关于飞行器振动仿真模拟的分析
摘要:在飞机的飞行活动中,振动现象是普遍存在的,这不仅对飞机的结构有重要的影响,对飞行人员的心理、生理和病理等方面都产生较大的影响。本文从飞机振动的基本概念、类型、物理参数着手,分析飞机内部、外部振动源,振动环境对飞行人员的心理、生理和病理等方面的影响。对仿真要素进行分析,提供可模拟的数学模型;并可进一步制订仿真器的规范。
关键词:飞机振动;振动环境;仿真要素
目前关于飞行器仿真活动,主要是针对飞行器的飞行参数、飞行环境、及飞行性能进行的模拟分析,而关于对飞行器座舱环境中的振动情况,即人体振动环境没有进行模拟,也就是,总体上对飞行活动没有实现真实的再现。现代航空器、航天器在飞行活动中普遍存在着振动,他不仅影响着飞行器的结构,而且对飞行人员的生理、心理和病理等方面都产生一定的影响,是不可忽视的。为此,应对座舱的真实环境进行分析。
1 飞行器振动
所谓振动是系统的运动量值相对于某一平均值随时间变化的运动。只要系统具有惯性作用(如质量)和恢复力(如稳定力)就可能产生振动。对于飞行器而言,主要是由飞行器内部(如动力源)和外部(如气动力)原因使振动源相互作用产生。
飞行器的振动是指飞行中人体所接触的振动环境,包括身体与其支撑表面之间的界面振动、显示器和手控器的振动等,而不是泛指飞行器的所有振动环境。人体所承受的振动条件,称为人体全身振动环境,所呈现的振动特性也应该是仿真的要素。
在机械结构系统中常见的振动包括确定性振动(简谐、周期、稳定、瞬态、自由、强迫、自激等)和随机振动。振动问题就是研究激励(输入)、响应(输出)和系统动态特性三者之间的关系。描述振动对人体作用的主要物理参数有频率、振幅、加速度、暴露时间、振动作用方向、体位和环境温度。
2 飞机振动的环境分析
所谓振动环境是指飞机中人体所接触的振动环境。
航空振动能量的来源主要右两部分。飞机振动能量的来源主要有内部和外部两大部分。一般振动源有:
扭曲振动。往复式活动装置(阀门、压缩机、泵、发动机等),旋转装置(电机、风机、齿轮等)。扭曲振动。电机中轴、弹簧、机械皮带、导管等。挠曲型或平板型振动。发动机叶片、齿轮、地板、墙壁等。平移、轴向或刚体运动。往复式活动装置、马达、振动基座点。间歇振动。撞击地板、撞击墙壁、撞击壳体、继电器。随机的和混杂的振动。空气动力扰动、管道和导管中相互作用的气流和液流。
3 人体振动效应
在飞行模拟中。除了模拟飞机内、外部振动源诸要素外,还应进行人体振动效应的验证,使模拟环境与实际情况更接近。
3.1 振动作用于人体的途径
通过人体与结构物的接触面,或其他的人-机界面直接作用于整个人体或个别部位,如通过座椅、脚蹬、操纵杆等的接触面。
通过人体周围振动着的流体介质,如飞行器运动中发出的某些次声波通过空气对身体表面的能量传递。
非接触式的振动环境对人的间接干扰。如视野中飞行仪表发生振动时对人的视觉产生的干扰作用。
对于全身振动,人体的反应可用以下的定性方程表示:
式中,R0——人体的反应;Ki——作用于人体的振动环境;V——飞行速度;i——飞行器周围界面状态(气流及跑道等);b——飞行器结构的动力学特性;s——人体支撑结构(如座椅)的动力学特性;Kh——人体的效应特性;h——人体的效应特性;p——人体的效应特性。显然,在仿真模拟中,应考虑上述因素。
3.2 生物动力学效应
振动的作用引起身体组织的位移和变形,其结果构成生物动力学效应。不仅涉及身体组织的力学特性,而且涉及振动能量的感受、传递和衰减。
人体是一个复杂的振动系统,动力系统效应主要由频率响应和幅度响应构成。频率响应特性是以50Hz为分界点,分为低频和高频反应。
低频反应时,人体可视为由质量、弹性、阻尼及其连接器构成的多自由度振动系统。主要现象是身体共振,使某些器官或结构发生较大的波动,使身体不同部位或全身的振动 增强,进而引起人体不舒适、工效降低或危及健康。
高频反应,可视为振动波在具有分布常数的连续粘弹性介质中的传播,而不是集总参数系统的反应。但在高频区器官的共振。
3.3 生理效应
全身振动的生理效应,随着振动频率、强度和作用方向的不同而不同。取决于两方面:一是身体组织器官的位移和变形相关,具有明显的频率响应,并与共振现象密切相关;二是与非特异性应激的全身性反应有关,作用的强度响应和时间较明显。在次声频中等强度作用下(0.1g-1g),可引起心率、心输出量、呼吸频率、肺通气量、氧摄取量的增加。在强烈低频振动作用下,可引起心动过缓或期外收缩。
3.4 心理效应
振动引起人的主观不良效应主要是不舒适和烦恼,甚至疼痛,进而损害工效。
人体受振时的主观感觉随着不同的振动参数而不同。坐姿时对1Hz-2Hz的轻度振动感觉轻松和舒适;对4Hz-8Hz的中度振动,感觉十分不适;0.2Hz-0.27Hz的振动则非常厌恶,尤其是0.2Hz-0.3Hz,是运动病最敏感的频率。
4结论
在进行飞行仿真过程中,要根据航空器的种类,综合考虑振动人体工程的问题(生理效应、心理效应和病理效应)。找出所有可能的振动源,分析振动的频率、振幅、加速度、振动方向和暴露时间等振动参数,计算身体各部位的频率响应和幅度响应范围。
根据计算的参数模拟不同状态下的振动,分别再现:(1)生理效应的身体组织器官和全身的反应。测量人体的心率、动脉血压、心指数、氧耗量指数等;(2)心理效应的振动频率对人主觀感觉的影响,测试轻松、舒适、不适、十分不适、非常厌恶状态;(3)引起病理效应的振动频率和强度,诊断可能引起疼痛、病理损伤甚至致命等运动病的病理效应;(4)生理效应、心理效应和病理效应引起不良反应影响工效的实际情况。
仿真参数应该包含描述振动对人体作用的主要物理参数,主要有频率、振幅、加速度、暴露时间、振动作用方向、环境温度。具体的数据参考国标、国军标以及相关飞机技术说明书,鉴于篇幅所限,本文不再赘述。
客观上讲,在飞行仿真过程中,完全模拟出振动对人体工程的实际影响具有很大难度,模拟振动环境、振动源、振动参数在一定程度上是不易实现的,主要原因是飞行仿真器的动感所限。但是,不实现振动的模拟,与飞行的实际环境有很大差异,使得飞行人员在做仿真飞行中感觉比实际飞行"好飞",容易造成错觉,甚至"固僻"。而目前的飞行仿真器很少涉及飞行器的振动模拟,我们认为应该充分考虑振动的模拟。
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