Seat stiffness and cushion influence on lumbar spine load in crash landing conditions

Many aircraft components can influence lumbar spine load during a crash landing, and each parameter must be evaluated on its own before assessing their combined effects. This study first examines how seat stiffness affects lumbar load. A cushion, already well studied in previous investigations as a stand-alone element, is subsequently introduced to explore how the two variables together modify the results. Dynamic sled tests compliant with EASA CS-25.561 and CS-25.562 were performed, measuring lumbar load on a dummy seated in a 50 kg rigid seat with a cushion. Each test used a different stiffness produced by installing various spring sets beneath the seat. Compared to previous studies, where seat stiffness alone was shown to significantly influence lumbar load, specifically, with lower stiffness leading to increased lumbar forces, this study reveals a different behavior when seat cushions are introduced. The presence of a cushion decouples the dynamic interaction between the dummy and the springs. Results showed that the presence of the cushion led to an increase in lumbar load, reaching approximately 6100 N, compared to the fully rigid seat configuration, which resulted in values around 4000 N. No significant trend was observed when varying seat stiffness in the cushioned configuration, with lumbar loads consistently remaining near 6100 N. This is because the cushion overshadows the influence of seat stiffness, as the initial response is mainly governed by the seat itself, while the dummy’s reaction is delayed due to the cushion’s deformability. A multibody numerical model was then created to replicate these tests and allow rapid parametric studies. After validation, the model was rescaled to a 10 kg seat, representative of typical aircraft seating, and the new numerical behavior was analyzed.

Molti componenti aeronautici possono influenzare il carico lombare durante un atterraggio d’emergenza e ciascun parametro deve essere valutato singolarmente prima di esaminarne gli effetti combinati. Questo studio analizza innanzitutto come la rigidezza del sedile incida sul carico lombare. Successivamente viene introdotto un cuscino, già ampiamente studiato in precedenti indagini come elemento autonomo, per valutare come le due variabili combinate, modifichino i risultati. Sono state eseguite prove dinamiche su slitta conformi alla normativa EASA CS-25.561 e CS-25.562, misurando il carico lombare su un manichino seduto in un sedile rigido da 50 kg con un cuscino. Ogni prova ha impiegato una rigidezza diversa ottenuta installando sotto il sedile vari set di molle. Rispetto a studi precedenti, in cui la sola rigidezza del sedile si è dimostrata influenzare in modo significativo il carico lombare, in particolare, con un aumento del carico al diminuire della rigidezza, questo studio evidenzia un comportamento differente quando viene introdotto un cuscino. La presenza del cuscino disaccoppia infatti l’interazione dinamica tra il manichino e le molle. I risultati mostrano che l’aggiunta del cuscino porta a un incremento del carico lombare, che raggiunge circa 6100 N, rispetto alla configurazione con sedile completamente rigido, dove i valori si attestano intorno a 4000 N. Non è stata osservata alcuna tendenza significativa al variare della rigidezza del sedile in presenza del cuscino, con i carichi lombari che rimangono costanti attorno a 6100 N. Questo accade perché il cuscino domina la risposta del sistema, oscurando l’influenza della rigidezza strutturale del sedile, in quanto la risposta iniziale è principalmente governata dal sedile stesso, mentre la reazione del manichino è ritardata a causa della deformabilità del cuscino. È stato quindi sviluppato un modello numerico multicorpo per replicare queste prove e consentire rapide analisi parametriche. Dopo la validazione, il modello è stato riscalato a un sedile da 10 kg, rappresentativo dei sedili aeronautici, e il nuovo comportamento numerico è stato analizzato.