Разработка и исследование адаптируемого под ребенка авиационного пассажирского кресла

Пассажирское кресло с ремнями безопасности – одни из основных элементов пассивной безопасности пассажира на всех этапах полета. Пассажир должен находиться в кресле и быть зафиксирован привязной системой ремней на этапах рулежки, взлета, захода на посадку и посадки. На эти этапы полета [1] приходится около 72% всех авиационных происшествий.

Требования авиационных нормативов [2] предписывают, что для каждого человека, достигшего двухлетнего возраста, должно быть предусмотрено отдельное кресло. Длина устройства фиксации должна быть регулируемой [4], чтобы обеспечить безопасную фиксацию пассажиров от двухлетнего возраста до взрослого мужчины. При этом в нормативных документах отсутствуют требования к регулированию посадочного места пассажирского кресла. Но антропометрические данные ребенка двух лет и взрослого мужчины существенно отличаются. Такая широкая универсальность пассажирского кресла практически исключает одинаково комфортную и безопасную посадку ребенка в кресло.

Основа современной гражданской авиации – эконом-класс. Размеры кресла эконом-класса жестко лимитированы и исключают использование в них детских кресел.

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ АДАПТИРУЕМОГО КРЕСЛА

Для решения данной проблемы разработана конструкция адаптируемого пассажирского кресла [3], обеспечивающего возможность трансформации его опорных поверхностей и для ребенка, и для взрослого (рис. 1).

Трансформация в вариант для ребенка выполняется поворотом в шарнирном соединении на требуемый угол подвижных боковин 2, 3 панели сиденья с закрепленными на них подушками и подвижных боковин 5, 6 спинки кресла. Требуемое положение фиксируется. Преимущества: простой механизм; невысокие затраты на модификацию; возможна регулировка опорной поверхности, угла наклона и высоты ограничивающих подушек; удобство посадки как ребёнка, так и взрослого.

Предложенное кресло должно ограничивать подвижность ребенка при условии действия на него расчетных динамических нагрузок [5], в отличии от стандартного кресла. Для проверки предположения были разработаны трехмерные модели: стандартного кресла эконом-класса (рис. 2, а); предлагаемого кресла в положении для взрослого (рис. 2, б) и трансформированном для ребенка (рис. 2, в); антропоморфной модели ребенка трех лет со средними значениями роста 110,40 ± 5,14 см (рис. 2, г).

a

б

Рис. 2. Трехмерные модели кресел и антропоморфной модели ребенка

Рис. 1. Конструкция адаптируемого кресла до (а) и после трансформации (б)

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОЙ И СТАНДАРТНОЙ КОНСТРУКЦИИ

В программе Ansys WB разработали конечно-элементные модель (рис. 3) и выполнили компьютерное моделирование перемещений антропоморфной модели ребенка трех лет в стандартном кресле.

Условились, что трансформация кресел не затрагивает силового каркаса для исключения испытаний согласно [2], [5]. Тип анализа: Transient

Structural (Динамический). Размерность задачи: число узлов 15534; число элементов 6846.

Определялись поверхности контактного взаимодействия. Далее к модели прикладывалось ускорение, разложенное по составляющим: X + Z = 3g, Y = ±1,5g. Закрепление «Fixed Support» - ограничение движения по всем осям, закрепление на ножках кресла.

Тело смоделировано в виде сосредоточенной массы (Point Mass) весом 14,95 кг. Для тела антропоморфной модели модуль Юнга, плотность,

Ansys

2021 R2

Рис. 3. Конечно-элементная модель в стандартном кресле

и коэффициент Пуассона брались из работы [6]. Для материала амортизирующих подушек (полиуретан) и стального каркаса кресел, данные брались из библиотеки Ansys для POLYURETH и Structural Steel, соответственно.

Максимальные деформации были через 0,18 секунды после приложения ускорения (рис.4). Дальнейшие результаты выводились для этого времени.

Перемещения антропоморфной модели ребенка трех лет в стандартном кресле от ускорения X+Z = 3g, Y = -1,5g (вправо) и ускорения X+Z = 3g, Y = 1,5g (влево) представлены на рисунке 5.

Согласно расчету (рис. 5) максимальное перемещение антропоморфной модели составило: от ускорения вправо Y=11,32 мм, от ускорения влево Y=11,251 мм.

Аналогичным образом выполнялись расчеты для предлагаемой конструкции адаптируемого под ребенка кресла. В программе Ansys WB разработали конечно-элементную модель (рис. 6) и выполнили компьютерное моделирование перемещений антропоморфной модели ребенка трех лет в адаптированном кресле. Размерность задачи: число узлов 18638; число элементов 7732.

Определялись поверхности контактного взаимодействия. Далее к модели прикладывалось ускорение, разложенное по составляющим: X + Z = 3g, Y = ±1,5g. Закрепление «Fixed Support» - ограничение движения по всем осям, закрепление на ножках кресла.

Максимальные деформации были через 0,17 секунды после приложения ускорения (рис.7).

Рис. 4. График перемещений по времени для ускорения X+Z = 3g, Y = ±1,5g

a

б

Рис. 5. Перемещение по оси Y от ускорения вправо (а) и влево (б)

Рис. 6. Конечно-элементная модель в адаптированном кресле

Рис. 7. График перемещений по времени для ускорения X+Z = 3g, Y = ±1,5g

a

б

Рис. 8. Перемещение по оси Y от ускорения вправо (а) и влево (б) в адаптированном кресле

Дальнейшие результаты выводились для этого времени.

Перемещения антропоморфной модели ребенка трех лет в предлагаемой конструкции кресла от ускорения X+Z = 3g, Y = -1,5g (вправо) и ускорения X+Z = 3g, Y = 1,5g (влево) представлены на рисунке 8.

Согласно расчету (рис. 8) максимальное перемещение антропоморфной модели составило: от ускорения вправо Y=0,147 мм, от ускорения влево Y=0,344 мм. Полученные расчетные перемещения сведены в таблицу 1.

Далее рассматривалась энергия деформации антропоморфной модели ребенка от приложенного ускорения в стандартном кресле (рис. 9) и предлагаемом адаптируемом кресле (рис. 10)

Полученные расчетные значения энергии деформации антропоморфной модели ребенка в стандартном и предлагаемом кресле сведены в таблицу 2.

ВЫВОДЫ

Сравнительный анализ выполненных расчетов показал, что перемещения антропоморфной модели ребенка трех лет в новом адаптируемом кресле в боковом направлении от приложенной расчетной нагрузки уменьшились по сравнению со стандартным креслом в 32,7…77. Следовательно, предлагаемая конструкция адаптируемого под ребенка кресла повышает безопасность пассажира при боковых ускорениях за счет существенного ограничения подвижности без снижения комфорта нахождения в кресле.

Уменьшение суммарной энергии деформации антропометрической модели ребенка под действием расчетных нагрузок в предлагаемой

Таблица 1. Перемещения антропоморфной модели от ускорения

Тип кресла	Стандартное кресло		Предлагаемое адаптируемое кресло
Направление ускорения	X + Z = 3g, Y = -1,5g, мм	X + Z = 3g, Y = 1,5g, мм	X + Z = 3g, Y = -1,5g, мм	X + Z = 3g, Y = 1,5g, мм
Перемещение	11,32	11,251	0,147	0,344

Таблица 2. Энергия деформации антропоморфной модели от ускорения

Тип кресла	Стандартное кресло		Предлагаемое адаптируемое кресло		д, %
Направление ускорения	X + Z = 3g, Y = -1,5g	X + Z = 3g, Y = 1,5g	X + Z = 3g, Y = -1,5g	X + Z = 3g, Y = 1,5g,
Энергия деформации, Дж	0,29239	0,26588	0,20081	0,20239
Суммарная энергия деформации, Дж	0,55827		0,40320		-27,78%

а

б

a

Рис. 10. Энергия деформации модели ребенка в предлагаемом кресле от ускорения X + Z =3g, Y = -1,5g (а), X + Z = 3g, Y = 1,5g (б)

Рис. 9. Энергия деформации модели ребенка в стандартном кресле от ускорения X + Z =3g, Y = -1,5g (а), X + Z = 3g, Y = 1,5g (б)

б

конструкции адаптируемого кресла на 27,78% по сравнению со стандартным креслом обеспечивает снижение вероятности травматизма ребенка под действием нагрузок при полете.