龔李施,皮大偉,錢明軍,田達笠,周云波

(1.南京理工大學，南京 210094; 2.中國人民解放軍第63969部隊,南京 210028;3.中國汽車技術研究中心天津汽車檢測中心,天津 300300)

【裝備理論與裝備技術】

爆炸環(huán)境下乘員約束系統(tǒng)參數分析及優(yōu)化

龔李施1,皮大偉1,錢明軍2,田達笠3,周云波1

(1.南京理工大學，南京 210094; 2.中國人民解放軍第63969部隊,南京 210028;3.中國汽車技術研究中心天津汽車檢測中心,天津 300300)

針對特種車輛在底部爆炸環(huán)境下乘員座椅受到瞬時高強度沖擊時的防護性能進行研究，建立整車爆炸環(huán)境，利用仿真計算與試驗所得座椅底座加速度進行乘員約束系統(tǒng)沖擊輸入驗證，借鑒普通乘用車加權傷害準則，對乘員約束系統(tǒng)中彈簧剛度、黏性阻尼系數、坐墊剛度與安全帶剛度四因素運用試驗設計、響應面技術進行相關參數靈敏度分析，并通過遺傳算法對代理模型完成參數優(yōu)化工作，研究發(fā)現：優(yōu)化后的乘員約束系統(tǒng)參數相對初始值達到10.5%的綜合防護性能提升。

乘員約束系統(tǒng)；底部防護；代理模型；參數優(yōu)化

在目前的反恐戰(zhàn)爭和未來的武裝沖突中，軍用高機動車輛面臨主要威脅形態(tài)為非對稱威脅，其中最具代表性的是地雷、簡易爆炸裝置(IED)[1]，美國為應對作戰(zhàn)部隊在伊拉克和阿富汗所遭遇的地雷與IED威脅，廣泛開展防地雷反伏擊車(mine resistant ambush protected，MARP)底部防護技術研究，如何保障車內人員的安全，已經作為一個多學科交叉前沿研究課題受到日益關注[2]。

由于車輛底部爆炸環(huán)境的特殊性，因此，乘員約束系統(tǒng)尤其乘員座椅都與普通乘員約束座椅有所不同，國內外學者都對垂直強沖擊乘員防護技術展開相應研究。董彥鵬[3]研究了垂直強沖擊下不同形式安全帶對于乘員防護的影響，Ming Cheng等[4]將防雷座椅與垂直沖擊試驗臺試驗與爆炸環(huán)境結果差異性進行了數值分析探討，Nilakantan[5]通過座椅垂直沖擊試驗臺模擬爆炸沖擊環(huán)境，研究了座椅氣囊坐墊以期提高乘員胸腰椎的防護性能。

總之，目前這一領域的研究國內側重于底部吸能裝甲防護與垂直沖擊試驗研究，較少涉及具有底部爆炸防護系統(tǒng)設計的乘員約束系統(tǒng)分析。本文主要通過LS-DYNA軟件環(huán)境建立某特種車輛的整車全要素爆炸仿真環(huán)境，通過整車爆炸試驗得到座椅底座加速度與假人損傷值，以此對有限元模型參數進行校對調整，完成乘員座椅的人員防護參數分析，通過正交試驗設計完成乘員約束系統(tǒng)設計參數靈敏度分析，利用遺傳算法模型完成座椅結構參數優(yōu)化并達到良好的人員防護性能。

1 乘員-座椅-整車爆炸環(huán)境建立

以國內某特種車輛為試炸車型，取右后乘員位座椅約束系統(tǒng)為主要研究模型，并通過整車爆炸試驗檢驗仿真有限元模型的正確性，為后續(xù)系統(tǒng)參數優(yōu)化奠定基礎。

1.1 乘員約束系統(tǒng)模型的建立

建立的緩沖座椅-乘員系統(tǒng)的有限元模型如圖1所示，包括防護座椅結構模型、安全帶與乘員假人模型，對于乘員座椅中的薄殼單元采用殼單元，對于實體部分采用常積分單元，單元尺寸分別為10 mm和15 mm；安全帶織帶也采用2D殼單元與1D安全帶單元模擬，其單元采用直角三角形單元，尺寸為10 mm，坐墊及靠背泡沫均利用實體單元進行模擬，整車有限元模型反映了整車環(huán)境下乘員座椅與整車位置關系以及座椅自身背部緩沖機構的運動關系。

圖1 座椅-乘員系統(tǒng)位置與座椅背部結構示意

該防雷座椅主要利用背部的彈簧阻尼減震機構達到地雷沖擊時緩沖作用?，F有的汽車碰撞用的數字化假人模型主要針對汽車碰撞安全分析，對于垂直工況缺乏標定，假人模型選用LSTC公司的HYBRID III 50分位可變形假人，文獻[5]中驗證該型號假人于垂直沖擊載荷作用下與試驗結果有著良好的吻合度，因此采用此款假人進行仿真分析，能夠較為準確地評價乘員損傷值。

坐墊采用57號材料*MAT_LOW_ DENSITY_FOAM，此材料適用于高度可壓縮泡沫材料，主要用來專門模擬相應的座椅坐墊材料，彈性模量為7.8 MPa，相應的工程應力應變曲線如圖2所示。

圖2 坐墊泡沫加載曲線

安全帶模型中2D單元材料采用34號材料*MAT_FABRIC，這個材料模型是專門為安全氣囊開發(fā)的織帶材料，也可以應用在安全帶，三向彈性模量設置為2 200 MPa，泊松比設置為0.3，對于其安全帶長度方向輸入其工程應力應變曲線，安全帶拉伸力與延伸率關系曲線如圖3，加載力與安全帶截面積之比可以得到安全帶工程應力，安全帶1D安全帶單元由LS-DYNA專門開發(fā)的材料*MAT_SEATBELT，輸入拉伸力位移關系曲線即完成建模工作。

圖3 安全帶工程拉伸曲線

1.2 爆炸沖擊流場模擬模型

爆炸模擬采用任意拉格朗日歐拉算法(arbitrary lagrange-euler,ALE)，該方法于20世紀80年代以來廣泛應用于爆炸流固耦合問題研究。

爆炸環(huán)境分別建立空氣場與炸藥模型，其中，炸藥材料采用的是8號炸藥材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，高能炸藥爆轟產物壓力-體積關系采用JWL狀態(tài)方程模擬，整車爆炸環(huán)境模型基本如圖4所示，為比較驗證沖擊加速度輸入，于座椅背部骨架上梁設置加速度計，以確定座椅靠背區(qū)域的加速度輸入。

1.3 仿真結果與試驗驗證

為驗證整車爆炸試驗模型準確性，按照有限元模型要求放置座椅假人模型以及加速度計，如圖5所示。通過ALE爆炸環(huán)境的仿真輸入，得到整車爆炸試驗中加速度計曲線與仿真中加速度輸入較為吻合，如圖6所示，脈沖峰值與歷程較為接近，可以驗證爆炸沖擊環(huán)境乘員沖擊輸入的準確性。

圖4 整車爆炸環(huán)境模型

圖5 實爆試驗加速度測量與假人位置示意

圖6 試驗與仿真座椅底座加速度對比

2 乘員傷害評價指標

爆炸環(huán)境下的乘員損傷有別于傳統(tǒng)評價標準，本文評價指標主要來源于北約文件AEP-55[6]，主要選取其中相應的評價指標：小腿受力、腰椎受力以及上頸部受力峰值，爆炸環(huán)境中的小腿、腰椎、頸部都為易受損傷部位。

傷害評價加權：1990年通用公司的Viano和Arepally[7]引入加權因子，將各項傷害指標用加權的方法綜合到一起評價人體損傷程度，即采用加權傷害準則WIC(weight injury criterion)，借鑒其定義規(guī)則。對于爆炸環(huán)境，依據美軍阿富汗戰(zhàn)爭與伊拉克戰(zhàn)爭人員損傷報告[8-9]對各項指標加以標準化權重，確定其綜合傷害評價指標

(1)

其中：Ftmax為小腿下端脛骨受力峰值，受力極限為5.4 kN，此值代表能夠有10%的風險致AIS2+傷害。DRIz為胸腰椎的動態(tài)響應評價指標[10]，主要以盆骨加速度為輸入得到相應的傷害評價指標,耐受極限為DRIz響應值為17.7，此值能夠有10%的風險致AIS2+傷害。Fnmax為頸部垂向壓縮力最大值，受力峰值極限為4 kN，同時受到1.1 kN的持續(xù)受力不能超過30 ms，低于此耐受度，不大可能發(fā)生AIS3級以上傷害。

3 系統(tǒng)參數靈敏度分析與優(yōu)化

3.1 乘員約束系統(tǒng)參數靈敏度分析

乘員約束系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)前碰和側撞工況并未有相應的安全氣囊，爆炸環(huán)境主要考慮的沖擊來自于座椅的底部。主要考慮的設計對象為安全帶、座椅坐墊、座椅懸置減震器。

由于采用4點固定式安全帶(安裝點未配備卷收器)，因此安全帶主要設計變量在于剛度。對于座椅懸置匹配方面，主要考慮座椅懸置彈簧剛度及阻尼系數匹配，坐墊主要考慮坐墊剛度，安全帶與坐墊剛度變化通過掌握其應力應變曲線系數實現。

表1 初始設計變量及其相應的變化范圍

本次正交試驗設計選取4因素，5水平進行正交試驗設計，正交試驗表選取L25(56)，總共進行了25次試驗，本文所采用的評價指標主要采用上頸部垂向受力峰值Fnmax、小腿垂向受力峰值Ftmax以及相應的腰椎動態(tài)響應系數DRIz，采用上述傷害標準化權重指標WIC進行后續(xù)傷害評價優(yōu)化工作。

由所得的正交試驗設計結果分析，通過參數擬合，分別對其4個參數主效應相對綜合評價指標變化關系如圖7所示，由各參數WIC變化趨勢看，由圖7(a)、圖7(b)所示，傷害標準化權重指標WIC與彈簧剛度和座椅阻尼系數基本呈一定正相關效應，由7(d)所示，與坐墊剛度呈負相關效應，而圖7 (c)中安全帶剛度結果響應最為平緩，可以判定安全帶于底部爆炸沖擊過程中對于降低乘員傷害作用方面影響呈現非顯著性。

圖7 因素主效應

3.2 乘員約束系統(tǒng)參數優(yōu)化

在中心復合設計得到的25組試驗數據的基礎上，采用Kriging代理模型構建數學代理模型，展開相應的系統(tǒng)參數優(yōu)化工作。根據由戰(zhàn)場損傷比例得到的標準化權重指標為相應的優(yōu)化目標，依據AEP-55中所明確提出的假人上頸部受力、小腿受力以及腰椎動態(tài)響應指數的約束條件，定義相應的參數優(yōu)化表達式如式(2)與式(3)所示：

(2)

(3)

本研究運用Hyperstudty中優(yōu)化模塊進行優(yōu)化計算，主要選擇其中單目標優(yōu)化中的遺傳優(yōu)化算法進行最優(yōu)解的搜尋，種群數量設置為1 024，突變率設置為0.01，種群精英比率為10%，總共進行了2 244次采樣計算，得到最終遺傳進化最優(yōu)解，得到的結果與初始值的比較如表2所示。

將所得到的最優(yōu)解參數解返回輸入到LS-DYNA中進行求解計算，將仿真結果與代理模型優(yōu)化結果進行對比如表3所示，模型響應誤差都在5%以內，滿足工程設計誤差的允許范圍，代理模型的優(yōu)化結果精度得到保證。

表2 結構參數初始值與優(yōu)化結果

表3 有限元結果與代理模型結果對比

通過后處理分別輸出相應優(yōu)化前后的小腿脛骨Z向受力曲線、上頸部Z向受力曲線與盆骨加速度曲線，分別如圖8～圖10所示，假人前后優(yōu)化損傷結果如表4所示，小腿力峰值由3.8 kN降至2.45 kN，小腿受力峰值同比降低35.5%，盆骨加速度峰值由16.4g降至15.9g，盆骨加速度峰值同比降低6.3%，頸部受力峰值同比上升15%，頸部受力增長了0.16 kN，仍然遠低于損傷極限，綜合評價指標由0.481降為0.431，同比降低10.5%，從優(yōu)化結果發(fā)現，在其余傷害允許值范圍內，小腿受力峰值得到顯著降低，降低了乘員損傷綜合值。

表4 優(yōu)化前后結果對比

損傷指標初始值優(yōu)化結果優(yōu)化效率小腿受力峰值3.8kN2.45kN35.5%上頸部受力峰值0.991kN1.147kN-15%盆骨加速度峰值16.4g15.9g6.3%標準化權重WIC0.4820.43110.5%

圖8 小腿脛骨Z向受力

圖9 上頸部Z向受力

圖10 盆骨加速度

4 結論

1) 通過建立整車爆炸環(huán)境下的乘員約束系統(tǒng)與Kring代理模型擬合的響應面，進行乘員傷害防護指標優(yōu)化，得到在特定爆炸當量下相應乘員約束系統(tǒng)最優(yōu)的參數匹配值，使乘員能夠在底部爆炸環(huán)境下得到良好的保護效果。

2) 通過正交試驗設計，分析相應結構參數對防護性能的影響，分析其因素靈敏度，為后續(xù)爆炸環(huán)境下防雷座椅底部防護提供設計參考。

3) 在底部爆炸環(huán)境下，經過試驗分析表明，座椅底部防護結構參數、坐墊剛度影響為主要因素， 安全帶對于乘員損傷指標無顯著效應，安全帶主要作用為約束乘員位移。

[1] 王顯會,佘磊,郭啟濤,等.基于抗沖擊波響應的新型蜂窩夾層結構多目標優(yōu)化設計[J].車輛與動力技術,2014(4):25-30.

[2] 張錢城,郝方楠,李裕春.爆炸沖擊載荷作用下車輛和人員的損傷與防護[J].力學與實踐,2014(5):527-539.

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(責任編輯 周江川)

Analysis and Optimization of Occupant Resistant System Under Mine Blast Environment

GONG Li-shi1, PI Da-wei1, QIAN Ming-jun2, TIAN Da-li3, ZHOU Yun-bo1

(1.Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2.The No. 63969thTroop of PLA, Nanjing 210028, China; 3.Tianjin Auto Test Center of China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300 China)

This paper is aimed at studying protection efficacy of occupant resistant system in military vehicle under mine blast environment. For this purpose, a whole vehicle finite model along with blast simulation environment was built, which was validated by comparing shock acceleration curve of anti-blast seat base with actual mine blast test acceleration data. Referring to ordinary weight injury criterion, four factors: spring stiffness, viscous damping coefficient, foam stiffness, seatbelt stiffness, were selected for sensitivity analysis and parameter optimization, by means of using experiment design and response surface method. Finally, using genetic algorithm accomplish optimization task based on Kriging agent model, it turns out that the optimized occupant protection ability is promoted by 10.5% than initial parameter set.

occupant resistant system; underbody protection; agent model; parameter optimization

2016-10-21；

2016-11-26 基金項目：國家自然科學基金資助項目(51405232)

龔李施(1992—)，男，碩士研究生，主要從事特種車輛防護技術。

皮大偉(1983—)，男，博士，副教授，主要從事整車主動安全技術與被動安全技術研究。

10.11809/scbgxb2017.03.011

龔李施,皮大偉,錢明軍,等.爆炸環(huán)境下乘員約束系統(tǒng)參數分析及優(yōu)化[J].兵器裝備工程學報，2017(3):46-50.

format:GONG Li-shi, PI Da-wei, QIAN Ming-jun,et al.Analysis and Optimization of Occupant Resistant System Under Mine Blast Environment[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):46-50.

TJ81+0.3

A

2096-2304(2017)03-0046-05