其中又以降落時(shí)發(fā)生致命

性事故的機(jī)率最高約為41%[2]?而飛機(jī)事故中能夠有多數(shù)生還機(jī)會(huì)的就

是在緊急迫降(EmergencyLanding)。當(dāng)發(fā)生引擎失效、機(jī)械故障、燃油不

足或需要緊急救時(shí)，機(jī)長(zhǎng)判斷機(jī)上狀況執(zhí)行緊急迫降。通常是以機(jī)腹著

陛，先是碰撞路面再向前滑行，座椅與乘客承受垂直向下與水平向前的

沖擊力。飛機(jī)艙體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須足夠不致?lián)p壞，而飛機(jī)座椅則必須吸收

足夠的沖擊能量，避免承乘客受致命性的傷害，盡可能保護(hù)乘客在第一

時(shí)間生還。且座椅變形狀況不可阻礙乘客逃生路線，讓乘客能夠于事故

后緊急撤離隹，以避免碰撞后產(chǎn)生油路或電路的損害引發(fā)火警造成傷亡。

2013年7月AsianaAirlines(韓亞航空)214班機(jī)Boeing777-200ER于

SanFrancisco機(jī)場(chǎng)降落時(shí)操作不當(dāng)而碰撞路面造成意外事故，即將著F圭

時(shí)墜毀。當(dāng)時(shí)機(jī)尾先撞擊海堤，發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)尾脫落，機(jī)尾殘骸散落于跑道

上。機(jī)上人員共307人，僅三名乘客身亡。死者都在斷落的機(jī)尾外找

到的，其中一人因未系安全帶當(dāng)場(chǎng)罹難。另一名則于7月12日搶救無(wú)效

死亡，另一名則是被消防隼碾壓過(guò)且未實(shí)時(shí)救護(hù)而身亡。機(jī)上搭載的座椅

都通過(guò)了美國(guó)靖f邦航空總署(FederalAviationAdministration,FAA)靜態(tài)9

g與動(dòng)態(tài)16g的測(cè)試規(guī)范，機(jī)上乘客受到保護(hù)第一時(shí)間生還，座椅變形

情形未阻礙緊急逃生路線，機(jī)上人員皆能緊急撤蹄，避開火警發(fā)生造成死

傷[3],表示座椅通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)試法規(guī)之認(rèn)證，對(duì)于乘客安全與生還率相當(dāng)重

要。

本研究利用動(dòng)態(tài)碰撞分析探討飛機(jī)座椅之結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)。由于飛機(jī)座

椅安全認(rèn)證流程相當(dāng)繁瑣，需通過(guò)靜態(tài)測(cè)試、動(dòng)態(tài)測(cè)試、次結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與耐

久測(cè)試、防火測(cè)試等法規(guī)。本研究主要針對(duì)座椅動(dòng)態(tài)測(cè)試法規(guī)(14CFR

25.562)進(jìn)行探討。模擬飛機(jī)于緊急迫降碰撞情形，依據(jù)法規(guī)制訂之安

全標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估座椅結(jié)構(gòu)變形與損壞情形，與假人傷害指數(shù)，判斷座椅性能

與安全性設(shè)計(jì)是否通過(guò)法規(guī)要求。依據(jù)碰撞模擬結(jié)果進(jìn)行分析，并提出相

關(guān)建議以利后續(xù)研究發(fā)展。

圖1-1、1960年至2013年飛機(jī)失事案件與死亡人數(shù)統(tǒng)計(jì)[1]

FatalAccidentsandOnboardFatalitiesbyPhaseofFlight

WorldwideCommercialJetFleet-2003Through2012

Percentageoffatalaccidentsandonboardfatalities

Taxi,load/16%41%

unload,

parked,InitialClimbInitialFinal

towTakeoffdimb(flapsup)CruiseDescentapproachapproachLanding

Fatalaccidents11%11%5%8%9%4%11%19%23%

Onboardfatalities0%12%5%11%、18%3%18%17%17%

17%/33%

InitialF

approach\/Finalf

fix'

Exposureapproach\

(Percentageofflight

bmeestimatedfora1%1%14%57%11%12%3%1%

1.5hourflight)

Note:Pwconlaoesmavndsumoreosolvduetonumencalroundma.

圖1-2、飛機(jī)飛行時(shí)間與失事率⑵

2

1.2飛機(jī)座椅動(dòng)態(tài)測(cè)試法規(guī)(14CFRPart25.562)

分類直為運(yùn)輸客機(jī)的適航性能標(biāo)準(zhǔn)(AirworthinessStandard),由美國(guó)耳籌

邦航空總署(FAA)于1988年制定新的座椅測(cè)試法規(guī)，飛機(jī)座椅與約束系

統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)必須符合規(guī)范，以保護(hù)乘客在緊急迫降(EmergencyLanding

Condition)時(shí)的安全。在動(dòng)態(tài)測(cè)試法規(guī)條件的部分，分為Test1與Test2

動(dòng)態(tài)測(cè)試[6],其中：

(a)Test1測(cè)試條件為，座椅速度變化量必須超過(guò)35fps,并沿著與座椅

垂直面夾角30度方向沖撞而地板的減速度值必須在碰撞后0.08秒

以內(nèi)達(dá)到減速度的峰值并大于14go

(b)Test2測(cè)試條件為，先進(jìn)行預(yù)測(cè)試使座椅產(chǎn)生變形，一側(cè)椅腳沿X軸

扭轉(zhuǎn)10度(Pitch),另一側(cè)椅腳則沿Y軸扭轉(zhuǎn)10度(Roll),并將座椅

與縱軸偏置10度(Yaw),再沿縱軸方向沖撞，其速度變化量必須超過(guò)

44fps,并在碰撞后0.09秒以內(nèi)達(dá)到減速度的峰值并大于16go

以下幾項(xiàng)為假人傷害指數(shù)的規(guī)范值，用以評(píng)估乘客的安全性，在碰撞

過(guò)程中假人傷害指數(shù)必須符合其規(guī)范值：

(1)若使用上半身安全帶者，單條安全帶的拉伸負(fù)載不可超過(guò)1,750磅，

而雨條安全帶的拉伸總負(fù)載不可超過(guò)2,000磅。

(2)假人的腰椎與骨盆之間的壓負(fù)載不可超過(guò)1,500磅。

⑶使用上半身安全帶者，在碰撞過(guò)程中安全帶必須保持在乘客的肩上。

(4)使用腰部安全帶者，在碰撞過(guò)程中安全帶必須保持在乘客的腰間。

(5)每位乘客必須在頭部碰撞時(shí)受到保護(hù)，所以頭部碰撞時(shí)之頭部傷害指

妻攵(HeadInjuryCriterion,HIC),不可超過(guò)1000。其HIC計(jì)算由以下方

程序(1-1淀義:

[「1『產(chǎn)]

—HJla(t)dt\>(1-1)

〔」人

其中L為積分區(qū)間初始時(shí)間,

3

t2為積分區(qū)間最終時(shí)間，a①為頭部撞擊時(shí)，加速度與時(shí)間曲

線，⑴以秒計(jì)算，(a)單位為g。

(6)當(dāng)足部碰撞到座椅或其他結(jié)構(gòu)時(shí)必須受到保護(hù)，大腿股骨的軸向

壓負(fù)載必須小于2,250磅。

(7)座椅的附屬組件即使產(chǎn)生塑性變形也不能脫離隹原始安裝位置。

(8)座椅結(jié)構(gòu)在Testi與Test2的測(cè)試中產(chǎn)生塑性變形后，其變形最大

限度不可妨礙乘客的緊急逃生路線。

1.3文獻(xiàn)回顧

早期FAA對(duì)于飛機(jī)座椅性能僅制訂Part25.561靜態(tài)測(cè)試法規(guī)［4］,針

對(duì)輕微碰撞降落(MinorCrashLanding)之負(fù)載條件，定義座椅強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)

范。將飛機(jī)緊急迫降時(shí)撞擊路面所產(chǎn)生之沖擊力，分為六個(gè)單一方向制訂

負(fù)載條件，以座椅含乘客總重乘上慣性力系重攵之負(fù)載施加于座椅結(jié)構(gòu)上，

分別為向上3g、向前9g、向機(jī)身側(cè)4g、向座椅側(cè)4g、向下6g以及

向后1.5g。但飛機(jī)碰撞時(shí)的負(fù)載條件是相當(dāng)復(fù)雜且多變的，飛機(jī)結(jié)構(gòu)

承受的沖擊力并非分開單一方向的，而是屬于結(jié)合各種方向的沖擊力。然

而美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)(NationalTransportationSafetyBoard,

NTSB)認(rèn)為這樣的負(fù)載條件不足以完整表現(xiàn)實(shí)際緊急迫降時(shí)人體承受的沖

擊力，這樣的設(shè)計(jì)規(guī)范乘客與駕駛?cè)藛T無(wú)法受到保護(hù)，因?yàn)樵S多非致命性

意外事故(SurvivableAccident)中飛機(jī)結(jié)構(gòu)與機(jī)艙內(nèi)設(shè)備并沒有損壞,

但仍然造成乘客重傷、受困以及死亡。一份由NTSB從1970開始進(jìn)行

的研究［5］中顯示幾乎60%的大型運(yùn)輸客機(jī)都會(huì)遭遇非致命性事故，而

機(jī)艙內(nèi)裝并無(wú)損壞。超過(guò)4,800乘客與駕駛員包含其中，且超過(guò)1,850人

受傷或死亡。NTSB相信其中超過(guò)46%的包含火災(zāi)的非致命性事故是可

以避免傷亡的。然而隨著設(shè)計(jì)與測(cè)試的技術(shù)日益成長(zhǎng)，但是座椅法規(guī)在當(dāng)

年卻超過(guò)30年未曾更新過(guò)，故要求FAA針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗碰撞能力以

4

及座椅乘客保護(hù)性能，制訂新的座椅測(cè)試法規(guī)。于1980年代FAA進(jìn)行

一系列實(shí)際飛機(jī)撞擊測(cè)試，以期望可增加座椅性能并提高安全性。加上汽

隼工業(yè)在碰撞試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展成熟，發(fā)展擬真測(cè)試人偶(AnthropomorphicTest

Device)o假人擁有良好的生物真實(shí)性，仿真真人的動(dòng)態(tài)行為，且身上

安裝力量規(guī)與感知器，以量測(cè)力量、彎矩、速度與加速度，用以評(píng)估及預(yù)

測(cè)人體傷害程度。14CFRPart25.562飛機(jī)座椅動(dòng)態(tài)測(cè)試法規(guī)⑹將假人

傷害指重攵列入規(guī)范中，如頭部傷害指數(shù)(HeadInjuryCriteria,HIC)、腰

椎(Lumbar)與骨盆(Pelvis)壓負(fù)載與大腿股骨(Femur)壓負(fù)載等。于1986年

提出立法草案，于1988年修正案正式立法，運(yùn)輸^客機(jī)飛機(jī)座椅設(shè)計(jì)標(biāo)

準(zhǔn)將納入16g動(dòng)態(tài)測(cè)試要求。

隨后FAA委托美國(guó)汽串工程協(xié)會(huì)(SocietyofAutomotiveEngineering,

SAE)于1990制訂航天標(biāo)準(zhǔn)AS8049[7],針對(duì)座椅性能設(shè)計(jì)與開發(fā)訂定

規(guī)范包含加入乘客定義座椅尺寸、靜態(tài)動(dòng)態(tài)負(fù)載條件等。將不同種^飛機(jī)

的座椅分^為四種座椅型式，并依據(jù)不同座椅型式制訂不同的測(cè)試法法規(guī),

如表1-1所示。FAA又于1998年發(fā)布飛機(jī)座椅技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定TSO-

C127a[8],針對(duì)旋翼飛機(jī)、運(yùn)輸^飛機(jī)與一般功能性飛機(jī)座椅系統(tǒng)規(guī)

定最低性能標(biāo)準(zhǔn)(MPS),新的座椅制造完工后于有效期限內(nèi)通過(guò)最低性能標(biāo)

準(zhǔn)，其質(zhì)量需求皆制訂于航天標(biāo)準(zhǔn)AS8049中。

表1-1、飛機(jī)座椅型式分^與對(duì)應(yīng)規(guī)范⑺

ApplicableFederal

SeatTypeAircraftCategory

Regulations

ATransportAirplane14CFRPart25

BNormalRotorcraft14CFRPart27

CTransportRotorcraft14CFRPart29

DGeneralAviationAircraft14CFRPart23

5

航天建議參考手冊(cè)ARP5526[9]提供飛機(jī)座椅設(shè)計(jì)規(guī)范的就明與導(dǎo)

引，針對(duì)座椅各零組件設(shè)計(jì)要求逐項(xiàng)^明，以及其他評(píng)估座椅性能的配重

規(guī)定。包含椅背、餐盤、扶手等需避開可能造成乘客危險(xiǎn)，以頭部碰撞路

徑(圖1-3)做為參考，其范圍內(nèi)應(yīng)避免有尖銳角度之設(shè)計(jì)。最后提供座

椅次結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與耐久測(cè)試之負(fù)載條件就明。

圖1-3、頭部碰撞路徑范圍[9]

針對(duì)運(yùn)輸客機(jī)的座椅型式，F(xiàn)AA發(fā)布通告AC25.562-1B[10]于動(dòng)態(tài)

測(cè)試規(guī)范與認(rèn)證條件進(jìn)行詳細(xì)的描述，包含測(cè)試設(shè)備選用與架設(shè)、假人放

置角度與位置、測(cè)試流程與負(fù)載條件以及評(píng)斷通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)等，以提供研究人

員便于了解測(cè)試法規(guī)規(guī)范，并有能力完成實(shí)驗(yàn)。

為了改善飛機(jī)結(jié)構(gòu)抗碰撞能力以及座椅安全防護(hù)能力，座椅設(shè)計(jì)與開

發(fā)皆需經(jīng)過(guò)測(cè)試，然而動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)所需要的時(shí)間與設(shè)備成本相當(dāng)高，所幸科

技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)上的突破，大幅提升計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力，使

分析模型可允許更大的元素?cái)?shù)目使模型更為完整。座椅開發(fā)時(shí)可搭配計(jì)算

機(jī)有限元素軟件進(jìn)行分析，能增加效率以及減少成本。FAA制訂通告

AC20-146[11],提供使用計(jì)算機(jī)有限元素分析的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)座椅的認(rèn)

證(CertificationByAnalysis,CBA)的方法，其中包含如何驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模

型，以及進(jìn)行模擬分析以符合TSO之規(guī)范，定義分析技術(shù)的限制、可

接受之應(yīng)用以及模型驗(yàn)證步驟。依據(jù)假人傷害指數(shù)規(guī)范以及座椅結(jié)構(gòu)變形

與受力情況，評(píng)估并預(yù)測(cè)座椅設(shè)計(jì)是否通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)試法規(guī)。

6

SAE發(fā)布航天建議參考手冊(cè)ARP5765［12］,文中詳細(xì)描述應(yīng)用有限

元素分析軟件，進(jìn)行飛機(jī)座椅動(dòng)態(tài)測(cè)試的仿真，相關(guān)設(shè)定與注意事項(xiàng)，使

仿真條件符合法規(guī)規(guī)范，并提供建議使分析模型提升準(zhǔn)確度，并將

Bhongeetal.動(dòng)態(tài)分析飛機(jī)座椅有限元素模型建立方法［13］納入。其中包

含座椅模型建立、假人放置于座椅上之校正與定位、軟件中元素的使用與

質(zhì)量要求、接觸型式的設(shè)定與意義、負(fù)載條件的設(shè)定方法，并提供相關(guān)模

擬易發(fā)生的求解錯(cuò)誤(Error)與建議的解決方法以及后處理輸出結(jié)果數(shù)據(jù)等,

最后于附件提供與安全帶與座椅軟墊的材料性質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

飛機(jī)座椅動(dòng)態(tài)測(cè)試法規(guī)選用之假人為重量170磅且需符合49CFR

Part572SubpartB［14］規(guī)范。當(dāng)時(shí)制訂法規(guī)時(shí)期HybridII50thPercentile

MaleDummy是唯一選擇。然而隨著汽卓工業(yè)與測(cè)試假人的發(fā)展，于1988

年期間發(fā)展出新一代假人HybridIII50lhPercentileMaleDummy,其規(guī)范

為49CFRPart572SubpartE［15］。修改頸椎結(jié)構(gòu)增加運(yùn)動(dòng)撓度,頭部加

入六軸向加速度計(jì)以提高加速度值量測(cè)的精準(zhǔn)度，并添更多感知器，以

提高生物真實(shí)性為提升飛機(jī)座椅乘客安全性設(shè)計(jì)技術(shù)FAA將HybridIII

Dummy納入動(dòng)態(tài)測(cè)試使用，但HybridIIIDummy的開發(fā)是適用于汽隼工

業(yè)，假人呈現(xiàn)駕駛?cè)俗饲也捎脧澢褪窖担瑸榇_保HybridIIIDummy

的動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)能等效于HybridIIDummyo故由美國(guó)耳第邦總署航天醫(yī)學(xué)

中心(CivilAerospaceMedicalInstitute,CAMI)與應(yīng)用安全技術(shù)公司

(AppliedSafetyTechnologiesCorp.,ASTC)合作將HybridIIIDummy進(jìn)行

修改以符合飛機(jī)座椅法規(guī)使用。其主要修改腰椎與骨盆區(qū)域，并進(jìn)行飛

機(jī)座椅動(dòng)態(tài)法規(guī)測(cè)試，主要比對(duì)項(xiàng)目為假人各部位重量分配必須正確，

假人身上量測(cè)損傷指數(shù)的感知器功能必須符合法規(guī)要求，以及身體動(dòng)態(tài)

行為必須可被量測(cè)。該研究共比對(duì)腰椎軸向負(fù)載、安全帶負(fù)載、頭部軌

跡、頭部速度等。結(jié)果顯示HybridIIIDummy經(jīng)修改后可符合飛機(jī)座椅

動(dòng)態(tài)法規(guī)規(guī)范［16］。本研究模擬使用LSTC公司所提供之HybridIII50th

PercentileDummy,假人附加的言兌明手冊(cè)［17］含有假人校正信息，各項(xiàng)測(cè)

試與模擬比對(duì)，驗(yàn)證假人模型之等效性。就明手冊(cè)提供如何輸出假人身

上各個(gè)感知器數(shù)據(jù)，以及如何調(diào)整假人姿勢(shì)等信息。

7

飛機(jī)座椅動(dòng)態(tài)測(cè)試法規(guī)搭載碰撞測(cè)試人偶(ATD),用以評(píng)估乘客于碰撞

過(guò)程中生還與否之準(zhǔn)則為頭部傷害指數(shù)(HeadInjuryCriterion,HIC)。起

初頭部傷害風(fēng)險(xiǎn)是以頭部撞擊加速度與持續(xù)時(shí)間關(guān)系曲線(WayneState

ToleranceCurve,WSTC)［18］評(píng)估。如圖1-4所示，曲線右上方表示區(qū)域

表示有生命危險(xiǎn)，而左下方區(qū)域?yàn)闊o(wú)生命危險(xiǎn)。由曲線可看出人腦的傷害

與承受的加速度值及持續(xù)時(shí)間有關(guān)耳酎性，當(dāng)頭部碰撞為接觸式碰撞是屬于

高加速度值持續(xù)時(shí)間短，而非接觸式碰撞屬于低加速度值持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，其

中高加速度但持續(xù)時(shí)間短比起低加速度值而持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)較不易造成頭部傷

害［19］。1970年代福特通用汽孰GeneralMotor)公司，搭配碰撞測(cè)試假

人進(jìn)行汽事前碰撞實(shí)驗(yàn)，由工程師Versace提出量測(cè)假人頭部質(zhì)心位置

加速度值與時(shí)間曲線，取任一時(shí)間區(qū)間進(jìn)行積分，以最大值表示傷害的風(fēng)

險(xiǎn)［20］,如式1-1所示。并于1972年列入美國(guó)耳帑邦汽事安全標(biāo)準(zhǔn)

(FederalMotorVehicleSafetyStandards,FMVSS)No.208。定義HIC時(shí)間

區(qū)間不可超過(guò)36毫秒。當(dāng)HIC等于1000時(shí)有16%的機(jī)率因?yàn)槟X部傷害

而致命［21］。HIC為重攵值計(jì)算所獲得，丁丫同1々出.［22?|各出1(2與簡(jiǎn)易傷害

指數(shù)(AbbreviatedInjuryScale,AIS)進(jìn)行比對(duì)，并找出其關(guān)速性如表1-2所

示。當(dāng)HIC值為1000時(shí)相對(duì)于AIS為3,表示昏迷程度為1到6小時(shí)無(wú)

意^狀態(tài)，且頭骨可能產(chǎn)生凹陷性骨折。

圖1-4、TheWayneStateToleranceCurve(WSTC)[18]

8

表1-2、HIC與AIS關(guān)耳第性[22]

HICAISLevelofconsciousness

135-5191Headacheordizziness

520-8992Unconsciouslessthan1hour-Linearfracture

900-1,2543Unconscious1-6hours-Depressedfracture

1,255-1,5744Unconscious6-24hours-Openfracture

1,575-1,8595Unconscious>25hours-Largehematoma

>1,8606Nonsurvivable

飛機(jī)于垂直俯沖碰撞時(shí)\乘客腰椎受力過(guò)大可能造成傷害，嚴(yán)重則可

能造成生命危險(xiǎn)。飛機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試法規(guī)將腰椎與骨盆間軸向壓負(fù)載列入重要

參數(shù)，以評(píng)估乘客是否受到保護(hù)。于噴射座椅設(shè)計(jì)與測(cè)試時(shí)期，針對(duì)腰椎

受力與傷害情形，發(fā)展出動(dòng)態(tài)響應(yīng)指毒攵(DynamicResponseIndex,DRI)