劉濤, 張宏偉, 孫曉旺, 王顯會, 張進(jìn)成, 胡楊

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094; 2.特種車輛及其傳動系統(tǒng)智能制造國家重點實驗室, 內(nèi)蒙古 包頭 014032)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,為了應(yīng)對局部戰(zhàn)事沖突,對敵后戰(zhàn)場進(jìn)行快速準(zhǔn)確地打擊,空投技術(shù)的應(yīng)用逐漸廣泛。在二戰(zhàn)期間,空降兵成為了空投作戰(zhàn)的主要應(yīng)用形式。隨著空投技術(shù)的逐步完善和作戰(zhàn)形式的改變,機(jī)械化部隊的應(yīng)用得到重視,前蘇聯(lián)在1973年首次完成了人車一體空投行動。我國在1961年建立了第一支空降部隊,在載人空降方面尚處于研究階段[1]。載人空降相比無人空降,省去了人車分投落地后乘員還要找尋戰(zhàn)車及一系列的準(zhǔn)備,可以在空投后迅速展開作戰(zhàn)或者收攏空降兵,可以極大地提升作戰(zhàn)效率。在空降車輛研發(fā)過程中,需要對車輛的空降適應(yīng)性和乘員安全性進(jìn)行考核;空降試驗成本高、周期長、難度大,不太可能在車輛研發(fā)的全階段都采用試驗考核;而采用模擬空降試驗與有限元仿真相結(jié)合方法,能夠在保證足夠精度的前提下,大幅縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)成本,可以為空降防護(hù)裝置設(shè)計進(jìn)行評估。

國內(nèi)外學(xué)者針對空降沖擊對車輛和乘員損傷的影響和保護(hù)措施開展了研究。馮宇等[2]對某戰(zhàn)車開展了模擬著地沖擊試驗,驗證了模擬試驗方法的可行性;但是試驗中沒有采用假人,無法說明空降沖擊下的人體響應(yīng)。劉鑫[3]開展了基于氣囊緩沖的載人空降乘員防護(hù)理論與方法研究,保證著陸沖擊過程中人體所受到的沖擊載荷不超過人體的耐受極限是確保乘員安全的先決條件。戴俊超等[1]研究了乘員不同的體位姿態(tài)對乘員損傷的影響,并基于遺傳優(yōu)化算法得出綜合損傷最低的姿態(tài)參數(shù)范圍。杜志岐等[4]對于車體著陸過程進(jìn)行了有限元仿真和模態(tài)分析,得到了不同著陸狀態(tài)下對車體位移、應(yīng)力和應(yīng)變影響規(guī)律,但是其研究中沒有考慮對乘員的影響。Stapp等[5]通過大量人體試驗證明了人體承受不同方向加速度過載的能力并不相同。劉炳坤等[6]利用沖擊塔平臺對5名健康男青年進(jìn)行10g沖擊下不同體位的試驗研究,并得出人體對抗著陸沖擊的最佳體位角為50°,但其采用的沖擊作用時間遠(yuǎn)小于車輛空降著地的作用時間[1],所用正弦加速度脈沖曲線也與真實著陸沖擊不符。王心怡等[7]對Hybrid-III型50百分位男性假人的跌落工況進(jìn)行了仿真和敏感性分析,但其并無實際跌落試驗,假人響應(yīng)仿真的精度無法保證。Hou等[8]對車載電子設(shè)備在模擬空投條件下的沖擊振動進(jìn)行了測試,并對其沖擊特性進(jìn)行了分析。但是其并未采用試驗與仿真相結(jié)合的方法來降低試驗的成本與周期,且只關(guān)注了車載設(shè)備的受沖擊情況,未對乘員的損傷進(jìn)行分析,而實際上要實現(xiàn)戰(zhàn)車載人空投,著陸時降低乘員損傷是必須要解決的關(guān)鍵問題。Yue等[9]分析了車身骨架在空投時的動態(tài)特性以及不同緩沖方案對骨架的影響。Fu等[10-11]和付新華等[12]模擬了機(jī)載裝甲車在不同條件下的著落沖擊過程,對車輛的結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)特性進(jìn)行了定量分析。隨后,又對反復(fù)空投條件下車輛的結(jié)構(gòu)累計損傷進(jìn)行評估,得出了垂直著陸速度低于8 m/s時,車輛結(jié)構(gòu)不會被破壞,而著陸速度為9 m/s時最多可進(jìn)行3次空投的結(jié)論。再后來,他們對戰(zhàn)車載人空投著陸緩沖過程進(jìn)行了仿真計算,分析了乘員在著陸沖擊下的動力學(xué)特性和安全性。其雖對戰(zhàn)車氣囊緩沖系統(tǒng)的有限元模型進(jìn)行了驗證,但在試驗中未加入假人,乘員在仿真與試驗中的響應(yīng)是否具有較好對應(yīng)關(guān)系存在疑問。

國內(nèi)外學(xué)者大都關(guān)注在無人空投下車輛落地后是否具有作戰(zhàn)能力,對載人空投的研究并沒有深入。已經(jīng)得出的無人空投下的結(jié)論,大都難以運用到載人空投上去,譬如在保證車輛結(jié)構(gòu)安全的著落速度下,乘員損傷是否超出閾值存在疑問,關(guān)于乘員損傷機(jī)理的研究顯得尤為重要。本文采用仿真與試驗相結(jié)合的方法,研究了空降沖擊下車輛結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)特性及乘員損傷規(guī)律,并驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性。針對觸地速度、懸架彈簧剛度、阻尼參數(shù)和坐墊參數(shù)這4個種結(jié)構(gòu)參數(shù),以乘員下脛骨力、盆骨加速度、動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)(DRI)為指標(biāo),進(jìn)行了單因素仿真分析和正交試驗仿真分析,研究了空降沖擊下觸地速度、懸架彈簧剛度、阻尼參數(shù)和坐墊參數(shù)4種結(jié)構(gòu)參數(shù)對乘員損傷的影響規(guī)律。

1 載人空降試驗

1.1 試驗布置

針對某輕型軍用車輛(車重6.3 T,高約1.9 m,寬約2.3 m,長約5.0 m),開展載人空降試驗[1]。場地地面為平整水泥地,跌落高度為1 m,著陸速度為4.47 m/s,試驗布置如圖1所示。

圖1 試驗布置[1]

在車外安裝高速攝影記錄車輛跌落響應(yīng)情況;采用Hybrid Ⅲ型50百分位男性假人測試乘員損傷響應(yīng);假人放置于軍用防雷座椅,座椅采用天地梁結(jié)構(gòu),搭載金屬帶式緩沖吸能組件,利用四點式安全帶對假人進(jìn)行約束;在車內(nèi)安裝高速攝影機(jī)記錄假人運動姿態(tài);在地板中部和座椅安裝點安裝加速度傳感器,部分測試裝置如圖2所示。

圖2 測試裝置

1.2 車輛運動姿態(tài)分析

觀察高速攝影(見圖3),車輛跌落后壓縮輪胎和懸架,到最低點后會反彈,輪胎再次離地,反彈兩次后大部分機(jī)械能被耗散掉,輪胎不再離地,車體上下振蕩,直到靜止。

圖3 試驗車跌落高速攝像截圖

車輛第1次跌落觸地可分為3個階段:1)輪胎壓縮階段(見圖3(b)),輪胎接觸地面并被壓縮,起主要緩沖作用,懸架壓縮量較小;2)懸架壓縮階段(見圖3(c)),輪胎已有很大的壓縮量,但還沒碰撞到輪罩,懸架開始被大幅壓縮,起主要緩沖作用;3)共同壓縮階段(見圖3(d)),輪胎上表面接觸到車身,車輪和懸架一起被壓縮,直到懸架彈簧完全壓縮,懸架和輪胎撞擊車體,給車體和乘員帶來強烈的垂向沖擊,此時輪胎和懸架變形巨大,車輛底盤接近地面。與反彈帶來的后續(xù)跌落相比,第1次跌落是車輛空降的主要階段,車輛著地速度最快,沖擊最強,給車輛和乘員安全帶來的危險最大。這一階段的沖擊以垂向沖擊為主,可能帶來的后果包括:車輛爆胎,輪輞懸架等關(guān)鍵部件扭曲斷裂,使車輛失去行動能力;車內(nèi)重要裝備損傷或乘員傷亡,使載人車輛降低甚至喪失戰(zhàn)斗力。

車輛到最低點后開始第1次反彈,輪胎再次脫離地面,由于車輛質(zhì)心分布和前后懸架彈簧剛度差異,車輛跳起時伴隨向前轉(zhuǎn)動,后部跳起高度明顯高于前部(見圖3(e))。這給車輛和乘員安全帶來兩個問題:第一,當(dāng)?shù)涓叨壤^續(xù)升高,向前轉(zhuǎn)動可能轉(zhuǎn)化成車輛滾翻,滾翻可能造成車輛失去行動能力、裝備損壞或乘員傷亡,導(dǎo)致載人車輛降低甚至喪失戰(zhàn)斗力;第二,即使沒有發(fā)生車輛滾翻,車輛轉(zhuǎn)動——伴隨乘員與車身的相對運動——可能造成乘員重要身體部位(頭頸等)撞擊車身內(nèi)部部件(內(nèi)壁、立柱等),導(dǎo)致乘員傷亡。

針對上述問題,可能的解決方案包括:1)對車輛懸架彈簧和質(zhì)心分布進(jìn)行匹配設(shè)計,降低或消除車輛跳起時的轉(zhuǎn)動;2)乘員約束系統(tǒng)和車內(nèi)空間設(shè)計,設(shè)計多點安全帶,將乘員較好地約束在座椅上,防止其與車輛內(nèi)部部件發(fā)生二次碰撞,設(shè)計安全氣囊、頭頸部局部防護(hù)裝置和乘員附近空間布置,為乘員身體和車輛內(nèi)部部件之間的碰撞提高緩沖;3)前面所述底部緩沖平臺車輛通過緩沖吸能,在降低輪胎和懸架的壓縮量的同時,可以降低車輛跳起時的轉(zhuǎn)動。

車輛反彈到最高點后開始第2次跌落,由于第1次達(dá)到反彈頂點時(見圖3(e))時車輛前部較低,后部較高,第2次跌落車輛前輪先著地。前輪著地后前輪及對應(yīng)懸架發(fā)生輕度的壓縮,壓縮后反彈幅度很小,前輪基本沒有脫離地面;與此同時,車輛后部持續(xù)下落,在前輪進(jìn)入反彈階段后,后輪著地并壓縮后輪及對應(yīng)懸架。壓縮到最低點后(見圖3(f)),車輛開始第2次反彈。由于后輪及懸架壓縮較嚴(yán)重,第2次反彈時車輛后輪脫離地面(見圖3(g))。車輛后部到達(dá)最高點后開始第3次跌落,這次跌落中車輛前輪及懸架基本沒有壓縮,后輪及懸架也只是輕度壓縮(見圖3(h))。后續(xù)車輛不再脫離地面,車身在輪胎及懸架上振蕩,振蕩數(shù)次后,車輛機(jī)械能耗盡,整個跌落過程結(jié)束。

試驗后檢查車輛,阻尼桿油線高度到達(dá)最高點,說明車輛懸架在第1次跌落過程中已經(jīng)超過壓縮極限,輪胎未發(fā)現(xiàn)漏氣、鼓包等現(xiàn)象,懸架底盤等結(jié)構(gòu)部件未發(fā)現(xiàn)扭曲或斷裂損傷,輪輞未發(fā)生扭曲,試驗后車輛可以正常啟動并行駛。

1.3 車內(nèi)加速度響應(yīng)分析

試驗中采用斯洛文尼亞Dewesoft公司生產(chǎn)的DEWE-43數(shù)據(jù)采集儀對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲,頻響范圍設(shè)為2 Hz～20 kHz。采用CFC60濾波方式對加速度時間歷程曲線進(jìn)行濾波。

座椅安裝點和車輛中部加速度時程曲線經(jīng)濾波處理后如圖4所示。兩條加速度曲線總體趨勢一致,先上升、后下降,中間伴隨較大的振蕩,加速度峰值出現(xiàn)在100 ms左右,結(jié)合高速攝像和加速度曲線,可發(fā)現(xiàn)較大的加速度值主要出現(xiàn)在第1次跌落的共同壓縮階段,應(yīng)該是由懸架彈簧完全壓縮,懸架和輪胎撞擊車體造成的。座椅安裝點加速度峰值為24.3g,車身地板中部的加速度峰值為15.3g,小于座椅安裝點,是因為座椅安裝在立柱上,立柱能夠更好地傳遞加速度沖擊,而地板能夠起到一定的緩沖作用。

圖4 加速度時程曲線

1.4 乘員運動姿態(tài)分析

圖5為假人運動姿態(tài)高速攝像截圖,展示了6個較為危險的時刻。第1次跌落沖擊發(fā)生時(見圖5(a)),假人大幅前傾,伴隨一定的左傾;第1次跌落反彈時(見圖5(b)),假人身體反彈,頭部撞擊立柱;第2次跌落前輪著地時(見圖5(c)),假人向右后方傾倒,頭部撞擊了立柱;第2次跌落后輪著地時(見圖5(d)),假人身體調(diào)整,略微后傾;第3次跌落前輪著地(見圖5(e))和后輪著地(見圖5(f))時,假人發(fā)生后傾,但是幅度已經(jīng)較小。

圖5 假人運動姿態(tài)截圖

總之,在整個跌落過程中,假人首先受到垂向的加速度沖擊,主要造成乘員下肢、腰椎、脊柱和頭頸傷害,這類沖擊可以通過為車輛增加緩沖進(jìn)行緩解,如增加車底緩沖平臺等。其次,乘員的上身,尤其是頭頸部,會向前方、后方和側(cè)方傾倒,可能導(dǎo)致乘員頭頸部撞擊車內(nèi)部件,造成乘員傷亡。這一現(xiàn)象的原因有:

1)乘員約束系統(tǒng)不能很好地束縛乘員身體,尤其是頭頸部。本次試驗采用的防雷座椅約束系統(tǒng)在跌落工況中能夠保證座椅和假人不分離,但難以約束上身的橫向擺動和頭頸部的左右擺動。因此需要重新設(shè)計適用于空降車輛的座椅,增加對人體的緩沖和包覆性,確保乘員上身和頭頸受到合適的側(cè)向和前后約束。

2)車身在跌落和反彈過程中伴隨轉(zhuǎn)動,跌落中無法確保4個車輪同時著陸,這一現(xiàn)象的原因和解決方法已在結(jié)構(gòu)響應(yīng)部分進(jìn)行了分析。

1.5 乘員損傷指標(biāo)分析

本次試驗假人安裝有多個傳感器,可測量頭部和盆骨加速度,以及頸部、腰椎和腿部的力與力矩等數(shù)據(jù)。試驗前激活假人多個部位傳感器,確認(rèn)傳感器精度和靈敏度符合要求。試驗中采用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH5902堅固型抗沖擊數(shù)據(jù)采集儀采集假人數(shù)據(jù),采樣頻率為500 kHz,假人數(shù)據(jù)處理使用數(shù)據(jù)處理軟件,盆骨加速度、腿部力分別采用CFC1000、CFC600濾波方式處理。本文著重考察乘員下脛骨、盆骨和腰椎的損傷,從文獻(xiàn)[13-19]查得各部位損傷評估指標(biāo)及閾值,并利用傳感器數(shù)據(jù)計算出假人各部位損傷值,對假人進(jìn)行損傷風(fēng)險分析,假人損傷情況如表1所示。

表1 假人各部位損傷

采用軸向壓力[13-14]評估乘員的下肢損傷。通過分析車輛和乘員運動姿態(tài)可知,車輛跌落時,沖擊由輪胎懸架傳遞至車身,由車身傳遞至地板,地板撞擊乘員足部,引起乘員下肢損傷。由表1可知,試驗中乘員下肢損傷指標(biāo)未超標(biāo)。

采用盆骨DRI[15]評估腰椎損傷。DRI是一個與腰椎壓縮相關(guān)的無量綱量,主要用于評價腰椎的軸向壓縮損傷,通過分析車輛和乘員運動姿態(tài)可知,車輛跌落時,沖擊由輪胎懸架傳遞至車身,由車身傳遞至座椅安裝點,然后由座椅傳遞到乘員上半身,引起腰椎損傷。由表1可知,試驗中腰椎損傷指標(biāo)未超標(biāo)。

此外,AEP-55標(biāo)準(zhǔn)[19]中沒有給出盆骨損傷風(fēng)險相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值,防護(hù)領(lǐng)域?qū)W者參考美國陸軍戰(zhàn)術(shù)車輛乘員碰撞保護(hù)手冊,手冊規(guī)定乘員盆骨受到的垂向加速度上限值為23g@7 ms[20],即盆骨加速度超過23g的持續(xù)時間不能超過7 ms。由表1可知,盆骨所受到的垂向加速度限值為23g@0 ms,即乘員盆骨加速度值未達(dá)到過23g,乘員盆骨損傷處于較低水平。

2 有限元仿真

2.1 有限元建模

利用LS-DYNA軟件對上述空降沖擊試驗進(jìn)行有限元仿真。由于空投著陸工況作用時間長、車體模型復(fù)雜、運動范圍大,所以模型要進(jìn)行適當(dāng)?shù)睾喕?以節(jié)省時間成本。試驗中車內(nèi)相固連的板件沒有明顯的變形,其固連部位也未出現(xiàn)失效。通過車內(nèi)高速攝像可以確定車內(nèi)板件也沒有出現(xiàn)影響假人的變形和擺動。因此可以在模型中做適當(dāng)簡化并作為剛性體處理,來縮短計算時間?？紤]到后續(xù)仿真工況多,為了節(jié)省仿真資源,將乘員約束系統(tǒng)和整車分開建模,把得到的整車加速度邊界施加到乘員約束系統(tǒng)上,去模擬實際工況下乘員的響應(yīng)。輪胎建模中,采用正交各向異性材料*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC描述簾布和橡膠材料,具體參數(shù)如表2所示。使用airbag關(guān)鍵字定義一種封閉式氣囊來模擬輪胎內(nèi)氣體,胎內(nèi)氣壓定義為試驗車胎胎壓180 kPa。圖6給出了包括車輛和地面的有限元模型。對車輛進(jìn)行合理配重,使其重量和質(zhì)心與試驗車一致;賦予車輛和假人4.47 m/s的速度,方向豎直向下。

表2 輪胎材料參數(shù)

圖6 車輛有限元模型

在HyperMesh中為座椅建立簡化的有限元模型,使用實體單元對座椅坐墊建模,采用*MAT_LOW_DENSITY_FOAM本構(gòu)模型模擬坐墊材料[21],此本構(gòu)適用于可壓縮泡沫材料,坐墊材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。使用一維單元模擬座椅的吸能緩沖器,采用非線性彈簧本構(gòu)近似模擬試驗中使用的金屬帶式緩沖吸能器,該材料可以分別設(shè)計彈簧單元的加載和卸載曲線。根據(jù)實際使用的金屬帶式吸能緩沖器的載荷-位移曲線,輸入加載曲線,且由于實際試驗中卸載后吸能緩沖器幾乎沒有回彈,其加卸載曲線如圖8所示。座椅實際使用的天地梁和滑塊組件在有限元模型中省略,通過約束的方式限制座椅的移動方向。座椅安裝方式采用頂部安裝,與車輛上安裝點采用剛性連接。對座椅有限元模型進(jìn)行測試后,將座椅模型導(dǎo)入到Primer中與HybridⅢ型假人模型做好接觸和預(yù)壓。用2D殼單元網(wǎng)格和1D seatbelt單元來模擬試驗中采用的四點式安全帶(其中與人體接觸部分用2D網(wǎng)格單元)。建模完成的假人座椅系統(tǒng)如圖9所示。假人的頭部設(shè)置有加速度傳感器,頸部設(shè)置力和力矩傳感器[22]。懸架阻尼采用*MAT_DAMPER_NONLINEAR_VISCOUS本構(gòu)模型,其力與速度關(guān)系曲線如圖10所示。

圖7 泡沫材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 金屬帶式吸能器的加卸載曲線

圖9 假人座椅系統(tǒng)有限元模型

圖10 懸架阻尼力與速度關(guān)系曲線

2.2 仿真結(jié)果分析

整車的動態(tài)響應(yīng)如圖11所示。由圖11可以看出,在跌落剛開始發(fā)生時,輪胎首先被壓縮變形,15 ms 之后懸架壓縮速度變快,這與試驗中整車的響應(yīng)(見圖3(b)和圖3(c))有較好的對應(yīng)關(guān)系,當(dāng)車輛輪胎接觸到輪罩時,引起了車內(nèi)加速度在80 ms左右出現(xiàn)波動。其后輪胎進(jìn)一步壓縮,輪輞與輪胎胎面幾乎接觸,懸架與輪胎已經(jīng)將空降造成的沖擊消耗殆盡,車輛下行至最低點,在102 ms形成最大加速度峰值。經(jīng)過18 ms的遲滯效果之后,車輛在120 ms開始反彈上升。整個過程中,輪胎與地面發(fā)生較小擠壓后,出現(xiàn)變形但無撕裂現(xiàn)象,車輛彈起后輪胎能復(fù)原成落地之前的狀態(tài),且輪輞并沒有與地面發(fā)生碰撞。將整車試驗與仿真中加速度安裝點處的加速度和速度進(jìn)行比較(見圖12),可以看到車內(nèi)各點加速度峰值出現(xiàn)在102 ms左右,在出現(xiàn)最大峰值前兩個波峰分別對應(yīng)第1階段的輪胎壓縮和第2階段的懸架壓縮,與動畫表現(xiàn)出來的壓縮過程有比較好的對應(yīng)關(guān)系。將仿真動畫和試驗高速攝像拍攝內(nèi)容對比,可以看到其下落壓縮過程完全一致,其中地板中部的加速度最大值為14.6g,副駕駛上安裝點最大加速度為26.2g。

圖11 車輛跌落過程動態(tài)響應(yīng)

圖12 加速度和速度試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果

由圖12可見,試驗和仿真的加速度與速度變化趨勢整體相似。由于剛體模型在計算中不會出現(xiàn)振動加速度,所以仿真中在達(dá)到峰值后的加速度曲線基本平滑,但在加速度達(dá)到最大峰值之前,試驗與仿真中的加速度曲線有較好的對應(yīng)關(guān)系,乘員可能出現(xiàn)的最大損傷能被較好地模擬出來。另外,車輛在跌落過程中有諸多不可控因素,車身的俯仰也會導(dǎo)致車輛各部位的加速度出現(xiàn)區(qū)別。在本文仿真分析中,車內(nèi)加速度峰值的仿真值與試驗值之間誤差在10%以內(nèi),且速度整體變化趨勢基本一致,整車仿真數(shù)據(jù)可信。

假人在跌落過程中的動態(tài)響應(yīng)如圖13所示。從圖13中可見,假人在85 ms左右時腿部因受到?jīng)_擊而抬起,大腿與手臂發(fā)生碰撞,140 ms時假人頸部明顯前傾。仿真動畫與高速攝像下的乘員響應(yīng)(見圖5(a))同樣具有較好的對應(yīng)關(guān)系。假人損傷曲線如圖14所示:左下脛骨力峰值出現(xiàn)在107 ms左右;盆骨加速度第1個峰值出現(xiàn)在65 ms,此時坐椅上升速度相對于假人較大,坐墊開始對假人盆骨產(chǎn)生向上的沖擊,盆骨加速度最大峰值出現(xiàn)在120 ms,此時車輛跌落至最低點,盆骨受到椅面的沖擊升至最大。仿真和試驗中乘員的損傷指標(biāo)對比如表3所示,誤差在10%以內(nèi),證明了仿真方法的可行性。

表3 假人各部位損傷試驗與仿真對標(biāo)

圖13 假人動態(tài)響應(yīng)

圖14 觸地速度為4.47 m/s下假人的損傷曲線

2.3 高速沖擊仿真

載人空降車輛觸地速度的確定,參考了俄軍BMD戰(zhàn)車載人空降試驗。據(jù)報道,在此次試驗中,戰(zhàn)車著陸速度大約在10 m/s。此外,根據(jù)馮宇等[2]的研究,為保護(hù)乘員和車內(nèi)設(shè)備,一般規(guī)定著陸速度在8～10 m/s;楊占華等[23]對正常著陸工況條件和極限著陸工況條件作出定義,認(rèn)為正常著陸工況條件:無橫風(fēng),8 m/s 速度下降,著陸在平地,氣囊全部有效工作; 極限著陸工況條件: 8 m/s 速度下降,橫向速度 5 m/s,車輛側(cè)傾角2°,著陸在橫向10°坡地面,部分氣囊工作。實際戰(zhàn)場上空降車輛會同時面臨氣囊緩沖平臺失效和傘降系統(tǒng)出現(xiàn)故障等諸多問題,乘員會受到更高速度著陸的風(fēng)險,因此開展高速著陸工況的研究?？紤]到高速沖擊試驗的條件與成本,采用仿真的方法研究高速沖擊下車輛結(jié)構(gòu)的響應(yīng)與乘員損傷的機(jī)理,并與4.47 m/s的觸地速度下的車輛和乘員的響應(yīng)進(jìn)行對比,以此探究實際高速空降沖擊下可能存在的車輛破壞情況和假人損傷情況。

高速沖擊下車輛的動態(tài)響應(yīng)如圖15所示。由于車輛的觸地速度較大,輪胎、懸架短時間內(nèi)被快速壓縮,車輛輪胎在35 ms時就已經(jīng)接觸到輪罩,相較于4.47 m/s的觸地速度下提前了45 ms,此時,車內(nèi)加速度出現(xiàn)了第1個峰值,如圖15所示。隨后,車輛輪胎繼續(xù)壓縮,輪胎已經(jīng)出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象,在 38.7 ms 時輪輞與地面發(fā)生碰撞,引起車內(nèi)加速度的第2個峰值。41 ms時車輛懸架與輪胎沒有多余的壓縮空間,兩側(cè)輪胎向內(nèi)凹陷嚴(yán)重,輪胎與輪輞幾乎脫離,此時形成了最大的加速度峰值,與低速沖擊下的最大加速度峰值的出現(xiàn)相比提前了近60 ms。車輛經(jīng)過短暫的遲滯效果后,開始反彈,車輛輪胎于130 ms完全脫離地面。整個高速沖擊仿真下,輪輞、懸架等關(guān)鍵部件未發(fā)現(xiàn)扭曲斷裂。

圖15 高速沖擊下車輛跌落過程動態(tài)響應(yīng)

車內(nèi)加速度如圖16所示。地板中部加速度峰值為136.3g,座椅安裝點加速度峰值為142.1g,與4.47 m/s的觸地速度相比,加速度峰值大幅增加且峰值出現(xiàn)時間提前了60 ms。

圖16 高速沖擊仿真下的加速度

假人在跌落過程中的動態(tài)響應(yīng)如圖17所示。由圖17可見,與觸地速度為4.47 m/s下假人的響應(yīng)相比,乘員約束系統(tǒng)在65 ms左右出現(xiàn)了與車內(nèi)地板碰撞的現(xiàn)象,如圖17(b)所示,這是由于車輛此時已經(jīng)開始反彈上升,而乘員約束系統(tǒng)由于慣性繼續(xù)下行,這引起了假人盆骨加速度峰值的出現(xiàn),如圖18(b) 所示盆骨加速度峰值為182.8g。假人下脛骨力峰值的出現(xiàn)則發(fā)生在44 ms左右,此時,車輛跌落至最低點,輪輞與地面直接接觸,左、右下脛骨力峰值分別為7.4 kN、7.2 kN,已經(jīng)超過了下脛骨的損傷閾值,如圖18(a)所示。高速沖擊下,座椅前部下沉,最先接觸到地板,隨后,座椅反彈,出現(xiàn)后部下沉,假人頸部明顯由前傾轉(zhuǎn)為后仰;腿部抬起直至完全脫離地板,且座椅連接件因與地板發(fā)生碰撞,出現(xiàn)明顯彎曲變形。

圖17 高速沖擊下假人動態(tài)響應(yīng)

圖18 高速沖擊下假人的損傷曲線

綜上所述,在觸地速度為10 m/s時,車內(nèi)加速度峰值大幅增加,乘員損傷指標(biāo)已超出規(guī)定閾值。

針對上述問題,可能的解決方案包括:

1)在車輛底部安裝緩沖平臺(如氣囊緩沖平臺)[3],緩沖平臺可以提前吸收車輛下落的動能,緩沖車輛著地速度,降低車輛、裝備和乘員所受垂向沖擊。需要注意,氣囊緩沖平臺雖然能夠大幅降低車輛著地沖擊,但同時也帶來著地不穩(wěn)定的問題[24],設(shè)計緩沖平臺時需要解決這一問題。

2)改進(jìn)車輛輪胎、輪輞和懸架等受沖擊最嚴(yán)重的部件,一方面提高部件強度和韌性,以避免車輛爆胎和部件失效,防止車輛失去行動能力;另一方面對輪胎胎壓和懸架彈簧剛度進(jìn)行匹配,為車身、裝備和乘員提供更好的緩沖?？赡苓€需要對傳動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等易受損部件進(jìn)行改進(jìn),降低這些部件在空降沖擊下的受損概率,避免著地后車輛無法行駛。

3)重新設(shè)計乘員約束系統(tǒng),包括緩沖座椅(如氣囊緩沖座椅)和多點安全帶,其中緩沖座椅用來緩沖由座椅傳遞到乘員身體的沖擊,是保護(hù)乘員的最后一道防線;多點安全帶的作用是將乘員較好地約束在座椅上,防止其脫離座椅而與車輛內(nèi)部部件發(fā)生二次碰撞。與裝備空降、航天返回等領(lǐng)域較為成熟的緩沖座椅相比,空降車輛緩沖座椅除了需要保障乘員在空降時的安全,還需要考慮空降結(jié)束后乘員的駕駛、乘坐及戰(zhàn)斗等任務(wù)的開展。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對乘員損傷影響分析

3.1 單因素分析

本文選取了以下4個結(jié)構(gòu)參數(shù):1)車輛觸地速度v,由實際作戰(zhàn)中車輛跌落的高度決定;2)車輛懸架彈簧的剛度k,車輛跌落時,懸架可以緩和地面?zhèn)鹘o車身的沖擊,衰減由此產(chǎn)生的振動;3)坐墊材料海綿的應(yīng)力應(yīng)變曲線中應(yīng)力的縮放系數(shù)α,該參數(shù)旨在模擬海綿的軟硬程度,α值越小,代表單位應(yīng)變內(nèi)所需要的應(yīng)力越小,即海綿越軟,目的在于研究緩沖物對乘員的保護(hù)作用;4)阻尼縮放系數(shù)β,該參數(shù)通過改變單位速度內(nèi)的阻尼力大小,來實現(xiàn)汽車懸架阻尼的變化,β值越大,則阻尼值越大。在每種參數(shù)的基礎(chǔ)上選取了4個水平,如表4所示。

表4 乘員損傷影響因素及影響水平

每種影響因素的4個水平數(shù)值選取依據(jù)如下:

1)觸地速度v:軍事作戰(zhàn)與空降試驗中,跌落速度大約在10 m/s左右,故按照等差選取6 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s。

2)彈簧剛度k:某型空投車后輪懸架彈簧剛度為400 N/mm,故本文選取了200 N/mm、300 N/mm、400 N/mm、500 N/mm。

3)縮放系數(shù)α:本文選取了0.50、0.75、1.00、1.25四種水平的縮放系數(shù)。

4)阻尼縮放系數(shù)β:本文依據(jù)仿真經(jīng)驗,當(dāng)β值為4時,車輛地板與座椅上安裝點的加速度峰值開始出現(xiàn)下降趨勢,故選取0.5、1.0、2.0、4.0四種水平的參數(shù)。

其中,基礎(chǔ)工況的參數(shù)水平為:v=10 m/s,k=400 N/mm,α=1,β=1。

3.1.1 觸地速度的影響

本文選取了6 m/s、8 m/s、10 m/s、12 m/s這4種觸地速度進(jìn)行了車輛空降沖擊仿真。不同觸地速度下車輛的響應(yīng)如表5所示,地板和座椅安裝點的加速度峰值在觸地速度為6 m/s和8 m/s之間變化較大,在仿真動畫中,6 m/s下車輛輪輞未與地面發(fā)生碰撞,輪胎作為一種小型封閉氣囊和懸架一同作用減緩了大部分的沖擊,整車加速度峰值的出現(xiàn)提前了30 ms。觸地速度為8 m/s時,車輛輪輞擠壓輪胎簾布和橡膠,輪輞與地面發(fā)生接觸,空降沖擊直接通過地面-輪輞-懸架系統(tǒng)-車內(nèi)地板,作用到乘員約束系統(tǒng)上,加重了乘員損傷。10 m/s和12 m/s下的觸地速度,車輛的響應(yīng)更為嚴(yán)峻,加速度峰值隨觸地速度呈非線性增加趨勢,最大峰值出現(xiàn)時間的變化趨勢逐漸下降。乘員左、右下脛骨軸向力分別如圖19(a)、圖19(b)所示。由圖19可以看出,左、右下脛骨力曲線峰值和變化趨勢大致相似,因此本文研究乘員小腿損傷時只研究左下脛骨力。由圖19(a)可以看出:隨著觸地速度的增大,乘員下脛骨力隨之增大且峰值也會提前。這是由于輪胎更快接觸到輪罩所引起的。另外,當(dāng)觸地速度為6 m/s時,乘員下脛骨力峰值為4.2 kN,低于損傷閾值 5.4 kN。 但當(dāng)速度超過8 m/s,乘員下肢損傷皆超出閾值。由圖19(c)可以看出:速度為6 m/s時,盆骨的加速度還處于相對較低的水平,為18.2g且盆骨所受到的垂向加速度限值為23g@0 ms;速度超過 8 m/s 時,盆骨加速度峰值激增至150g左右且乘員盆骨損傷超出閾值,此后,變化趨勢變緩但整體依然呈正相關(guān);另外隨著速度的線性增加,乘員盆骨受到的垂向加速度超過23g的時間也會增加,但趨勢逐漸放緩;盆骨z軸方向加速度即腰椎底端的加速度,其主要是由椅面加速度突變對乘員盆骨造成沖擊引起的。另外,盆骨DRI值與觸地速度呈正相關(guān),即便速度低至6 m/s,仍超出17.7的DRI閾值,乘員腰椎損傷嚴(yán)重。

表5 不同觸地速度下車輛的響應(yīng)

圖19 不同觸地速度的影響

3.1.2 懸架彈簧剛度的影響

不同懸架彈簧剛度下的跌落仿真結(jié)果如圖20所示。由圖20(a)可知,當(dāng)觸地速度相同時,不同懸架彈簧剛度引起的乘員下肢損傷峰值基本為同一時刻,為跌落時輪胎上表面接觸到輪罩。隨著剛度的線性增加,乘員下肢損傷愈劇烈且為最小剛度 200 N/mm 時,下脛骨力仍超出閾值0.9 kN。55 ms以后即整車上升階段,各剛度下乘員下脛骨力變化趨勢基本一致。圖20(c)為盆骨z軸方向加速度50～80 ms 局部放大圖。由圖20(c)可以看出:剛度的變化對乘員盆骨加速度的影響不如觸地速度明顯,不同剛度下乘員盆骨加速變化趨勢與峰值相差不大。從仿真中看出,盆骨加速度峰值時間大抵出現(xiàn)在吸能器行程耗盡,座椅剛接觸地面附近。懸架彈簧的剛度對盆骨DRI值的影響不大,DRI值在48左右,皆遠(yuǎn)超出閾值。盆骨損傷同樣嚴(yán)重,在200 N/mm、300 N/mm、400 N/mm、500 N/mm這4種不同水平彈簧剛度下的乘員盆骨受到的垂向加速度限值分別為23g@17.1 ms、23g@13.1 ms、23g@17.1 ms、23g@12.1 ms,皆不滿足23g@7 ms的要求。

圖20 不同懸架彈簧剛度的影響

3.1.3 坐墊參數(shù)的影響

坐墊縮放系數(shù)主要針對乘員盆骨z軸方向加速度,對乘員下肢影響較小,乘員左下脛骨力仿真結(jié)果皆為7.4 kN, 故不做深入研究。不同坐墊縮放系數(shù)下的仿真結(jié)果如圖21所示。圖21(a)為各縮放系數(shù)下乘員盆骨加速度全過程仿真圖。由圖21(a)可以看出,盆骨加速度整體變化趨勢基本一致且峰值出現(xiàn)時間相同。由21(b)可知,雖然加速度峰值相差不大,但隨著縮放系數(shù)的增大,即坐墊變硬,整體依然呈正相關(guān)趨勢且峰值出現(xiàn)時間也會略微提前。在0.50、0.75、1.00、1.25這4種不同水平坐墊參數(shù)下的乘員盆骨受到的垂向加速度限值分別為23g@17.1 ms、23g@17.6 ms、23g@17.1 ms、23g@16.3 ms,乘員腰椎、盆骨損傷超出閾值,不同坐墊下乘員DRI值相差不大,且無明顯的變化規(guī)律。

圖21 不同坐墊參數(shù)的影響

3.1.4 阻尼參數(shù)的影響

不同阻尼參數(shù)下乘員損傷仿真結(jié)果如圖22所示。由圖22(a)可知,在10 m/s的工況下,乘員左下脛骨力無明顯變化趨勢,但盆骨加速度與阻尼值的增大呈負(fù)相關(guān)變化,這是因為在一定范圍內(nèi),阻尼值的增大,會使得懸架吸收更多動能。在0.5、1.0、2.0、4.0這4種不同水平阻尼參數(shù)下的乘員盆骨受到的垂向加速度限值分別為23g@16.2 ms、23g@17.1 ms、23g@17.9 ms、23g@19.5 ms,乘員腰椎、盆骨損傷依舊超出閾值。由圖22(d)可以發(fā)現(xiàn),整體上盆骨DRI隨著阻尼參數(shù)的增大而減小。

圖22 不同阻尼參數(shù)的影響

3.2 顯著性分析

空降沖擊試驗中,乘員損傷的情況由多種因素共同影響,不同因素取值不同也會產(chǎn)生不一樣的試驗結(jié)果。若逐一驗證且當(dāng)影響因素3個或以上時,試驗任務(wù)繁瑣,難以實施。正交試驗設(shè)計是一種解決多因素多水平的高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗設(shè)計方法。

日本統(tǒng)計學(xué)家Taguchi將正交試驗選擇的水平組合列成表格[7]。本文在此基礎(chǔ)上,借助于SPSS軟件,建立一組四因素四水平的正交試驗矩陣。該矩陣總計16種工況,仿真結(jié)果如表6所示。提取每種工況下乘員左下脛骨力、盆骨加速度、DRI峰值,比較不同水平下的影響因素對乘員損傷影響的平均值和誤差,并進(jìn)行顯著性分析,結(jié)果如表7和圖23所示。

表6 四因素四水平正交試驗矩陣

表7 各因素對乘員損傷影響顯著性

圖23 不同水平下的損傷因素對乘員損傷的影響

首先假設(shè)仿真條件中各因素的取值不影響乘員損傷,左下脛骨力、盆骨加速度、DRI的差別僅由試驗誤差和隨機(jī)性引起,該假設(shè)為真的概率為P。當(dāng)P值小于等于顯著性水平0.05時,可以否認(rèn)上述假設(shè),即認(rèn)為該因素對乘員損傷的影響是顯著的。根據(jù)圖表內(nèi)容可得,觸地速度對乘員下脛骨、盆骨和腰椎的損傷是顯著的,觸地速度越大,乘員損傷愈嚴(yán)重。

結(jié)合單因素仿真試驗與正交試驗的結(jié)果,可知觸地速度對乘員下脛骨、腰椎和盆骨的損傷影響主體間效應(yīng)是顯著的,觸地速度的減小可以顯著降低乘員損傷指標(biāo)。6～8 m/s、10～12 m/s的觸地速度造成影響的組間差異存在顯著性,但是8 m/s和 10 m/s 的觸地速度給乘員造成的影響并不存在顯著性差異。二者之間左下脛骨力峰值僅相差 0.1 kN,DRI峰值相差3.1。

懸架彈簧剛度對乘員的影響是非線性的,其主體間效應(yīng)雖不顯著,但是彈簧剛度200 N/mm與 400 N/mm、300 N/mm與400 N/mm之間對乘員下脛骨損傷存在著組間顯著性差異。同時由于剛度的增大,乘員損傷存在加重趨勢,所以在進(jìn)行空投車輛懸架彈簧的參數(shù)設(shè)計時,可以考慮將彈簧的剛度控制在400 N/mm以內(nèi)。對于乘員盆骨DRI而言,懸架彈簧剛度組間差異所造成的影響不存在顯著性。

坐墊參數(shù)和阻尼參數(shù)所造成的影響雖不顯著,但對乘員下脛骨和腰椎的影響存在一定的趨勢。隨著阻尼的增大,懸架吸收了更多來自地面的沖擊,乘員的下脛骨力和DRI值有下降的趨勢,但影響同樣是非線性的。對于坐墊參數(shù)而言,坐墊愈軟,乘員盆骨z軸方向加速度愈小,盆骨DRI值也存在一定縮小的趨勢,而乘員下脛骨力無明顯變化。

在空投車輛的設(shè)計時可以參考以上結(jié)論。當(dāng)觸地速度大于8 m/s時,車廂內(nèi)加速度峰值增幅較大,依靠車輛懸架系統(tǒng)和現(xiàn)有的座椅緩沖器不能保證乘員的安全,為將乘員的下脛骨力控制在5.4 kN,盆骨DRI控制在17.7以內(nèi),需要針對車輛增加設(shè)計緩沖平臺,將觸地速度控制在6 m/s以內(nèi),或?qū)τ诔藛T約束系統(tǒng),增加吸能器的吸能行程。在可允許的范圍內(nèi),減小懸架彈簧的剛度、增大阻尼,可以有效降低空降沖擊給乘員帶來的下脛骨、盆骨和腰椎損傷;還可以降低坐墊的硬度,雖對下脛骨力和DRI沒有顯著影響,但能明顯降低乘員盆骨加速度峰值。

4 結(jié)論

本文通過開展車輛載人空降試驗,采用有限元方法對試驗進(jìn)行仿真,并將試驗和仿真中整車與乘員的響應(yīng)進(jìn)行對標(biāo),驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性。在此模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了單因素仿真分析和正交仿真分析,以乘員下脛骨力、盆骨加速度、DRI為指標(biāo),研究了觸地速度、懸架彈簧剛度、阻尼參數(shù)和坐墊參數(shù)在空降試驗中對人體損傷的影響。得出以下主要結(jié)論:

1)試驗與仿真中的整車響應(yīng)和乘員響應(yīng)有較好的對應(yīng)關(guān)系?？战禌_擊過程中,地板直接沖擊乘員下肢造成下肢損傷;沖擊通過車體-立柱-座椅傳遞到乘員上身,造成腰椎、盆骨損傷。此外,車輛結(jié)構(gòu)可能發(fā)生以下?lián)p傷:爆胎和輪輞懸架等關(guān)鍵部件扭曲斷裂;車內(nèi)沖擊峰值是由于懸架過載,輪胎和懸架撞擊車體傳遞到車內(nèi)的;車輛反彈可能造成車輛轉(zhuǎn)動,進(jìn)而導(dǎo)致車輛滾翻。在設(shè)計空降車輛時,需要增加車底緩沖平臺并改進(jìn)輪胎和懸架系統(tǒng)。

2)由單因素仿真分析可知,觸地速度越大,乘員下肢、盆骨和腰椎損傷越嚴(yán)重。當(dāng)觸地速度超過8 m/s時,乘員下肢、盆骨損傷皆超出閾值,且當(dāng)觸地速度低至6 m/s時,DRI值依然超標(biāo),乘員腰椎損傷嚴(yán)重;隨著懸架彈簧剛度的減小,乘員下肢損傷有減弱的趨勢;坐墊參數(shù)對乘員腰椎、盆骨無明顯影響;隨著阻尼的增大,乘員腰椎損傷有減弱的趨勢。

3)由顯著性分析可知,觸地速度對乘員下肢、腰椎、盆骨影響下的P值均低于顯著性水平0.05,而其余影響因素下的P值均高于0.05?？芍?觸地速度對乘員損傷具有顯著性影響。懸架彈簧剛度、阻尼參數(shù)和坐墊參數(shù)的影響雖不及觸地速度顯著,但隨著剛度的增大、阻尼的減小和坐墊硬度變大,乘員損傷也存在加重趨勢。