Design and verification of a helicopter rotating energy absorbing seat

The study and the development of structures and devices capable of increasing the survival possibilities of passengers in emergency conditions became a fundamental component of the aircraft design process; especially in the helicopters sector, characterized by a greater number of accidents, the role played be the seats in limiting impact loads is of primary importance. These devices are able to absorb part of the energy involved during the crash through plastic deformation of some of their components, in order to limit the loads transferred to the occupant, thus reducing the risk of injuries. This thesis work focuses on the design of a new seat model, characterized by a functioning principle different from the one of the most widely used models; the typical sliding of the seat along its legs has been replaced by a roto-translation movement obtained through the use of energy absorbers and the plastic deformation of the structure involved consequently to the strike. The main target of this kinematic mechanism is the misalignment of the spine from the direction of impact with the consequent reduction of the compression component of the lumbar load, considered the main cause of injuries in helicopter crashes. Inspired by a real seat available in the laboratory, a finite element model of the new design was created, which was used during the subsequent numerical activity. The behavior of the new seat model was analyzed through the simulation of two of the three certification tests for helicopter seats, whose methods are dictated by the EASA CS-27 and CS-29 standards. The research of the desired kinematic mechanism and the fulfillment of the imposed requirements led to the modification of the preliminary design and the consequent formulation of new versions of the model. Once these objectives were achieved, a phase of improvement of the seat followed, aimed to improving some aspects of its behavior during the tests and to the overall lightening of the structure.

Lo studio e lo sviluppo di strutture e dispositivi in grado di aumentare le possibilità di sopravvivenza dei passeggeri in situazioni di emergenza costituiscono oramai una componente fondamentale della progettazione di un velivolo; soprattutto in ambito elicotteristico, caratterizzato da un maggior numero di incidenti, risulta di primaria importanza il ruolo svolto dai sedili nel contenimento dei carichi d'impatto. Questi dispositivi, tramite deformazione controllata di alcune loro componenti, sono in grado di assorbire parte dell'energia innescatasi durante l'urto in modo da limitare i carichi trasferiti all'occupante, riducendo quindi il rischio di lesioni. Il presente lavoro di tesi è incentrato sulla progettazione di un nuovo modello di sedile, caratterizzato da un principio di funzionamento differente rispetto a quello dei modelli più largamente utilizzati; il tipico scorrimento della seduta lungo le gambe del sedile è stato sostituito da un moto di roto-traslazione ottenuto tramite l'impiego di assorbitori di energia e deformazione plastica della struttura. Il fine ultimo di questo cinematismo è il disallineamento della colonna vertebrale dalla direzione d’impatto con conseguente riduzione della componente a compressione del carico lombare, ritenuta la principale causa di lesione. Osservando le caratteristiche strutturali di un sedile reale, è stato realizzato un modello ad elementi finiti del nuovo design, poi utilizzato durante la successiva attività numerica. Il comportamento del nuovo modello di sedile è stato studiato attraverso la simulazione di due delle tre prove di certificazione per sedili elicotteristici, le cui modalità sono dettate dalle normative EASA CS-27 e CS-29. La ricerca del cinematismo desiderato e del soddisfacimento dei requisiti imposti, ha portato alla modifica del progetto preliminare e alla conseguente formulazione di nuove versioni del modello. Raggiunti questi obiettivi, è seguita una fase di perfezionamento del sedile, mirata al miglioramento di alcuni aspetti del suo comportamento durante le prove e al complessivo alleggerimento della struttura.