模擬車輛底部爆炸工況的小腿沖擊裝置研究

章金坤，周云波，孫曉旺，張 明

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 南京 210094)

在現(xiàn)代戰(zhàn)場中，常常出現(xiàn)非對稱作戰(zhàn)，如伊拉克戰(zhàn)爭。從2003年3月伊拉克戰(zhàn)爭開始，在非對稱作戰(zhàn)中頻頻出現(xiàn)的路邊炸彈、簡易爆炸裝置(IED)等武器對聯(lián)軍造成了巨大損失，并且此類傷亡人數(shù)占總傷亡人數(shù)的67%[1]。據(jù)伊拉克聯(lián)軍記錄，每個(gè)月大約有2 000次簡易爆炸裝置發(fā)生爆炸，有時(shí)候一天就有100多次這類攻擊事件發(fā)生[2]。這些爆炸對車輛及車內(nèi)乘員構(gòu)成嚴(yán)重威脅，威脅主要源自以下兩種形式：一是地雷爆炸時(shí)形成的破片滲入車體而引起的高溫爆炸氣體，入侵乘員艙內(nèi)對車內(nèi)乘員造成傷害，另外是源于爆炸時(shí)生成的高壓氣體產(chǎn)物沖擊防護(hù)車輛底部產(chǎn)生的強(qiáng)沖擊垂直加速度導(dǎo)致的人員傷亡[3]。這種強(qiáng)沖擊加速度不僅能夠經(jīng)過車身構(gòu)造傳導(dǎo)給車內(nèi)乘員造成乘員的生物損傷(如小腿、脊柱、脖頸與頭部的損傷)，還能引起車內(nèi)乘員的巨大位移，使得乘員撞擊車體結(jié)構(gòu)造成慘重?fù)p傷，對車內(nèi)乘員的生命安全造成嚴(yán)重威脅。醫(yī)療損傷數(shù)據(jù)顯示下肢是戰(zhàn)區(qū)士兵中最常見的受傷身體區(qū)域之一[4]。對爆炸強(qiáng)沖擊作用下車內(nèi)載員的安全性評價(jià)指標(biāo)上，北約AEP55 Vol2[5-6]是目前常用的標(biāo)準(zhǔn)。許述財(cái)?shù)萚7]對比研究了特種車輛內(nèi)乘員在垂直方向安全性評價(jià)的三種有效指標(biāo)。王波等[8]研究了在沖擊載荷下，乘員小腿放置姿勢對小腿傷害有重要影響。為了減輕爆炸沖擊對小腿的垂直沖擊，會做大量的試驗(yàn)對車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。由于實(shí)車爆炸試驗(yàn)耗費(fèi)巨大的財(cái)力人力，并且存在許多不確定的危險(xiǎn)情況，需要一個(gè)等效的模擬試驗(yàn)臺來進(jìn)行上述研究。因此本文通過在整車仿真中提取的等效模型設(shè)計(jì)了小腿沖擊裝置。

1 小腿損傷局部等效模型

1.1 整車有限元仿真

整車爆炸試驗(yàn)需要花費(fèi)大量的時(shí)間準(zhǔn)備布置并且會花費(fèi)巨額的費(fèi)用，而且其中還有不可避免的意外和不安全性。因此在防護(hù)性車輛設(shè)計(jì)過程中采用有限元仿真的方法得到了廣泛的應(yīng)用，其特點(diǎn)是效率高，一致性好，節(jié)約成本。本文用HyperMesh軟件在LS-DYNA環(huán)境下按照建模規(guī)范來對某型防護(hù)車輛的catia整車數(shù)模進(jìn)行了網(wǎng)格單元劃分，保證其網(wǎng)格質(zhì)量。創(chuàng)建的此車有限元模型如圖1，模型包括了整車、座椅、假人和流場。

圖1 整車(內(nèi)含假人)的有限元模型

魏然等[9]對整車進(jìn)行了爆炸仿真，李利莎等[10]利用拉格朗日算法、ALE算法和SPH算法對爆炸沖擊的接觸問題進(jìn)行了研究，證明ALE算法能準(zhǔn)確模擬車身及乘員損傷。ALE算法的可靠性與精確性已經(jīng)被廣泛接受[11]。該算法同時(shí)結(jié)合了拉格朗日算法和歐拉算法的優(yōu)點(diǎn)，能夠較為準(zhǔn)確地模擬和描述結(jié)構(gòu)的邊界運(yùn)動，所以這里采用該算法進(jìn)行整車爆炸有限元仿真。

由于本文針對爆炸情況下乘員的小腿進(jìn)行研究，因此整車仿真的結(jié)果只關(guān)注假人小腿力-下脛骨軸向力，有關(guān)曲線如圖2。

圖2 假人下脛骨軸向力曲線

1.2 局部等效模型的建立

整車仿真模型總計(jì)零部件part數(shù)量752個(gè)，單元數(shù)量280.5萬，調(diào)整計(jì)算時(shí)間步長4e-7s，單個(gè)計(jì)算30 ms時(shí)長模型約需40～50 h。為了縮短計(jì)算時(shí)間，并且本文重點(diǎn)研究對象是假人小腿損傷情況，并不考慮車體的狀況，在此提出局部等效模型。俞彤[12]對等效模型的可行性進(jìn)行過探究，將整車地板劃分成360塊施加相應(yīng)的加速度，慢慢縮小地板尺寸，最后發(fā)現(xiàn)賦予加速度的地板尺寸縮小到能夠覆蓋腳掌及座椅安裝點(diǎn)時(shí)，即大約700 mm×700 mm的大小，得到的假人下脛骨軸向力與整車仿真的輸出有較好的一致性。另外根據(jù)實(shí)際情況，防護(hù)車輛遭遇底部地雷爆炸時(shí)，車內(nèi)乘員下肢受到的沖擊作用僅來源于和腳底接觸的車輛地板，所以可以從整車中提取地板，座椅及假人系統(tǒng)作為等效模型，如圖3。

圖3 提取的局部模型

等效模型邊界為座椅的安裝點(diǎn)加速度輸入和地板的加速度輸入。按照整車條件，輸入應(yīng)為地板處2 076個(gè)節(jié)點(diǎn)和座椅梁連接處96個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度或者速度歷程，即需要2 172個(gè)曲線的輸入。這樣龐大的數(shù)據(jù)量輸入既浪費(fèi)時(shí)間也不夠精簡，很不現(xiàn)實(shí)。所以在這里從整車有限元仿真結(jié)果中提取地板part的平均加速度曲線，如圖4。由于座椅安裝點(diǎn)的加速度輸入相較于地板加速度偏小，并且對本文關(guān)注點(diǎn)假人下肢脛骨軸向力影響不大，所以可以忽略不計(jì)。

圖4 從整車提取的地板加速度曲線

因此對提取的局部模型施加的邊界條件為：在地板處施加圖4所示的從整車仿真中提取的地板平均加速度，在座椅安裝點(diǎn)處施加六個(gè)自由度的約束，計(jì)算時(shí)長為30 ms，所需計(jì)算時(shí)間為5～6 h。局部模型假人下脛骨軸向力的計(jì)算曲線和與整車模型仿真曲線，如圖5。

圖5 局部模型與整車模型計(jì)算曲線

在圖5中，整車模型與局部模型的假人左右下脛骨軸向力的時(shí)間歷程都比較相近。其中整車有限元仿真的假人下脛骨軸向力峰值分別為左14 290 N和右16 030 N，局部模型有限元仿真的假人下脛骨軸向力峰值分別為左16 020 N和右16 070 N，兩模型左右差距10.8%和0.25%，在合理的范圍內(nèi)。另外，整車模型中左右小腿力不完全一致是與炸點(diǎn)位置以及地板周圍結(jié)構(gòu)不對稱有關(guān)，符合實(shí)際情況。因此，該模型可以作為有限元仿真中防護(hù)型車輛在爆炸環(huán)境下用于研究假人下脛骨軸向力的等效模型。

2 地板加速度對小腿力的影響

俞彤[12]研究了地板地板加速度特征參數(shù)對小腿力的影響，得出：

1)在保證地板動能相同且持續(xù)時(shí)間與峰值相同的前提下，加速度曲線的上升斜率對乘員小腿損傷影響不大。

2)在持續(xù)時(shí)間相等的前提下，隨著加速度峰值的增大。

3)在保證地板動能相同的前提下，隨著持續(xù)時(shí)間的增大，乘員小腿軸向力加速度峰值減小且響應(yīng)時(shí)間推遲。但在其結(jié)論3)中持續(xù)時(shí)間即脈寬選的是10 ms，15 ms，20 ms，25 ms和30 ms，并沒有選取到5 ms以內(nèi)。這里同樣保證地板動能相同的前提下，選取一系列的加速度脈寬，以三角波的標(biāo)準(zhǔn)形式(如圖6，加速度300g，5 ms)加載到等效模型的地板加速度上，提取整理假人下脛骨軸向力，這里選取了兩個(gè)不同數(shù)值的地板動能列成如表1、表2。

圖6 300g 5 ms的等效三角波加速度

表1 動能相同不同脈寬的加速度下的小腿力峰值

表2 動能相同不同脈寬的加速度下的小腿力峰值

分析表1和表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)匕鍎幽芟嗤瑫r(shí)，在加速度脈寬小于6 ms時(shí)，假人下脛骨軸向力峰值基本保持在一定的大小，即不會隨著加速度脈寬的增大而變化，在加速度脈寬大于6 ms時(shí)，隨著加速度的脈寬增大，假人下脛骨軸向力峰值逐漸減小。

為了說明上述結(jié)論不是單單加速度脈寬作用的結(jié)果，前提需要保證動能相同。設(shè)置峰值300g一致，取不同脈寬的加速度施加在局部等效模型的地板上。同時(shí)，由上述表1和表2得出的結(jié)論可以引申為：對于該等效模型，一個(gè)脈寬小于6 ms的等效加速度三角波，都可以化為脈寬為任意小于6 ms的數(shù)值，但動能和原加速度一致的等效三角波。這里將部分加速度等效成脈寬為5 ms動能一致的加速度施加到等效模型地板上，輸入的加速度和得出的假人下脛骨軸向力如表3所示。從表3中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)加速度峰值一致都為300g時(shí)，隨著加速度脈寬減小，假人下脛骨軸向力也相應(yīng)地減小。

表3 不同加速度下的小腿力的影響

3 小腿損傷模擬試驗(yàn)臺

前文在整車仿真中提取了等效模型，并驗(yàn)證了等效模型相對于整車仿真的一致性。在現(xiàn)實(shí)中，可以建立與等效模型相似的試驗(yàn)臺用于模擬實(shí)車爆炸試驗(yàn)。因此參照等效模型的形式，小腿力試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)包含了試驗(yàn)假人，座椅約束系統(tǒng)和地板，另外需要一個(gè)加速度產(chǎn)生裝置。考慮到制作成本及易用性，這里采用釋放彈簧推動重物撞擊地板的方式給予地板初始加速度。

3.1 試驗(yàn)臺介紹

整體小腿損傷模擬試驗(yàn)臺如圖7，主體是由平板加圓柱狀導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和下方底座連成的一個(gè)整體，底座兩側(cè)不密封，用于放置千斤頂。圓柱狀導(dǎo)向機(jī)構(gòu)內(nèi)部裝有彈簧，該彈簧的剛度系數(shù)為335.16 N/mm，直徑為128 mm，高度為530 mm，可壓縮量為170 mm。彈簧上端有一圓柱沖擊塊，沖擊塊上方有一鎖止機(jī)構(gòu)用于限制彈簧的位移。平板上方有雙層地板，通過四個(gè)螺栓與平板相連，用于限位，防止地板受沖擊后飛出。距主體約20 cm處有一長方體的架子，用于放置假人。通過千斤頂舉升，壓縮彈簧，壓縮至一定程度后，打開鎖止機(jī)構(gòu)，彈簧向上運(yùn)動帶動沖擊塊撞擊雙層地板產(chǎn)生垂向沖擊力，使假人小腿受到一個(gè)垂向載荷。沖擊完成后卸載千斤頂，彈簧和沖擊塊以及鎖止機(jī)構(gòu)復(fù)原后，可再通過上述步驟進(jìn)行多次試驗(yàn)，具有較好的重復(fù)性。

圖7 小腿損傷模擬試驗(yàn)臺

3.2 測試方法

作為對小腿的傷害評估，采用標(biāo)準(zhǔn)混合Ш型第50百分位男性擬人測試設(shè)備(試驗(yàn)假人)，主要用到的假人通道和測量項(xiàng)為左下脛骨Z向力和右下脛骨Z向力，假人數(shù)據(jù)由東華測試提供的DH5902采集，采樣率為100 kHz。另外，在地板上放置了加速度傳感器記錄地板加速度歷程，使用德維創(chuàng)DEWE43進(jìn)行采集，采樣率為200 kHz。使用NAC MemreCam GX-3高速攝像機(jī)記錄試驗(yàn)過程中假人的運(yùn)動狀態(tài)，幀數(shù)為4 000幀。布置檢查完各項(xiàng)裝置到位后，先打開儀器采集數(shù)據(jù)，再釋放鎖止機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 測試結(jié)果

在布置完試驗(yàn)裝置后，將彈簧壓縮至13 cm，進(jìn)行了3次試驗(yàn)。其高速攝像截圖(圖8)，對比實(shí)車爆炸時(shí)車內(nèi)高速攝像捕獲的車內(nèi)假人運(yùn)動截圖(圖9)，發(fā)現(xiàn)假人下肢的運(yùn)動方式較為一致。

圖8 高速攝像截圖

圖9 實(shí)車爆炸車內(nèi)高速攝像截圖

3次測試結(jié)果的假人下肢脛骨軸向力曲線如圖10。其中3次試驗(yàn)假人左下脛骨軸向力分別為6 976 N，6 956 N和6 798 N，3次試驗(yàn)假人右下脛骨軸向力分別為6 310 N，5 838 N和6 114 N，可見3次試驗(yàn)的假人下肢軸向脛骨力左右腿各自較為一致。最大值與最小值相差分別為2.6%和7.4%，兩個(gè)腿之間有一定的差異性，考慮到制造公差以及中心點(diǎn)不準(zhǔn)等因素，在合理的范圍內(nèi)。從該試驗(yàn)可得出小腿損傷模擬試驗(yàn)臺有較好的一致性。

將試驗(yàn)臺測得的地板加速度與整車仿真的地板加速度曲線如圖11，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)臺加速度相較于整車仿真加速度顯得峰值大，脈寬小。

另外在研究加速度時(shí)一般會積分成速度后再等效成相應(yīng)的三角波形狀加速度，便于研究及評價(jià)加速度大小，主要參數(shù)為脈寬和峰值。積分后的速度曲線如圖12，等效成三角波后，整車地板加速度為409.4g，5.34 ms，試驗(yàn)臺地板加速度為7 316.7g，0.264 ms。

在上文地板加速度對小腿力的影響中，有當(dāng)?shù)匕鍎幽芟嗤瑫r(shí)，在加速度脈寬小于6 ms時(shí)，假人下脛骨軸向力峰值基本保持在一定的大小，即不會隨著加速度脈寬的增大而變化，在加速度脈寬大于6 ms時(shí)，隨著加速度的脈寬增大，假人下脛骨軸向力峰值逐漸減小?？蓪⒄嚨匕寮铀俣?09.4g，5.34 ms等效為437.24g，5 ms，將試驗(yàn)臺地板加速度 7 316.7g，0.264 ms等效為386.32g，5 ms?？梢妰烧呒铀俣攘考壊顒e不大。

圖10 假人下肢脛骨軸向力曲線

圖11 整車與試驗(yàn)臺的地板加速度曲線

圖12 積分后整車與試驗(yàn)臺的地板速度曲線

考慮雙層地板減小了大量的沖擊力，于是更換雙層板為單層加強(qiáng)板，重復(fù)上述試驗(yàn)，假人下肢脛骨軸向力曲線如圖13。其中左下脛骨軸向力為10 468 N，右下脛骨軸向力為10 105 N。所以該試驗(yàn)臺能夠產(chǎn)生至少一萬牛大小的下肢脛骨軸向力。整車爆炸試驗(yàn)規(guī)范規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)AEP-55中人體下肢軸向脛骨力限值為5 400 N，所以該小腿損傷模擬試驗(yàn)臺能夠用于車輛爆炸情況下乘員小腿受損狀態(tài)的模擬。

圖13 假人下肢脛骨軸向力試驗(yàn)曲線

4 試驗(yàn)臺結(jié)果有限元仿真驗(yàn)證

通過第一節(jié)的研究對比驗(yàn)證了等效模型的準(zhǔn)確性。該等效模型通過輸入地板加速度，能夠輸出假人下脛骨軸向力。而第二節(jié)的小腿損傷模擬試驗(yàn)臺中不僅能夠采集到假人下脛骨軸向力數(shù)據(jù)，還能采集到地板加速度。因此可以用試驗(yàn)臺采集到的加速度曲線賦到有限元仿真中局部等效模型的地板上，得到有限元仿真的假人下脛骨軸向力，與試驗(yàn)采集到的假人數(shù)據(jù)相比較，再次驗(yàn)證局部等效模型有限元仿真的準(zhǔn)確性。提取小腿損傷模擬試驗(yàn)臺前3次試驗(yàn)中第3次試驗(yàn)的地板加速度曲線，如圖14。將它加載到有限元仿真等效模型的地板強(qiáng)制加速度上，調(diào)整假人坐姿及腿部擺放位置與角度和試驗(yàn)情況一致。計(jì)算得到的假人下脛骨軸向曲線與試驗(yàn)曲線如圖15。仿真結(jié)果假人左右小腿力分別為6 581 N與6 343 N，與試驗(yàn)結(jié)果假人左右小腿力6 798 N，6 114 N差3.2%和3.6%，并且曲線走勢也較為一致，在合理的誤差范圍內(nèi)。

圖14 小腿損傷模擬試驗(yàn)臺地板加速度曲線

圖15 等效模型曲線與試驗(yàn)曲線

5 結(jié)論

1)提出了爆炸情況下乘員小腿損傷局部等效模型，并通過整車有限元仿真驗(yàn)證其準(zhǔn)確性；

2)設(shè)計(jì)制造了小腿損傷模擬試驗(yàn)臺，驗(yàn)證了其可行性；

3)通過仿真對標(biāo)證實(shí)了等效模型與試驗(yàn)臺實(shí)際情況的一致性，從作用機(jī)理、小腿運(yùn)動過程及小腿力和地板產(chǎn)生加速度四個(gè)方面說明了小腿損傷模擬試驗(yàn)臺能夠用于模擬整車爆炸試驗(yàn)中乘員小腿的損傷情況；

4)當(dāng)?shù)匕鍎幽芟嗤?，加速度脈寬小于6 ms時(shí)，假人下脛骨軸向力峰值基本不變，在加速度脈寬大于6 ms時(shí)，隨著加速度脈寬增大，假人下脛骨軸向力峰值逐漸減小。