一种载人eVTOL乘员保护系统的适坠性与损伤评估方法

本发明涉及垂直起降飞行器乘员保护，具体为一种载人evtol乘员保护系统的适坠性与损伤评估方法。

背景技术：

1、电动垂直起降飞行器作为新一代城市空中交通工具，具有垂直起降、环保节能、低噪音等特点，在缓解城市交通拥堵、推动低空经济发展方面展现出巨大潜力，然而随着载人evtol向商业化运营推进，其安全性问题日益突出，尤其是适坠性设计已成为关键技术挑战。

2、适坠性指飞行器在碰撞等意外事件中保护乘员的能力，核心是降低碰撞冲击对人体施加的载荷与加速度，该概念最早源于航空领域，传统航空器适坠性研究表明，乘员保护系统在坠机事故中起关键作用，需通过座椅安全带系统与吸能地板的协同作用，将人体受伤风险降至最低。

3、现有的适坠性研究多集中于直升机和固定翼飞机。这些研究通常基于多年的事故分析和实验数据，涵盖了从结构设计到乘员保护的多个方面。对于evtol等新型低空航空器，其飞行特性、结构构型以及操作环境与传统航空器存在显著差异，例如evtol通常具有多旋翼设计，低空飞行更为频繁，对低空障碍物的感知和回避能力要求更高，此外evtol的电动推进系统和分布式推进布局也与传统航空器不同，导致发生坠撞时可能导致不同的乘员动态响应和损伤模式。

4、与传统航空器相比，evtol在结构形式、飞行剖面、操作环境等方面存在显著差异，导致现有适坠性理论难以直接应用，亟需建立契合evtol特点的适坠性评估理论与方法。

5、为了解决上述问题，我们对此做出改进，提出一种载人evtol乘员保护系统的适坠性与损伤评估方法。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

2、本发明提供一种载人evtol乘员保护系统的适坠性与损伤评估方法，包括以下步骤：

3、s01、建立有限元模型：基于atd开源模型构建载人evtol的乘员保护系统，简化该保护系统的几何外形构件立体模型，根据该立体模型建立有限元模型；

4、s02、选择平均单元应力作为收敛性评估指标：采用针对座椅模型的独立网格收敛性分析方法，对比不同网格密度下的座椅平均应力，确认网格收敛性分析结果的可靠性，通过在座椅模型上施加代表假人-座椅相互作用的载荷，单独评估座椅模型的网格敏感性；

5、s03、建立航空座椅-atd系统的仿真模型：包括四点安全带、atd模型和座椅模型；

6、s04、有限元模型验证分析：针对峰值误差（gpv）、时刻误差（gpt）、以及曲线形状误差（sg）对有限元模型进行试验、仿真及载荷误差评价，验证模型的有效性，仿真和试验误差设置低于13％，对于峰值的预测误差小于2％，对于曲线形状的预测误差小于10％；

7、s05、建立垂直冲击载荷下载人evtol乘员包含头部、颈部、腰椎和腿部的多部位损伤评价指标体系，使用水平冲击滑台进行垂直实验，冲击实验采用60°向前水平偏转角，且实验座椅和atd与冲击方向保持30°角；

8、s06、建立加载脉冲和俯仰角对乘员损伤的评价指标体系。

9、作为本发明的一种优选技术方案，所述s02包括：

10、在有限元前处理软件中进行11种网格划分与单元尺寸测试，当单元尺寸小于2-4mm时，平均单元应力输出趋于稳定，即2mm网格与5mm网格的计算误差小于5％。

11、作为本发明的一种优选技术方案，所述s02包括：

12、座椅采用7075-t6航空铝材，采用通用非线性有限元程序定义座椅材料；

13、坐垫和靠背使用聚氨酯泡沫材料，且采用高压缩低密度泡沫材料进行建模，材料的密度为101kg·m-3，杨氏模量为1.16mpa。

14、作为本发明的一种优选技术方案，所述s03包括：

15、四点安全带模型采用一维单元与二维壳单元相结合的混合建模方法构建，一维单元模拟安全带和连接点的连接，二维单元模拟安全带对atd的接触和约束，在通用非线性有限元程序中，将假人的人体设置为主接触面，将座椅整体结构和假人与座椅、安全带与假人的接触面设置为从接触面；

16、座椅整体结构采用contact_automatic_single_surface接触算法；假人与座椅及安全带与假人的接触采用contact_automatic_surface_to_surface接触算法。

17、作为本发明的一种优选技术方案，所述s04包括：

18、模型有效性通过冲击过程中试验假人与仿真假人的运动姿态对比和两者所受载荷对比进行验证；

19、其中：

20、

21、

22、上式中为试验曲线峰值,为试验曲线峰值对应的时刻,为仿真曲线峰值,为仿真曲线峰值对应的时刻；

23、曲线形状误差采用sprague和geers综合误差法：

24、

25、

26、

27、

28、

29、

30、其中为试验曲线，为仿真曲线，为幅值误差，为相位误差，为综合曲线形状误差。

31、作为本发明的一种优选技术方案，所述s05包括：

32、采用头部伤害判据（hic）评估头部损伤风险，头部伤害判据（hic）算式如下：

33、

34、上述代表积分初始时间，代表积分终止时间，表示头部撞击加速度。

35、作为本发明的一种优选技术方案，所述s06包括：

36、设置脉冲持续时间为30-70ms，在保证加速度峰值30g且脉冲三角形形状不变的情况下，以10ms为间隔设置达到脉冲峰值的时间从25-80ms进行仿真模拟，预测evtol在撞击事件中的乘员损伤风险。

37、本发明的有益效果是：该种载人evtol乘员适坠性与损伤评估方法及保护系统,通过建立一个适合于分析简易损伤量表在垂直载荷下响应的有限元模型，采用有限元法研究载人evtol的乘员保护系统适坠性评估与乘员损伤评估方法，为载人evtol的适坠性适航审定提供参考，根据动态垂直冲击试验建立有限元模型，通过对比试验和仿真数据验证所建立模型的有效性，基于简易损伤量表对垂直冲击载荷下乘员各部位损伤风险进行预测，并通过改变参数分别研究不同地板初始变形、冲击脉冲曲线、坠撞初始俯仰角对人体负载和加速度响应之间的关系，实现将分析技术用于载人evtol的乘员保护系统适坠性适航评估，采用一维单元与二维壳单元相结合的混合建模方法，构建了四点安全带模型，一维单元模拟安全带和连接点的连接，二维单元模拟安全带对atd的接触和约束航空座椅的座垫和靠背通过contact_tied_surface_to_surface接触算法附着在座椅框架结构上，防止其脱落或滑落。

1.一种载人evtol乘员保护系统的适坠性与损伤评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种载人evtol乘员保护系统的适坠性与损伤评估方法，其特征在于，所述s02包括：

3.根据权利要求2所述的一种载人evtol乘员保护系统的适坠性与损伤评估方法，其特征在于，所述s02包括：

4.根据权利要求1所述的一种载人evtol乘员保护系统的适坠性与损伤评估方法，其特征在于，所述s03包括：

5.根据权利要求1所述的一种载人evtol乘员保护系统的适坠性与损伤评估方法，其特征在于，所述s04包括：

6.根据权利要求1所述的一种载人evtol乘员保护系统的适坠性与损伤评估方法，其特征在于，所述s05包括：

7.根据权利要求1所述的一种载人evtol乘员保护系统的适坠性与损伤评估方法，其特征在于，所述s06包括：