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河北華利機械配件有限公司

負過載下某型彈射手柄材料偏硬對飛行安全的影響分析

2013/7/11 14:40:45

 

    吳曉君      代警衛

    (中國人民解放軍海軍駐襄樊地區航空軍事代表室  湖北  襄陽441003)

    【摘  要】某型引俄彈射手柄國産化後材料偏硬,在負過載飛行過程中,由于飛行員雙腿與手柄之間的幹涉,存在座椅意外彈射的可能.本文通過建模計算結果與現場實測數據的分析對比,理論上否定了此可能性的存在,克服了采用試驗驗證的困難。

    【關鍵詞】彈射座椅;手柄:負過載;安全性

引言

    某型火箭彈射座椅自國産化以來.彈射手柄與俄制件相比.一直存在聚氯酯材料偏硬且難以彎曲收縮的問題,該問題直接影響到飛機的飛行安全性及飛行員的乘坐舒適性,尤其是在飛機機動下沈或倒飛的負過載條件下.由于飛行員雙腿與手柄下端存在直接接觸.可能出現意外帶出手柄致使座椅彈射啓動的情況.對飛行安全將造成嚴重威脅.而對于材料相對偏軟的俄制件,負過載下當雙腿夾手柄時,手柄能夠向航向方向彎曲收縮避免該情況.在試驗驗證較難實現的情況下,本文將運用數學建模的方法對負過載下該型手柄材料偏硬對飛行安全的影響進行理論分析.

建立三軸坐標系

    建立空間坐標系是數學建模的基礎.爲便于分析計算.選取座椅坐標系XYZ和手柄坐標系XIY121,其中座椅坐標系原點選在彈射手柄支點,而非廣義上的座椅重心.

    座椅坐標系XYZ:選取彈射手柄支點爲坐標系原點。X軸爲飛機航向,沿航向爲正:Y軸水平垂直于X軸;Z軸爲過載方向,向下爲正。

    手柄坐標系XIY121:選取彈射手柄支點爲坐標系原點Zl軸沿手柄方向,向下爲正:Yl軸與座椅坐標系中Y軸方向相同,Xl軸與Zl軸垂直,方向沿航向爲正,但與航向存在一定夾角d

2數學建模

    根據實際飛行員乘坐及飛行條件.爲方便計算從工程上對數學模型進行適當簡化:1)在不考慮手柄彎曲變形時將整個手柄考慮爲一剛性件,將其外形結構近似爲等腰三角形,但考慮兩個分手柄之間存在夾角這一情況;2)將負過載a考慮爲一線性變化量值,即a=ngn爲過載系數,忽略其中的非線性變化:3)在分析過程中,始終考慮人椅系統爲一相對靜止物體:4)由于手柄爲塑性較光滑材料,著裝後人體大腿形狀相對較爲圓滑,忽略相互之間的摩擦力.

    彈射手柄由兩個分手柄組成,分手柄之間存在^,角度。负过载情况下,手柄主要受到因双腿夹紧产生的拉出力和导致其弯曲收缩的弯曲力.这两个力同时存在,且在一定范围内呈正比例关系,随着拉出力的增大,弯曲力同时也在增大,若弯曲力还未寻致手柄弯曲但手柄已经向上拉出,則将对飞行安全造成严重影响:但若弯曲力达到能使手柄弯曲的程度而手柄未被拉出.則手柄不会被飞行员双腿夹紧产生的拉出力拉出,即对飞行安全没有影响:由于这两个力实际作用方向正好垂直,爲分析方便,在下面的數學建模过程中,对这两个力分布进行单独分析,最后进行综合论证,得到结果.

2 l手柄拉出力模型分析

    1爲手柄在座椅坐標系xz轴方向的投影受力平面圖.F爲負過載條件下人雙腿對彈射手柄産生的反作用力.方向沿重力方向向上.Fl .F2爲其分力.d爲手柄投影與X軸夾角,,

根據牛頓第二定律,F=Ma.其中M爲人體重量.a爲負向過載.a=ng。根据圖解受力分析,Fl=Masinc,F2=Macos,ce;Fl直接作用在手柄上,方向與手柄一致,決定手柄拉出程度:F2決定手柄彎曲程度.   

兩個分手柄並不在同一平面上,相互之間存在一個^v角度,如圖4所示.但由于兩邊手柄對稱,于Yl軸方向力平衡消除.Zl方向的合力F5與該1角度並無關系,因此在分析過程中未對其進行考慮。但在下面分析拉彎力時就必須做出分析.

2.2手柄拉彎力計算分析

    如圖1分析.F2直接作用在手柄上.方向爲手柄坐標系Xl軸方向,決定手柄彎曲程度、但由于分手柄之間叫角度的存在,實際上真正的手柄彎曲力是F2的一個分力,即F7,如圖5所示,圖中V字形爲手柄在XIY1平面的投影.

3數值計算分析

3.1  手柄拉出力數值計算

    假設飛行員爲大重量條件下飛行員,M =81.5kga=ng(n123),在飛行員著裝飛行時,可以近似考慮手柄與座椅椅背在同一平行線上,即Ⅸ近似爲座椅安裝角17度;B120度(通過量角器對照1:1圖纸测量得到)。

  F5=Masincts,.~-,,,,s(90一爭)

    =8 1.5*n*9.8*sin17*sin60*r,os30

    81.5*n*9.8*0.2923*0.866*0.866=175.085n N(n=l,2,3)

3.2手柄彎曲力數值計算

    假設飛行員爲大重量條件下飛行員,M=81.5kga=ngd近似爲座椅安装角;叫经现场测量爲120度。

  F7= Fsin=Macosce*l/2*s,n

4分析

某型弹射手柄的拉出力范围爲2328kgf。通過現場實際測量,對兩個分手柄下端中間位置各固定鐵絲,采用300kgf彈簧稱施加外力,經測試,70kgf拉力已經開始導致手柄彎曲變形,80kgf變形明顯,1 lOkgf時手柄能夠完全收攏.根據試驗時的拉力方向和作用點,實際上模擬的是負過載情況下的作用力F2.若考虑负过载爲1.即系數n=1.則F2=81.5 *9.8 *0.956=763.6N (77.92kgf),即当负过载爲1時,手柄已開始彎曲變形.但此時對應的手柄拉力F5=175.085N.遠小于技術要求中的最小拉出力225.4N(23kgf)。說明手柄未被拉動既已出現彎曲收縮。考慮到手柄在80kgf时已變形明顯,将拉出力设爲F2=80kgf,此时对应的负过载系数爲n =1.0267.手柄拉出力F5 =179.76N(18.34kgf),小于將手柄拉出的最小力23kgf。然而实际使用中,还应考虑手柄与飞行员双腿之间的摩擦力.根据相互间的运动关系.可以判断弹射手柄所受的摩擦力方向应是沿分手柄下沿向上.孝虑摩擦力.則手柄弯曲力应比现在的F2還要大.  

爲了方便,以上分析将拉出力和弯曲力分别考虑,但在实际中,分析负过载时某型弹射手柄材料偏硬对飞行安全的影响.必须综合考虑手柄受力时的拉出力和弯曲力,毕竟手柄不是一个完全刚体.存在受力变形的影响,,因此,负过载条件下,手柄在拉出过程中若存在弯曲收缩变形.将造成飞行员双腿对手柄拉出无受力支点.即拉出力在一定范围正比例增加后呈极速减小的情况.因此将不会造成意外弹射启动:但若拉出力达到手柄意外弹射启动所规定的要求后(2328kgf),手柄仍未出现受力变形,則将会造成意外弹射。通过以上分析可知,随着负过载增大,手柄弯曲程度逐渐明显,此时虽然F5增大,但由于手柄已經彎曲.F5將逐漸失去受力作用點,呈急速減小的趨勢,最終將失去作用點而無法推動手柄向上運動.

5結論

    通过对建模计算结果与现场实测数据的理论分析.手柄材料偏硬不会造成座椅意外弹射启动。,爲保证该型弹射座椅的可靠性,需要从试验角度对该问题作进一步分析研究.同时考虑到飞行员的乘坐舒适性.可以将使用硬度偏软的聚氨酯材料制造手柄的可行性作爲进一步研究的方向

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