[发明专利]一种舰载机座椅背带约束系统的建模和仿真方法

权利要求书

1.一种舰载机座椅背带约束系统的建模和仿真方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、选用刚性材料建立座椅的有限元模型，在座椅有限元模型上建立具有生物力学特征的多刚体假人模型以及假人的背带模型；并将座椅、假人和背带模型组合为人椅背带系统模型；

多刚体假人的躯干与有限元座椅模型的椅背贴合，在假人与座椅之间的接触中设置座椅为主接触面；假人的背带模型采用混合安全带模式，拉紧机构到肩部采用多刚体模型，其余部分采用有限元模型；在假人与背带的接触约束中定义假人为主接触面；

步骤二、提取出座椅的加速度曲线中的参数后进行高频滤波处理，保留低频波动特征，作为计算模型的输入参数；

步骤三、利用输入参数对舰载机飞行员进行生物力学仿真，得到最终时刻假人各刚体节段的位移和姿态，以及每个刚体的铰约束力；

具体步骤如下：

步骤301、设定假人的初始速度和初始加速度均为0，将滤波后的加速度数据作为座椅的加速度；

步骤302、启动仿真，对于t_n时刻，确定人椅背带系统模型的主从接触面，利用基于从接触面节点在主接触面接触厚度的穿透的接触算法进行搜索，将穿透记为发生接触，获取所有发生接触的假人刚体节段；

步骤303、对于每一个存在接触的假人刚体节段i，计算该刚体节段i的接触合力和合力矩；

具体为：

首先，对于每一个存在接触的假人刚体节段i，利用节点在主接触面的穿透量除以主接触面单元厚度得到应变；

然后，通过假人的“应力－应变”接触特性曲线，获取发生接触表面的单元接触应力σ_i；

进一步，利用单元接触应力σ_i乘以接触单元面积得到单元接触力f_i，通过对接触面积上的所有单元进行积分，得到刚体节段i的接触合力F_p和作用点位置；

刚体节段i的接触合力F_p计算如下：

F_p＝∑f_i (1)

最后，计算接触合力F_p对于该刚体节段i质心的合力矩；

对于每一个不存在接触的假人刚体节段，其接触合力和合力矩均为0；

步骤304、考虑两个刚体节段间的接触合力和合力矩，先计算节段i的质心运动方程，节段j的运动根据节段i的相对关系来进行计算；

刚体节段i的质心运动方程包括接触合力的矢量F_i和合力矩矢量T_i，公式如下：

其中，m_i为刚体节段i的质量，为刚体节段i质心的加速度，是刚体节段i相对于惯性空间原点的矢径对时间的二阶导数，F_i为刚体节段i质心接触合力的矢量；

J_i为刚体节段i对于质心的惯性张量，ω_i为刚体节段i的角速度矢量，是刚体节段i局部坐标系相对于惯性系转角对时间的一阶导数；为刚体节段i的角加速度矢量，是刚体节段i局部坐标系相对于惯性系转角对时间的二阶导数，T_i为刚体节段i质心的合力矩矢量；

步骤305、利用刚体节段i的质心运动方程，分别乘以位置矢量的变化量δr_i和方向矢量的变化量δπ_i，并相加得到动力学普遍方程；

步骤306、在变化量δr_i和δπ_i不违背刚体间连接铰约束类型的情况下，利用虚功原理消除刚体节段i的质心运动方程中未知的铰约束力和约束扭矩；

步骤307、针对整个多刚体系统，根据动力学普遍方程，计算任意两个铰相连的刚体节段的之间矩阵形式；

其中，r为系统中各个刚体的矢径列阵，r＝[r₁,r₂,r₃,...r_N]^T；ω为系统中各个刚体的转动角速度列阵，ω＝[ω₁,ω₂,ω₃,...ω_N]^T；为系统中各个刚体的转动角加速度列阵；为系统中各个刚体的加速度列阵；

δr为系统中各个刚体的虚位移矩阵，δr＝[δr₁,δr₂,δr₃,...δr_N]^T；δπ为系统中各个刚体的虚角位移矩阵，δπ＝[δπ₁,δπ₂,δπ₃,...δπ_N]^T；

m为各个刚体相应的质量，m＝diag[m₁,m₂,m₃,...m_N]；J为各个刚体相应的惯性张量矩阵，J＝diag[J₁,J₂,J₃,...J_N]；F为各个刚体相应的接触合力的矩阵，F＝[F₁,F₂,F₃,...F_N]^T；T为各个刚体相应的合力矩的矩阵，T＝[T₁,T₂,T₃,...T_N]^T；

步骤308、通过广义坐标计算任意两个铰相连的刚体节段之间的矩阵形式中的矢径与角速度；

广义坐标为相邻刚体的相对位移和相对转角，也就是相邻刚体之间铰的自由度；系统任意刚体的位置和姿态通过广义坐标和时间表示；

广义坐标和矢径与角速度存在如下关系：

矩阵α，β，u，v是坐标转换矩阵，其具体表达式与刚体系统中的运动铰类型有关，不同的铰由于其自由度数量和自由度类型的不同，转换关系也就不同；α，β分别表达广义坐标与刚体矢径和角速度的转换关系；u，v连同α，β构成了广义坐标加速度与刚体质心加速度和刚体角加速度的转换关系；δq为广义坐标的变分；表示广义加速度；

步骤309、利用任意两个铰相连的刚体节段的之间矩阵形式，以及矢径与角速度计算等效质量矩阵A和等效外载荷矩阵B之间的关系；

将广义坐标和矢径与角速度之间的关系式(6)(7)代入式(5)，得到如下关系：

步骤310、采用数值方法求解等效质量矩阵A和等效外载荷矩阵B之间关系式的二阶微分方程式，并且联立广义坐标和矢径与角速度的关系式，求得假人模型任意刚体节段在某时刻的运动参数，进而获得各刚体节段的位移和姿态；

运动参数，包括速度，加速度，角速度和角加速度；

步骤311、利用假人各刚体节段的位移和姿态，计算每个刚体的铰约束力；

在计算铰的约束力时，对各铰解除约束，然后对于每个刚体的动力学方程式(2)(3)计算铰的约束反力；

步骤312、递推时间到下一时刻t_n+1，返回步骤303，直至到达仿真要求的时间长度；

步骤四、根据仿真最终时刻假人各刚体节段的位移和姿态，评估背带系统的约束效果；同时，根据仿真最终时刻各刚体节段的铰约束力判断飞行员关节的受力情况；

获得假人模型各部分的运动学响应和关节受力情况，用于以下方面：结合损伤生物力学中的损伤准则评估飞行员在训练过程中由于关节受载过大带来的损伤；结合座舱布局判断飞行员在运动响应过程中是否会与座舱仪器仪表发生碰撞，导致误操作或受到损伤。