運輸車運兵乘員約束系統(tǒng)仿真與優(yōu)化設計

張建華，周良生，丁寶成，廖苓平

(軍事交通學院 軍事交通運輸研究所，天津300161)

軍用運輸車運兵是一種軍隊特有的兵力輸送方式，乘員在運輸車車廂內(nèi)乘坐，主要應用于戰(zhàn)役后方或平時。與裝甲車等戰(zhàn)斗車輛相比，運輸車運兵具有運量大、公路機動速度快、成本低等顯著優(yōu)勢，所以一直以來都是各國軍隊兵力輸送的重要方式［1］。從車輛分類上說，軍用運輸車屬于載貨車輛，由于車廂主要針對裝載貨物設計，乘員沒有任何防護約束，當車輛緊急制動、急轉向以及在顛簸道路上行駛時，乘員與車廂之間或乘員之間經(jīng)常會出現(xiàn)相互磕碰導致受傷的情況，甚至會發(fā)生乘員被顛出車外的嚴重事故。

1 約束系統(tǒng)初步結構設計

軍用運輸車運兵乘員約束系統(tǒng)不是隨車出廠配置的專用結構，需要滿足以下設計原則:一是不改動車廂結構;二是不影響現(xiàn)有乘載標準;三是應簡單輕便，易于攜行。設計目標是在運兵車輛緊急制動和急轉向等工況下，為車廂內(nèi)乘員提供安全限位約束。

筆者的研究對象為某型軍用運輸車，約束系統(tǒng)全部采用柔性織帶式結構，在車廂內(nèi)縱向成4列布置，連接部位均為縫制結構。主要由左側乘員安全帶總成、右側乘員安全帶總成、中間乘員安全帶總成和拉伸帶總成等組成(如圖1 所示)。左側和右側乘員安全帶總成是對稱結構，均由連接帶和乘員安全帶組成，由凸輪扣式栓緊器緊固于車廂側欄板的橫板上。乘員安全帶為兩點式，與連接帶縫制為一體，在連接帶上均勻布置。中間乘員安全帶總成由連接帶、乘員安全帶、前端連接裝置和后端連接裝置組成。前端連接裝置采用環(huán)抱車廂前欄板立柱的方式連接;后端連接裝置與車架后橫梁的工藝孔連接，并由2 個棘輪式栓緊器拉緊。拉伸帶總成包括橫向和豎向拉伸帶，均由拉伸帶和帶扣組成，用于中間連接帶的限位。橫向拉伸帶與中間連接帶和車廂側欄板處的篷桿連接;豎向拉伸帶上端與車廂橫縱篷桿接頭處連接，下端與中間連接帶連接。乘員安全帶和拉伸帶帶扣采用標準的航空不銹鋼帶扣。按照軍用乘載標準要求，乘坐方式為兩側人員背靠車廂板乘坐，中間兩路人員背靠背乘坐，乘員坐具為充填完整的軍用制式背囊。

圖1 乘員約束系統(tǒng)結構與使用狀態(tài)示意

2 約束系統(tǒng)仿真分析

仿真分析目的是預測約束系統(tǒng)在車輛典型行駛工況條件下的約束效能，優(yōu)化約束系統(tǒng)結構參數(shù)，并判斷約束系統(tǒng)是否會造成乘員身體損傷。

2.1 仿真模型建立

仿真分析涉及約束系統(tǒng)結構強度分析和乘員傷害分析2 個方面，需要分別采用Ls-Dyna 和Madymo 軟件建立CAD 模型［2］。如圖2 所示，車廂模型包括地板、側板、立柱和前后欄板。車廂外型尺寸(長×寬)為4 800 mm ×2 400 mm，材料為鋼材。坐標原點為車廂地板中心位置。假人模型采用HybridⅢ男性第50 百分位假人，數(shù)量按照乘載標準限值為32 人。雖然該仿真假人較適合轎車內(nèi)乘坐情況，與運輸車車廂內(nèi)乘員有較大差異，但乘員身體上部受力輸出結果有一定的參考價值。約束系統(tǒng)主要包括織帶、帶扣和栓緊器?？棊挾葹?0 mm，厚度為1.2 mm，材料為高強滌綸。其中，連接帶結構為多條織帶疊加縫制。車廂和織帶特性均設置為薄殼單元。

圖2 乘員約束系統(tǒng)CAD 模型

2.2 仿真參數(shù)設定

為便于加載，對緊急制動工況的縱向加速度和急轉向工況的橫向加速度進行簡化。根據(jù)軍用運輸車駕駛經(jīng)驗，從行車安全角度考慮，將車輛緊急制動工況的初始速度設定為30 km/h。制動加速度曲線的簡化如圖3 所示。

制動加速度峰值為

式中φb為路面峰值附著系數(shù)。

圖3 制動加速度曲線

按照最苛刻條件，加速度峰值取最大極限值，即運輸車行駛路面為瀝青或混凝土(干)路面，峰值附著系數(shù)φb為0.9［3］。制動時間取實車試驗的平均值為1.2 s。橫向加速度簡化為單一方向加載，峰值取運輸車輛的準靜態(tài)側翻閾值為0.6g，作用時間為1.1 s。主要結構的材料特性參數(shù)見表1。

表1 主要結構的材料特性參數(shù)

2.3 仿真結果分析

經(jīng)計算求解，分別得到了約束系統(tǒng)各部分結構的受力曲線和乘員身體受力情況(如圖4—圖11所示)。

圖4 緊急制動工況乘員安全帶組件受力曲線

圖5 緊急制動工況中間連接帶受力曲線

圖6 急轉向工況兩側栓緊帶受力曲線

圖7 急轉向工況拉伸帶組件受力曲線

圖8 緊急制動工況乘員腹部受力曲線

圖9 緊急制動工況乘員胸部受力曲線

圖10 緊急制動工況乘員頭部受力曲線

圖11 緊急制動工況乘員頸部受力曲線

從仿真結果看，緊急制動時間歷程約持續(xù)1.2 s，與實車測試情況基本一致。制動起始時刻至0.2 s，由于安全帶處于松弛狀態(tài)，乘員未受到約束，仿真結果輸出為0;在0.8 s 左右，約束系統(tǒng)受力達到峰值，其中，乘員安全帶組件受力峰值為348 N，中間連接帶縱向受力峰值為5 583 N，兩側栓緊帶縱向和橫向受力峰值分別為539 N 和602 N。從乘員腹部、胸部、頭部和頸部受力曲線峰值看，乘員身體各部受力均遠小于人體承受極限。

3 約束系統(tǒng)關鍵部位設計與結構優(yōu)化

從仿真分析結果看，約束系統(tǒng)的織帶、帶扣、栓緊器等結構強度易滿足設計要求，但織帶與織帶之間，以及織帶與帶扣、栓緊器等金屬部件之間采用的縫制連接是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。尤其是乘員安全帶與連接帶縫制部位，在車輛經(jīng)歷轉向、制動等工況時，會受到乘員在乘車平面內(nèi)各個方向的沖擊，特別是垂直于縫紉平面的拉力，容易造成局部縫紉線受力過大導致斷裂失效。此外，由于乘員安全帶采用的是兩點式結構，乘員身體受力面積較小，還應考慮車輛碰撞事故的安全帶限荷設計。

3.1 縫制形式設計

為保證結構強度，乘員安全帶與連接帶的縫制部位采用“人字形”結構設計(如圖12 所示)?！叭俗中巍苯Y構的2 條分支在不同工況下可合理分配受力，盡可能減小縫紉平面外的拉力，避免縫紉線撕裂現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 安全帶限荷設計

乘員安全帶織帶采用局部織帶折疊縫合的限荷技術(如圖13 所示)。折疊部位的破斷荷載限值為2 000 N，縫紉線在碰撞過程中斷開吸收沖擊能量，降低安全帶受力峰值，避免約束系統(tǒng)對乘員身體造成傷害。

圖12 “人字形”縫制結構

圖13 織帶局部折疊縫合示意

4 臺車碰撞試驗與實車乘坐試驗

為驗證約束系統(tǒng)的約束效能，分別進行了臺車碰撞試驗和實車乘坐試驗。碰撞試驗不僅能檢驗約束系統(tǒng)在極限條件下的結構強度和乘員損傷情況，而且能檢驗仿真模型的準確性。實車乘坐試驗主要是檢驗約束系統(tǒng)在正常使用中的約束效能情況，以及使用的方便性。

4.1 臺車碰撞試驗

臺車碰撞試驗在第三軍醫(yī)大學交通醫(yī)學研究所碰撞實驗室進行。由于實車車廂的尺寸和質(zhì)量超過實驗室牽引條件限值，制作了原車車廂1/4大小的車廂模型。碰撞初速度設定為20 km/h，假人采用HybridⅢ側碰假人，假人座具為充填完整的制式背囊，乘員安全帶處安裝安全帶力傳感器。碰撞試驗后的結構檢查和數(shù)據(jù)分析表明，約束系統(tǒng)結構完好，未出現(xiàn)松動和破斷現(xiàn)象，假人各部位受力指標未超過人體損傷限值。根據(jù)試驗采集的高速攝像數(shù)據(jù)、安全帶及假人傳感器數(shù)據(jù)，從碰撞前到假人向前傾斜的運動姿態(tài)再到向后回彈的整個過程，仿真與試驗錄像對比較為一致，安全帶仿真受力峰值和曲線形態(tài)與試驗曲線基本一致，仿真模型具有較高的可靠性(如圖14 所示)。

圖14 臺車試驗與仿真分析安全帶力曲線

4.2 實車乘坐試驗

實車乘坐試驗地域為河北省某地的部隊演習訓練場。約束系統(tǒng)實際安裝狀態(tài)如圖15 所示。

圖15 右側乘員安全帶總成和中間連接帶后端安裝狀態(tài)

乘員數(shù)量32 人，乘載車型為某型軍用運輸車，按照部隊乘載標準攜帶全部裝具乘坐。試驗道路包括良好公路、鄉(xiāng)村道路、山路和特殊路段，總里程近2 000 km。其中，特殊路段為綜合訓練場的越野道路。試驗過程中，除進行正常行駛試驗外，還進行了緊急制動和急轉向等典型行駛工況的約束效能試驗。試驗結果表明，約束系統(tǒng)設計合理、便于貯存、使用方便，在運兵車輛上下坡、緊急制動、急轉向以及通過顛簸路段時，能夠為乘員提供有效的限位防護。

5 結 語

針對軍用運輸車車廂內(nèi)乘員無防護約束，易出現(xiàn)碰傷事故的問題，以某型軍用運輸車為搭載車型，設計了一種簡單輕便的柔性織帶式乘員約束系統(tǒng)。從初步概念設計到性能驗證試驗的整個研究流程，以車輛緊急制動和急轉向工況為目標工況，采用CAE 仿真技術開展了虛擬設計和仿真，并針對仿真結果，對約束系統(tǒng)關鍵部位的結構進行了設計與優(yōu)化。經(jīng)碰撞初速度為20 km/h 的極限碰撞工況試驗和實際使用試驗表明，所開發(fā)的乘員約束系統(tǒng)強度滿足設計要求，不會造成乘員身體損傷，能夠為乘員提供有效的防護約束。

［1］ 張建華，周良生，廖苓平. 外軍運輸車運兵防護裝備的發(fā)展現(xiàn)狀及啟示［J］.軍用汽車，2012(4):49-50.

［2］ 鐘志華，張維剛，曹立波，等.汽車碰撞安全技術［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2003:29-32.

［3］ 余志生，夏群生，趙六齊，等. 汽車理論［M］.5 版. 北京:機械工業(yè)出版社，2012:92-94.