基于假人沖擊響應(yīng)評(píng)估抗沖地磚防護(hù)性能試驗(yàn)研究

第一作者黃建松男，博士，副研究員，1972年7月生

郵箱：hynar@163.com

基于假人沖擊響應(yīng)評(píng)估抗沖地磚防護(hù)性能試驗(yàn)研究

黃建松1，諶勇2，許述財(cái)3，吳靜波4

(1. 海軍醫(yī)學(xué)研究所，上海200433； 2.上海交通大學(xué)，上海200240； 3. 清華大學(xué)，北京100084； 4. 海軍裝備研究院，北京100161)

摘要：由于水下爆炸在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的巨大沖擊加速度會(huì)致艦船人員嚴(yán)重?fù)p傷、而新型抗沖擊地磚通過(guò)橡膠材料可吸收沖擊能量、降低艦員腳底部載荷，用雙波沖擊機(jī)模擬3種典型沖擊強(qiáng)度，用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)假人作為試驗(yàn)載體，記錄沖擊過(guò)程中假人主要部位的沖擊響應(yīng)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、評(píng)估。結(jié)果表明，艦員抗沖擊地磚具有較好的抗沖擊防護(hù)作用，可衰減60%以上沖擊載荷，能有效降低艦員沖擊損傷程度。

關(guān)鍵詞：抗沖擊地磚； 艦船沖擊傷；水下爆炸；假人

收稿日期：2013-12-16修改稿收到日期：2014-03-21

中圖分類(lèi)號(hào):TB535.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11102170)；四川省青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持項(xiàng)目(12013TD0004)

Tests and evaluation for personnel anti-shock tiles based on dummy shock response

HUANGJian-song1,CHENYong2,XUShu-cai3,WUJing-bo4(1. Naval Medical Research Institute, Shanghai 200433, China； 2. Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China；3. Tsinghua University, Beijing 100084, China；4. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

Abstract:Underwater explosion can produce extremely high shock acceleration to cause severe human injuries. Under the vertical shock acceleration from bottom to upward, the crews standing on decks of a ship receive extreme high shock load, their calcaneuses and ankle joints may be injured heavily. The new developed anti-shock tiles can absorb shock energy and degrade shock load with their rubber material. Here, a new double-half sine wave shock machine was used to simulate 3 typical shock intensities, and a Hybrid Ⅲ dummy was used as a test body to replace a person, the shock responses of the main positions of the dummy were recorded with sensors inside the dummy. The test results showed that the tiles can attenuate shock load by 60% at least, they can reduce ship shock injury greatly.

Key words:anti-shock tile; ship shock injury; underwater explosion; dummy

眾所周知，水雷或魚(yú)雷等水中爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊波，導(dǎo)致艦船發(fā)生劇烈的沖擊加速度運(yùn)動(dòng)，不僅對(duì)艦船設(shè)備、武器系統(tǒng)造成破壞，且對(duì)艦員造成嚴(yán)重的沖擊性損傷，稱(chēng)艦船沖擊傷。通過(guò)人體骨骼壓縮性能實(shí)驗(yàn)及典型海戰(zhàn)傷研究表明[1-2]，人體下肢尤其跟骨、腳踝為最易發(fā)生沖擊損傷部位。因此，加強(qiáng)人員的下肢抗沖擊防護(hù)措施研究是提高艦員生命力及作戰(zhàn)能力的重要保障。

艦員抗沖擊地磚為采用橡膠彈性材料制成的多孔蜂窩狀抗沖擊結(jié)構(gòu)防護(hù)墊單元構(gòu)成的組合體。文獻(xiàn)[3-5]分別通過(guò)地磚單元建模、多自由度立姿人體集中參數(shù)耦合等，從動(dòng)態(tài)壓縮行為分析、人體沖擊響應(yīng)理論計(jì)算等詳細(xì)研究地磚的防護(hù)機(jī)理，即利用地磚超彈性大孔隙率蜂窩薄壁結(jié)構(gòu)具有的獨(dú)特應(yīng)變平臺(tái)期，在載荷作用初期提供一定支撐強(qiáng)度；當(dāng)強(qiáng)度增大到一定條件時(shí)該結(jié)構(gòu)迅速大應(yīng)變瓦解、吸收沖擊能量，從而達(dá)到緩沖目的?？箾_擊地磚主要用于人員相對(duì)聚集、沖擊強(qiáng)度較大場(chǎng)所。人員可在地磚上自由行走作業(yè)，通過(guò)地磚特有的防護(hù)能力將甲板傳遞到人腳底部的沖擊載荷有效衰減，達(dá)到保護(hù)人體下肢避免或減輕沖擊損傷目的。本文主要針對(duì)水下爆炸引起的艦船沖擊運(yùn)動(dòng)環(huán)境，對(duì)研制的艦員抗沖擊地磚防護(hù)效果進(jìn)行沖擊試驗(yàn)評(píng)估，以證明此種地磚良好的抗沖擊防護(hù)效果，可起到降低艦船沖擊傷的作用。

1材料與方法

1.1艦員抗沖擊地磚

采用由多個(gè)RKZ-55型抗沖擊地磚單元組合粘貼形成的防護(hù)墊,見(jiàn)圖1。

圖1　艦員抗沖擊地磚示意圖 Fig.1 Personnel anti-shock cushion

艦員抗沖擊地磚為由橡膠彈性體制成的若干橡膠蜂窩薄壁柱狀結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的組合體，薄壁結(jié)構(gòu)間有少量間隙，保持每個(gè)結(jié)構(gòu)單元獨(dú)立變形。在沖擊載荷作用下地磚的薄壁結(jié)構(gòu)經(jīng)歷純彈性壓縮階段后進(jìn)入屈曲階段，產(chǎn)生瞬態(tài)大變形而吸收沖擊能量。此時(shí)結(jié)構(gòu)變形逐漸穩(wěn)定，承載力趨于穩(wěn)定。在沖擊動(dòng)能完全轉(zhuǎn)換為薄壁結(jié)構(gòu)變形能后，橡膠的彈性使薄壁結(jié)構(gòu)回彈而恢復(fù)初始狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)反復(fù)利用目的。

1.2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)假人

直接用真人進(jìn)行沖擊試驗(yàn)存在損傷風(fēng)險(xiǎn)，因此用廣泛應(yīng)用的Hybrid Ⅲ型國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)假人進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。第 50百分位男性假人，立姿身高178 cm，肩寬43 cm，坐高88.4 cm，胸圍98.6 cm，腰圍85.1 cm，體重77.7 kg。其質(zhì)量、剛度、阻尼等與真人接近，利用假人體內(nèi)的傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。

圖2　國(guó)際混3標(biāo)準(zhǔn)假人 Fig.2 HYBRID Ⅲ dummy

圖3　雙波沖擊機(jī)及 假人沖擊試驗(yàn)圖 Fig.3 Double-wave shock machine and dummy shock test

1.3沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)

艦船沖擊運(yùn)動(dòng)曲線為典型的雙半正弦沖擊波，具有加速度峰值極高、作用時(shí)間極短等特點(diǎn)。采用我國(guó)海軍裝備研究院與上海交通大學(xué)等聯(lián)合研制的新型雙波沖擊機(jī)模擬水下爆炸產(chǎn)生的甲板沖擊運(yùn)動(dòng)曲線，重復(fù)精度不大于10%，各項(xiàng)指標(biāo)滿足試驗(yàn)要求。

1.4沖擊試驗(yàn)強(qiáng)度設(shè)定

據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[6]中規(guī)定的艦員沖擊損傷等級(jí)曲線，其中2.2 m/s為劃分艦員沖擊安全性的耐受限值。分別設(shè)定一種無(wú)損傷級(jí)與三種有損傷級(jí)的沖擊試驗(yàn)強(qiáng)度，見(jiàn)表1。

表1　沖擊試驗(yàn)強(qiáng)度設(shè)置

1.5沖擊試驗(yàn)工況設(shè)置

假人模仿艦員穿制式作訓(xùn)鞋垂直站在沖擊機(jī)臺(tái)面上，用繩索將假人懸吊，避免在沖擊過(guò)程中假人從沖擊臺(tái)面上跌落造成損傷，同時(shí)不能讓繩索承受拉力。沖擊機(jī)臺(tái)面放置RKZ-55抗沖擊地磚，考慮三種沖擊強(qiáng)度，設(shè)置7次沖擊試驗(yàn)工況，見(jiàn)表2。

表2　試驗(yàn)工況設(shè)置

2試驗(yàn)結(jié)果

沖擊試驗(yàn)中據(jù)假人體內(nèi)的傳感器記錄其左右大腿、左右小腿及左右腳底Z向力及沖擊臺(tái)面加速度等參數(shù)。沖擊機(jī)臺(tái)面輸出的輕、中、重三種沖擊加速度曲線，見(jiàn)圖4。

圖4　三種沖擊加速度-時(shí)間曲線 Fig.4 Three shock acceleration-time curve

2.1輕度沖擊

輕度沖擊試驗(yàn)條件下，假人雙腳穿作訓(xùn)鞋，分別在有、無(wú)抗沖擊地磚時(shí)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。測(cè)量假人大腿、小腿及腳底部位沖擊響應(yīng)曲線、載荷峰值，見(jiàn)圖5。

2.2中度沖擊

在相同的中度沖擊試驗(yàn)條件下，假人雙腳穿作訓(xùn)鞋時(shí)，在有、無(wú)抗沖擊地磚條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，分別測(cè)得假人大腿、小腿、腳底部位沖擊響應(yīng)曲線及載荷峰值，見(jiàn)圖6、圖7。

圖5　輕度沖擊強(qiáng)度下假人下肢響應(yīng)曲線比較 Fig.5 Dummy shock response curve(low-level)

圖6　假人下肢沖擊響應(yīng)峰值比較 Fig.6 Dummy shock response peak load (low-level)

2.3重度沖擊

相同重度沖擊試驗(yàn)條件下，假人雙腳穿作訓(xùn)鞋時(shí)，在有、無(wú)抗沖擊地磚條件下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，分別測(cè)得假人大腿、小腿及腳底部位的沖擊響應(yīng)曲線、載荷峰值，見(jiàn)圖8~圖10。

圖7　中度沖擊強(qiáng)度下假人下肢響應(yīng)曲線比較 Fig.7 Dummy shock response curve(middle-level)

圖8　中度沖擊時(shí)假人下肢沖擊響應(yīng)峰值比較 Fig.8 Dummy shock response peak load (middle-level)

3討論

目前評(píng)估水下非接觸爆炸時(shí)艦船人員沖擊安全性依據(jù)為“水面艦艇沖擊對(duì)人體作用安全限值”[6]。該標(biāo)準(zhǔn)以艦船甲板作用于人體的沖擊輸入環(huán)境參數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，如平均加速度、沖擊速度及持續(xù)時(shí)間。由于目前基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)假人沖擊響應(yīng)評(píng)價(jià)艦船人員安全性方法尚未形成標(biāo)準(zhǔn)。本文擬采用兩種方法進(jìn)行評(píng)估。

3.1假人沖擊響應(yīng)衰減率比較法

據(jù)三種沖擊工況所測(cè)假人下肢(腳底、小腿、大腿)部位的沖擊響應(yīng)載荷峰值大小作為艦員抗沖擊地磚防護(hù)性能的判定依據(jù)，見(jiàn)表3。

表3　三種預(yù)定沖擊損傷級(jí)別下假人沖擊響應(yīng)

圖9　重度沖擊強(qiáng)度下假人下肢響應(yīng)曲線比較 Fig.9 Dummy shock response curve (high-level)

圖10　重度沖擊時(shí)假人下肢沖擊響應(yīng)峰值比較 Fig.10 Dummy shock response peak load (high-level)

據(jù)表3數(shù)據(jù)，設(shè)將無(wú)損傷條件的假人沖擊試驗(yàn)所得腳底、小腿、大腿受力載荷分別作為評(píng)價(jià)人體的安全限值，則定義假人耐受值為腳部2 014 N，小腿3 577 N，大腿3 070 N。若低于該值，則認(rèn)為相應(yīng)部位無(wú)損傷，否則為有損傷。

(1)輕度沖擊時(shí)，在抗沖擊地磚作用下，假人的沖擊響應(yīng)分別為腳底712 N、小腿1 866 N、大腿1 733 N，均小于假人安全限值，說(shuō)明此時(shí)人體不會(huì)損傷。若與相同沖擊條件下無(wú)抗沖擊地磚相比，腳底、小腿及大腿的響應(yīng)衰減率分別為72%、59%、60%。表明輕度沖擊時(shí)該地磚緩沖作用良好。

(2)中度沖擊時(shí)，在抗沖擊地磚作用下，假人的沖擊響應(yīng)為腳底750 N、小腿2 645 N、大腿3 054 N，均小于假人安全限值，說(shuō)明此時(shí)人體不會(huì)受損傷。與相同沖擊條件下的無(wú)抗沖擊地磚時(shí)相比，腳底、小腿及大腿的響應(yīng)衰減率分別為87%、68%、59%。表明中度沖擊時(shí)該地磚緩沖作用較好。

(3)重度沖擊時(shí)，經(jīng)抗沖擊地磚緩沖后，假人沖擊響應(yīng)為腳底1 072 N、小腿3 851 N、大腿3 791 N，小腿、大腿響應(yīng)超過(guò)安全限值，說(shuō)明此時(shí)小腿、大腿可能受到損傷；但該數(shù)值分別小于輕度沖擊條件下無(wú)抗沖擊地磚作用的假人部位響應(yīng)，說(shuō)明此時(shí)人體可能受到輕度損傷。相同沖擊強(qiáng)度條件下，地磚的緩沖率為腳底81%、小腿62%、大腿62%。表明重度沖擊條件下抗沖擊地磚也有良好的緩沖作用。

因此，用無(wú)損傷沖擊條件下沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)時(shí)，認(rèn)為抗沖擊地磚具有良好的緩沖作用。低于中度沖擊強(qiáng)度時(shí)，可確保人體處于無(wú)損傷狀態(tài)；沖擊強(qiáng)度達(dá)重度時(shí)，可將人員損傷程度從重度降低到輕度。

3.2小腿軸向壓縮載荷判定法

考慮人體對(duì)沖擊耐受能力受身高、體重、年齡、性別、體態(tài)等因素影響，在制定人體對(duì)沖擊耐受限值時(shí)，通?；趦蓚€(gè)重要損傷生物力學(xué)參數(shù)，即損傷程度、損傷概率。通常將發(fā)生AIS 2級(jí)(中度)損傷風(fēng)險(xiǎn)最大概率不超過(guò)10%的原則定義人體沖擊耐受水平[7]，即AIS<2級(jí)的損傷(輕度損傷)為安全的。Yoganandan等[8]通過(guò)大量尸體標(biāo)本的沖擊壓縮試驗(yàn)研究，提出將脛骨下端軸向壓縮載荷峰值作為評(píng)價(jià)人體下肢的耐受限值，并規(guī)定耐受水平5400 N時(shí)對(duì)應(yīng)發(fā)生AIS 2+的概率最大不超過(guò)10%。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)抗沖擊地磚的防護(hù)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，見(jiàn)表4。由表4看出，與脛骨的沖擊耐受限值5 400 N相比，無(wú)抗沖擊地磚時(shí)，假人在中度、重度強(qiáng)度條件下可能發(fā)生損傷，而假人站在抗沖擊地磚上時(shí)，在輕、中、重度三種沖擊條件下人體均安全。

表4　脛骨軸向受力作為性能評(píng)價(jià)結(jié)果

4結(jié)論

(1)在輕、中、重三種沖擊強(qiáng)度條件下，基于受試假人的下肢沖擊響應(yīng)載荷數(shù)據(jù)，與無(wú)地磚相比，抗沖擊地磚的力衰減率均達(dá)60%以上。以無(wú)損傷級(jí)假人沖擊響應(yīng)為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)時(shí)，經(jīng)抗沖擊地磚的緩沖可將輕、中度沖擊損傷降到無(wú)損傷，將重度損傷降到輕度損傷；以脛骨壓縮軸向載荷作為下肢損傷判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在三種強(qiáng)度沖擊條件下，抗沖擊地磚均可確保人員處于安全狀態(tài)。二種評(píng)定方法中，前者屬于衰減率相對(duì)比較法，其精度取決于無(wú)損傷沖擊工況的設(shè)置條件，可相對(duì)確定人體損傷程度；后者屬于脛骨絕對(duì)值比較法，其精度取決于脛骨耐受值選取，只能判定是否損傷，而不能確定損傷的具體程度。二種評(píng)估方法所得結(jié)果基本一致。而抗沖擊地磚沖擊防護(hù)作用較好。

(2)研究表明，抗沖擊地磚及抗沖擊鞋[9]等裝備均可起有效緩沖作用?？蓳?jù)裝備采購(gòu)成本、鋪設(shè)條件及人員流動(dòng)性等因素，將抗沖擊地磚鋪設(shè)在人員較集中艙室；對(duì)其它流動(dòng)性、分散性崗位，艦員可穿抗沖擊鞋。本文的試驗(yàn)研究及評(píng)價(jià)方法，可為艦員抗沖擊地磚研制、設(shè)計(jì)及評(píng)估提供重要指導(dǎo)，為相關(guān)領(lǐng)域(如地雷爆炸引起的車(chē)輛垂向沖擊)人體下肢抗沖擊防護(hù)裝具研究提供參考?？箾_擊地磚等防護(hù)裝備對(duì)保障水下爆炸所致艦員生命安全、提高人員抗沖擊水平、作業(yè)能力等均具有重要應(yīng)用價(jià)值及推廣前景。

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