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摘要：本文主要研究目的为分析航空座椅垫对基于刚性座椅的动态冲击试验的影响。本文由航空座椅及座椅垫的基本情况入手，对当前座椅垫动态力学特性评估的前沿动态做了简要介绍。其次综合分析了刚性座椅的航空座椅垫动态冲击试验的主要流程、相关标准、实验结果及其对航空座椅的重要作用与意义。最后，本文对如何兼得舒适度与适航性，航空座椅垫的发展前景做了简要讨论。
关键词：航空座椅垫；动态冲击试验；工程力学
1.引言
航空座椅是飞机必不可少的一部分，为客户在整个飞行过程中的安全提供最基础的保证。其中座椅垫作为与乘客直接接触的主要部件，不仅直接影响到乘客的舒适体验，而且在飞机遇到紧急情况时可能是拯救生命的关键。
正常情况下，航空座椅骨架使用寿命较长，只需要常规的保养和维护。但是座椅垫，由于其本身材料的特性，属于易耗品，必须定期更换，否则会影响适航的安全性和乘客的体验感。座椅垫的更换主要有两种方式，一种是直接采购OEM（original equipment manufacture）坐垫直接替换，这种方式的优点是其和座椅在出厂时已经通过相关的测试，可以直接采购使用，缺点是采购成本较高。另外一种方式是进行PMA（parts manufacture approval）更换件，这种方式的优点是大批量更换座椅垫时成本较低，缺点是更换的座椅垫必须符合相应规定标准，需要进行一系列适航实验，耗时较长，还需承担无法通过测试的风险，其中动态冲击力学性能的测试是适航试验中较为重要的部分。
在座椅垫动态力学特性的评估方面有很多相关的研究，其中王宝珍通过岛津试验机在不一样的震动频率下，测试汽车座椅的承受力变化函数关系曲线，对座椅材质的抗冲击能力做出基本的判定。李中兴使用一种模型，优化了可以翻转的座椅面对正面冲击时的应对方案。Paten等用建立模型（非线性的座椅垫振动）的方式，研究了垂直方向上振动的汽车座椅符合性，证明试验数据与证明模型响应数据和的一致性。Hamid使用了相互垂直的试验方法，对座椅的综合能力进行了试验，使用多媒体软件进行建模，保证实验结果接近真实的情况，通过这种测试方法，基本可以得到一个准确的参数值，对人体腰椎的承载能力得出判断，方便选择座椅以及座椅辅助部件。何斌使用另外一种座椅平台对座椅进行冲击实验，通过替换座椅的支撑部件，得到支撑部件的基础参数。李先使用多媒体设备建立了一个仿真模型，并且通过力学规律等方式测定了座椅垫的舒适性。
但是，綜合上面的研究得出的国内和国外座椅垫动态力学特性的研究对于汽车的综合舒适度是非常必要的，而这种实验方法在飞机座椅进行动态测试方面的研究还是相对比较少的，主要原因包括飞机座椅及其座椅垫的受众面小，研究难度较大，而且常规来说，动态冲击测试需要座椅骨架原型和座椅垫同时进行实验，是一定程度上的破坏试验。所以测试成本也较高。因而，我们需要寻找能以更低成本测试座椅的动态冲击力学特性的方案，这时加工简单、价格便宜而且容易用来试验的刚性座椅就成为最佳的选择。
2.试验过程
对于刚性座椅的试验方法，是通过相同的动态冲击力学的方式将刚性座椅代替实际座椅，这种刚性座椅的设计相当于模拟最严苛的座椅骨架，也就是说，如果座椅垫通过了这项测试，等同于其和实际座椅也通过了这项测试。相关部门对于座椅的要求比较严格，测试的时候主要通过测试冲击力得到座椅的参数，座椅主要满足水平方向的16g和垂直方向的14g 动态冲击试验。其中测试头部损伤判据HIC（head injury criteria）需用水平方向的16g 动态冲击试验，测试骨盆与腰椎间的最大压缩载荷需用垂直方向的14g动态冲击试验。以上试验都是为评估、测定飞机座椅结构的稳定性及其安全性而服务的。
测试需模拟飞机在真实飞行条件下的状况，以仿真假人（Dummy）为研究对象，假人骨盆、腰椎部位安放有压力传感器，16g 动态冲击试验条件见下表1：
14g动态冲击试验座椅状态见图2，具体试验条件见下表2：
在座椅处于水平的状态下，冲击力通过导轨传递到座椅底部，通过座椅相应部位的摩擦力作用，主要载荷通过安全带牵引力的作用。座椅系统内部冲击载荷主要的传递路径是通过16g 水平的冲击试验的条件给的。[1]水平方向的16g 动态的冲击试验和垂直方向的14g 动态的冲击试验中靠背垫不参与传力。座椅背垫可以很好的缓冲座椅横向产生的冲击力，而坐垫可以缓冲纵向产生的冲击力，这种缓冲模式与人体结构之间有着密切的联系，冲击力与人体腰椎压缩程度之间的关系是非常紧密的。通过这个试验，用以验证是否可以满足人腰椎的载荷，但最重要是保证所有进行的试验必须有效并具有可重复性。
在水平方向的16g动态冲击试验中，头部伤害依据（HIC）不能超过1000，座椅始终应连接在连接点上，结构变形不可严重到影响乘员的逃脱。垂直方向的14g动态冲击试验中，当地板处产生的最大负加速度在受到撞击后0.08秒之内出现了，且达到了14g，假人的骨盆与腰椎处所受的最大压缩载荷不超过6672N（即1500磅），座椅结构等都能在相应的冲击下保持较完好的性能，则判定航空座椅垫达到了适航标准。
3.实验结果分析
在对某款航空座椅垫进行上述水平方向16g动态冲击试验后，将相关试验数据按HIC的测定公式计算：
得出的HIC值约902，小于1000，符合相关规定。此外，座椅垫的变形幅度不大，连接处未偏离连接点，整体状况良好，不影响乘员的顺利逃离，符合适航标准。
对这款航空座椅垫进行垂直方向14g的动态冲击试验后，得到试验数据如下图2：
在图中可以看到，实际测试中的加速度的脉冲波形与目标脉冲波形较为吻合，相对偏差较小。在不计入三角波出现之前的时间时，地板处出现的最大负加速度出现时间在0.078秒，符合相关标准，最大加速度也达到了14.2g。在整个的试验过程中，尽管仿真假人的躯干随着冲击有较大幅度的移动，但自始至终它的脚背都没有脱离座椅，腰部承受的最大压缩载荷也未曾达到6000N，处在合格区间之内。同时，刚性座椅也未出现变形、结构损坏的状况，整体形态、结构良好，符合相应的适航标准。可见这款航空座椅垫是符合适航要求的，可以大量生产并使用。 4、讨论
4.1如何达到舒适性与适航性兼得
试验中刚性座椅骨架较常规的双联旅客座椅而言，结构有所简化。在对水平方向的16g与垂直方向的14g的动态冲击试验各自的传力途径进行分析后，结合相应的刚度、结构承载能力的需要，对整体的结构进行了简化处理，最终形成了空心的长方体形状，椅管与扶手支撑架简化成五个空心的刚性长方体，相邻部位则运用斜撑、螺栓、铆钉来进行连接、加固，运用此简化结构来进行试验。
上述实验过程中，在座椅骨架为最严苛的刚性骨架的前提下，如何科学地对座椅垫进行设计是确保试验通过的关键。
对座椅垫的设计主要包括两方面，一方面是外型的设计，另一方面是材料的选用和分布。由于外型是基于座椅骨架匹配设计的，故在刚性骨架的前提下不做过多的分析。
在材料的选用方面，目前主流的座椅垫（包括背靠垫），不论是应用在汽车上或是飞机上，由于其对造型的要求和所使用的材料，主要采用的制造工艺为模具一次性发泡成型的聚氨酯海绵。这种海绵，根据配方的配比，其密度和硬度可以进行调整，但由于大小和形状的限制，其调整的范围很有限（密度值55～80cm/m?，硬度值随着厚度不同而不同）。
由于坐垫本身需要承重，不宜使用较软的海绵，原因是其承托力差且极易变形，在受到瞬时加速度冲击时直接作用在仿真假人上，无法通过动态测试。但较硬的海绵给乘客带来的体验感较差，且受当前国内的发泡工艺限制，硬质海绵的密度难以做到均匀分布。
为了兼顾以上舒适性和适航性的要求，目前新兴了一种新的加工工艺方法。这种工艺方法是首先将海绵进行大块状发泡，形成不同的密度和硬度。再根据外形的要求对大块的海绵进行切割和再组装，这样就可以实现对不同硬度和密度的海绵进行组合，在保证通过试验的前提下兼顾舒适性的要求，尤其对商务舱和头等舱的舒适要求。
4.2航空座椅垫的发展前景
随着科学技术水平的提高与相关研究的深入，航空座椅及其座椅垫的研究已经有了一定的水平，有了兼具乘客舒适度需求与增强飛行安全性的航空座椅与座椅垫，它们必须符合力学结构，经受住繁复、高标准的测试，满足适航要求，才能被应用在飞行之中。
与此同时，航空座椅及其座椅垫并未停下发展的脚步，当前航空座椅垫有轻量化，无椅盆化的发展趋势，各大航空公司都在努力研发新的、更高水平的座椅。如意大利座椅制造商Geven公司和奥地利座椅垫制造商Greiner Aerospace公司合作，通过椅盆支撑材料内嵌座垫的方式，结合了乘客的舒适性考量，实现了无椅盆的座椅结构，极大的减少了座椅的加工成本，减轻了座椅的重量，从而减少整机的重量及燃油消耗量，具有里程碑的意义。
相较于一些发达国家而言，我国的航空座椅垫技术相对落后，之前配备的座椅及座椅垫都是进口的。然而，随着我国综合国力的稳步提升与经济水平的发展，这一方面的研究已经有了许多进步，越来越多的公司开始自主研发，出现了许多优秀成果，国产航空座椅及座椅垫占据的市场份额越来越大，品质也逐渐受到认可。
5、总结
航空座椅与座椅垫作为飞机的重要部件，在航行中有着难以替代的作用，它直接影响到乘坐人员的人身安全与乘坐体验，这就要求对它的适航性进行严格的检验。但直接使用航空座椅测试成本过高，此时运用刚性座椅做替代来进行动态冲击试验既节省成本，又有较好的试验效果与参考价值。通过对刚性座椅水平方向的16g与垂直方向的14g的动态冲击试验，我们就可以测试出座椅垫对人骨盆、腰椎处的载荷大小，是否会给人体带来过大负担，安全性是否达到要求。除却动态冲击试验外，座椅垫的阻燃性测试、漂浮性能与跳水性能测试都是必须的，并且和动态冲击测试是相互影响的，这些因素的平衡即构成了座椅垫设计的关键。
参考文献：
[1]中国民航总局.CCAR25运输类飞机适航标准[S].1990-7.
[2]中国民用航空局.中国民用航空规章第25部第四次修订.2001
[3]Mehta C R，Tewari V K.Damping characteristics of seat cushion materials for tractor ride comfort.Journal of Terramechanics，2010；47（6）：401-406
[4]何斌意.16g坐垫的维修更换.航空维修与工程，2014；（4）：.86-88.
[5]李先学，丁立，王兴伟，等.基于ANSYS的飞行员座椅坐垫舒适性仿真.北京航空航天大学学报，2015；41（2）：241-245.
[6]李仲兴，干金鹏，陈望.汽车后排可翻转坐垫在正面高速碰撞中的优化[J].机械设计与制造，2014，（10）：95-98.
[7]何斌意. 16g坐垫的维修更换[J]. 航空维修与工程，2014，（4）：86-88.
[8]李先学，丁立，王兴伟.基于ANSYS的飞行员座椅坐垫舒适性仿真[J].北京航空航天大学学报，2015，41（2）：241-245.
[9]袁杰主编.汽车车身结构及附属设备[M].人民交通出版社.2013.6.
关键词：航空座椅垫；动态冲击试验；工程力学
1.引言
航空座椅是飞机必不可少的一部分，为客户在整个飞行过程中的安全提供最基础的保证。其中座椅垫作为与乘客直接接触的主要部件，不仅直接影响到乘客的舒适体验，而且在飞机遇到紧急情况时可能是拯救生命的关键。
正常情况下，航空座椅骨架使用寿命较长，只需要常规的保养和维护。但是座椅垫，由于其本身材料的特性，属于易耗品，必须定期更换，否则会影响适航的安全性和乘客的体验感。座椅垫的更换主要有两种方式，一种是直接采购OEM（original equipment manufacture）坐垫直接替换，这种方式的优点是其和座椅在出厂时已经通过相关的测试，可以直接采购使用，缺点是采购成本较高。另外一种方式是进行PMA（parts manufacture approval）更换件，这种方式的优点是大批量更换座椅垫时成本较低，缺点是更换的座椅垫必须符合相应规定标准，需要进行一系列适航实验，耗时较长，还需承担无法通过测试的风险，其中动态冲击力学性能的测试是适航试验中较为重要的部分。
在座椅垫动态力学特性的评估方面有很多相关的研究，其中王宝珍通过岛津试验机在不一样的震动频率下，测试汽车座椅的承受力变化函数关系曲线，对座椅材质的抗冲击能力做出基本的判定。李中兴使用一种模型，优化了可以翻转的座椅面对正面冲击时的应对方案。Paten等用建立模型（非线性的座椅垫振动）的方式，研究了垂直方向上振动的汽车座椅符合性，证明试验数据与证明模型响应数据和的一致性。Hamid使用了相互垂直的试验方法，对座椅的综合能力进行了试验，使用多媒体软件进行建模，保证实验结果接近真实的情况，通过这种测试方法，基本可以得到一个准确的参数值，对人体腰椎的承载能力得出判断，方便选择座椅以及座椅辅助部件。何斌使用另外一种座椅平台对座椅进行冲击实验，通过替换座椅的支撑部件，得到支撑部件的基础参数。李先使用多媒体设备建立了一个仿真模型，并且通过力学规律等方式测定了座椅垫的舒适性。
但是，綜合上面的研究得出的国内和国外座椅垫动态力学特性的研究对于汽车的综合舒适度是非常必要的，而这种实验方法在飞机座椅进行动态测试方面的研究还是相对比较少的，主要原因包括飞机座椅及其座椅垫的受众面小，研究难度较大，而且常规来说，动态冲击测试需要座椅骨架原型和座椅垫同时进行实验，是一定程度上的破坏试验。所以测试成本也较高。因而，我们需要寻找能以更低成本测试座椅的动态冲击力学特性的方案，这时加工简单、价格便宜而且容易用来试验的刚性座椅就成为最佳的选择。
2.试验过程
对于刚性座椅的试验方法，是通过相同的动态冲击力学的方式将刚性座椅代替实际座椅，这种刚性座椅的设计相当于模拟最严苛的座椅骨架，也就是说，如果座椅垫通过了这项测试，等同于其和实际座椅也通过了这项测试。相关部门对于座椅的要求比较严格，测试的时候主要通过测试冲击力得到座椅的参数，座椅主要满足水平方向的16g和垂直方向的14g 动态冲击试验。其中测试头部损伤判据HIC（head injury criteria）需用水平方向的16g 动态冲击试验，测试骨盆与腰椎间的最大压缩载荷需用垂直方向的14g动态冲击试验。以上试验都是为评估、测定飞机座椅结构的稳定性及其安全性而服务的。
测试需模拟飞机在真实飞行条件下的状况，以仿真假人（Dummy）为研究对象，假人骨盆、腰椎部位安放有压力传感器，16g 动态冲击试验条件见下表1：
14g动态冲击试验座椅状态见图2，具体试验条件见下表2：
在座椅处于水平的状态下，冲击力通过导轨传递到座椅底部，通过座椅相应部位的摩擦力作用，主要载荷通过安全带牵引力的作用。座椅系统内部冲击载荷主要的传递路径是通过16g 水平的冲击试验的条件给的。[1]水平方向的16g 动态的冲击试验和垂直方向的14g 动态的冲击试验中靠背垫不参与传力。座椅背垫可以很好的缓冲座椅横向产生的冲击力，而坐垫可以缓冲纵向产生的冲击力，这种缓冲模式与人体结构之间有着密切的联系，冲击力与人体腰椎压缩程度之间的关系是非常紧密的。通过这个试验，用以验证是否可以满足人腰椎的载荷，但最重要是保证所有进行的试验必须有效并具有可重复性。
在水平方向的16g动态冲击试验中，头部伤害依据（HIC）不能超过1000，座椅始终应连接在连接点上，结构变形不可严重到影响乘员的逃脱。垂直方向的14g动态冲击试验中，当地板处产生的最大负加速度在受到撞击后0.08秒之内出现了，且达到了14g，假人的骨盆与腰椎处所受的最大压缩载荷不超过6672N（即1500磅），座椅结构等都能在相应的冲击下保持较完好的性能，则判定航空座椅垫达到了适航标准。
3.实验结果分析
在对某款航空座椅垫进行上述水平方向16g动态冲击试验后，将相关试验数据按HIC的测定公式计算：
得出的HIC值约902，小于1000，符合相关规定。此外，座椅垫的变形幅度不大，连接处未偏离连接点，整体状况良好，不影响乘员的顺利逃离，符合适航标准。
对这款航空座椅垫进行垂直方向14g的动态冲击试验后，得到试验数据如下图2：
在图中可以看到，实际测试中的加速度的脉冲波形与目标脉冲波形较为吻合，相对偏差较小。在不计入三角波出现之前的时间时，地板处出现的最大负加速度出现时间在0.078秒，符合相关标准，最大加速度也达到了14.2g。在整个的试验过程中，尽管仿真假人的躯干随着冲击有较大幅度的移动，但自始至终它的脚背都没有脱离座椅，腰部承受的最大压缩载荷也未曾达到6000N，处在合格区间之内。同时，刚性座椅也未出现变形、结构损坏的状况，整体形态、结构良好，符合相应的适航标准。可见这款航空座椅垫是符合适航要求的，可以大量生产并使用。 4、讨论
4.1如何达到舒适性与适航性兼得
试验中刚性座椅骨架较常规的双联旅客座椅而言，结构有所简化。在对水平方向的16g与垂直方向的14g的动态冲击试验各自的传力途径进行分析后，结合相应的刚度、结构承载能力的需要，对整体的结构进行了简化处理，最终形成了空心的长方体形状，椅管与扶手支撑架简化成五个空心的刚性长方体，相邻部位则运用斜撑、螺栓、铆钉来进行连接、加固，运用此简化结构来进行试验。
上述实验过程中，在座椅骨架为最严苛的刚性骨架的前提下，如何科学地对座椅垫进行设计是确保试验通过的关键。
对座椅垫的设计主要包括两方面，一方面是外型的设计，另一方面是材料的选用和分布。由于外型是基于座椅骨架匹配设计的，故在刚性骨架的前提下不做过多的分析。
在材料的选用方面，目前主流的座椅垫（包括背靠垫），不论是应用在汽车上或是飞机上，由于其对造型的要求和所使用的材料，主要采用的制造工艺为模具一次性发泡成型的聚氨酯海绵。这种海绵，根据配方的配比，其密度和硬度可以进行调整，但由于大小和形状的限制，其调整的范围很有限（密度值55～80cm/m?，硬度值随着厚度不同而不同）。
由于坐垫本身需要承重，不宜使用较软的海绵，原因是其承托力差且极易变形，在受到瞬时加速度冲击时直接作用在仿真假人上，无法通过动态测试。但较硬的海绵给乘客带来的体验感较差，且受当前国内的发泡工艺限制，硬质海绵的密度难以做到均匀分布。
为了兼顾以上舒适性和适航性的要求，目前新兴了一种新的加工工艺方法。这种工艺方法是首先将海绵进行大块状发泡，形成不同的密度和硬度。再根据外形的要求对大块的海绵进行切割和再组装，这样就可以实现对不同硬度和密度的海绵进行组合，在保证通过试验的前提下兼顾舒适性的要求，尤其对商务舱和头等舱的舒适要求。
4.2航空座椅垫的发展前景
随着科学技术水平的提高与相关研究的深入，航空座椅及其座椅垫的研究已经有了一定的水平，有了兼具乘客舒适度需求与增强飛行安全性的航空座椅与座椅垫，它们必须符合力学结构，经受住繁复、高标准的测试，满足适航要求，才能被应用在飞行之中。
与此同时，航空座椅及其座椅垫并未停下发展的脚步，当前航空座椅垫有轻量化，无椅盆化的发展趋势，各大航空公司都在努力研发新的、更高水平的座椅。如意大利座椅制造商Geven公司和奥地利座椅垫制造商Greiner Aerospace公司合作，通过椅盆支撑材料内嵌座垫的方式，结合了乘客的舒适性考量，实现了无椅盆的座椅结构，极大的减少了座椅的加工成本，减轻了座椅的重量，从而减少整机的重量及燃油消耗量，具有里程碑的意义。
相较于一些发达国家而言，我国的航空座椅垫技术相对落后，之前配备的座椅及座椅垫都是进口的。然而，随着我国综合国力的稳步提升与经济水平的发展，这一方面的研究已经有了许多进步，越来越多的公司开始自主研发，出现了许多优秀成果，国产航空座椅及座椅垫占据的市场份额越来越大，品质也逐渐受到认可。
5、总结
航空座椅与座椅垫作为飞机的重要部件，在航行中有着难以替代的作用，它直接影响到乘坐人员的人身安全与乘坐体验，这就要求对它的适航性进行严格的检验。但直接使用航空座椅测试成本过高，此时运用刚性座椅做替代来进行动态冲击试验既节省成本，又有较好的试验效果与参考价值。通过对刚性座椅水平方向的16g与垂直方向的14g的动态冲击试验，我们就可以测试出座椅垫对人骨盆、腰椎处的载荷大小，是否会给人体带来过大负担，安全性是否达到要求。除却动态冲击试验外，座椅垫的阻燃性测试、漂浮性能与跳水性能测试都是必须的，并且和动态冲击测试是相互影响的，这些因素的平衡即构成了座椅垫设计的关键。
参考文献：
[1]中国民航总局.CCAR25运输类飞机适航标准[S].1990-7.
[2]中国民用航空局.中国民用航空规章第25部第四次修订.2001
[3]Mehta C R，Tewari V K.Damping characteristics of seat cushion materials for tractor ride comfort.Journal of Terramechanics，2010；47（6）：401-406
[4]何斌意.16g坐垫的维修更换.航空维修与工程，2014；（4）：.86-88.
[5]李先学，丁立，王兴伟，等.基于ANSYS的飞行员座椅坐垫舒适性仿真.北京航空航天大学学报，2015；41（2）：241-245.
[6]李仲兴，干金鹏，陈望.汽车后排可翻转坐垫在正面高速碰撞中的优化[J].机械设计与制造，2014，（10）：95-98.
[7]何斌意. 16g坐垫的维修更换[J]. 航空维修与工程，2014，（4）：86-88.
[8]李先学，丁立，王兴伟.基于ANSYS的飞行员座椅坐垫舒适性仿真[J].北京航空航天大学学报，2015，41（2）：241-245.
[9]袁杰主编.汽车车身结构及附属设备[M].人民交通出版社.2013.6.