垂向沖擊下穿戴裝備對(duì)乘員損傷影響研究*

尹 寧，王洪亮，張進(jìn)成，彭 兵，葉龍學(xué)

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

在當(dāng)前各國(guó)的武裝沖突和反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中，地雷和簡(jiǎn)易爆炸裝置（improvised explosive device,IED）是軍用車輛面臨的巨大威脅[1]。車輛結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊下遭受到極大的垂向負(fù)荷，進(jìn)而導(dǎo)致乘員傷亡[2]。近些年來(lái)，很多研究者對(duì)于改善裝甲車輛在遭受地雷和簡(jiǎn)易爆炸裝置的威脅時(shí)所提供的保護(hù)已經(jīng)做出重大努力。目前已有眾多方案解決車輛裝甲穿透帶來(lái)的傷害，但是車輛底部爆炸引起的車輛垂直瞬時(shí)加速度造成的沖擊還沒有很好的解決方法。爆炸事件中乘員的胸、腰、盆骨和下脛骨等部位均會(huì)受到嚴(yán)重?fù)p傷。

車輛投入使用前需要經(jīng)過整車抗爆炸試驗(yàn)，但是由于整車爆炸試驗(yàn)成本高、偶然性大且可重復(fù)性差，一般通過有限元方法虛擬分析整車防護(hù)性能，配合垂向沖擊座椅跌落試驗(yàn)驗(yàn)證車內(nèi)乘員保護(hù)系統(tǒng)性能，以縮短前期研發(fā)周期和降低研發(fā)成本。座椅跌落試驗(yàn)雖然無(wú)法完全模擬車輛底部爆炸事件，但在試驗(yàn)過程中，速度的總絕對(duì)變化與真實(shí)爆炸情況下的速度變化十分相似[3]。呂平華[4]根據(jù)設(shè)計(jì)和研制的工作實(shí)踐，對(duì)100 kg 沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，根據(jù)跌落原理分析并構(gòu)建了試驗(yàn)機(jī)的力學(xué)模型，研究了跌落高度和脈沖持續(xù)時(shí)間與加速度峰值的經(jīng)驗(yàn)公式。于治會(huì)對(duì)跌落試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行研究，認(rèn)為不同產(chǎn)品的沖擊裝置技術(shù)要求存在差異，同時(shí)提出了小型跌落試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有的特點(diǎn)，從工作原理和脈沖發(fā)生器波形特點(diǎn)兩方面進(jìn)行了研究[5]。這些研究都幫助我們發(fā)現(xiàn)可以通過座椅跌落試驗(yàn)來(lái)模擬實(shí)際車輛底部爆炸事件。

軍事人員在戰(zhàn)斗中需要穿戴一定質(zhì)量的裝備，以便為突然出現(xiàn)的緊急情況做出應(yīng)對(duì)。人員的裝備一般都放置在背心，并將其穿在衣服外面，該背心主要分布在人體軀干部位。然而在底部爆炸事件發(fā)生時(shí)，該部分載荷的分布以及它如何影響戰(zhàn)士的損傷情況，目前在很大程度上還是未知的。不過，對(duì)于該方面的研究已經(jīng)存在。Zhang 等[6]使用LS-DYNA 來(lái)模擬盆骨在低加速析進(jìn)行了仿真，并沒有試驗(yàn)驗(yàn)證。Cheng 等[7]僅使用理論模型探究了裝備質(zhì)量對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)指數(shù)（dynamic response index,DRI）的影響，而對(duì)腰椎等其他部位的影響并未涉及。

本文通過垂向沖擊試驗(yàn)和有限元仿真分析，研究乘員分布在軀干部位的裝備質(zhì)量、具體位置、松緊程度分別是如何對(duì)于乘員的損傷產(chǎn)生影響的。

1 垂向沖擊試驗(yàn)

此次垂向沖擊試驗(yàn)為剛性座椅跌落試驗(yàn)，在剛性座椅上放置擬人測(cè)試裝備（下文簡(jiǎn)稱假人）為Hybrid Ⅲ50百分位假人。利用背心和條形配重塊來(lái)模擬乘員執(zhí)行任務(wù)時(shí)所穿戴裝備，進(jìn)行同一高度不同裝備質(zhì)量下的座椅跌落試驗(yàn)，通過采集并對(duì)比不同工況下假人損傷響應(yīng)數(shù)據(jù)，研究乘員穿戴的裝備質(zhì)量對(duì)于乘員軀干損傷的影響。

1.1 座椅跌落試驗(yàn)臺(tái)介紹

座椅跌落試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)如圖1所示，包括跌落平臺(tái)舉升機(jī)構(gòu)、跌落平臺(tái)、電動(dòng)釋放鎖、懸掛帶、吊帶、剛性座椅、假人以及底部的橡膠墊。試驗(yàn)時(shí)利用舉升機(jī)構(gòu)將跌落平臺(tái)（包含平臺(tái)上的剛性座椅和假人）舉升到某一高度后釋放，沖擊時(shí)，橡膠墊提供一個(gè)接觸緩沖，以控制施加在工作臺(tái)上的力，從而使平臺(tái)減速。跌落平臺(tái)與帶有橡膠墊的底部支座碰撞產(chǎn)生加速度信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)加載加速度沖擊載荷。

圖1 跌落沖擊試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of drop impact test stand

座椅跌落試驗(yàn)布置如圖2所示，采用剛性座椅，以盡量減少試驗(yàn)中的可變性。然而，在撞擊過程中假人骨盆和剛性座椅底座之間會(huì)產(chǎn)生高脈沖，為避免假人損傷嚴(yán)重，采用100 mm 泡沫坐墊提供保護(hù)。跌落高度和波形發(fā)生器的選擇共同影響加速度脈沖的形狀和特性。圖3為平臺(tái)中央測(cè)得的加速度脈沖。加速度脈沖由跌落高度決定，以模擬真實(shí)地面爆炸過程中車體所經(jīng)歷的加速度脈沖。每次平臺(tái)以同一高度下落，且脈沖發(fā)生器不變，另外每次試驗(yàn)假人坐姿相同，并通過四點(diǎn)式安全帶將其與剛性座椅固定，保證剛性座椅邊界條件的統(tǒng)一。

圖2 座椅跌落試驗(yàn)布置Fig.2 Seat drop test arrangement

圖3 跌落試驗(yàn)過程中平臺(tái)中央加速度Fig.3 Central acceleration of the platform during the drop test

1.2 假人損傷指標(biāo)說明

試驗(yàn)中考慮假人穿戴裝備質(zhì)量主要集中在軀干部分，且結(jié)合北約AEP55卷2[8]底部爆炸工況下假人損傷評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，選擇假人腰椎力和DRI作為研究指標(biāo)。

DRI是應(yīng)用最廣泛的與盆骨z向加速度和脊柱壓縮相關(guān)的損傷標(biāo)準(zhǔn)。DRI 用于量化基于腰椎壓縮的脊柱損傷概率[9]，盆骨z向加速度是求解DRI 的必要輸入，而腰椎力與DRI不存在正相關(guān)關(guān)系。DRI的計(jì)算包括求解以骨盆z向加速度為激勵(lì)的二階微分方程的強(qiáng)迫響應(yīng)。DRI模型是一個(gè)代表乘員軀干的質(zhì)量-彈簧-阻尼器系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 應(yīng)用DRI損傷標(biāo)準(zhǔn)的脊柱壓縮模型Fig.4 Spinal compression model using DRIinjury standard

該單質(zhì)量彈簧-阻尼器系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程可表示為：

用η 表示DRI，其計(jì)算公式為：

式中：ymax為最大的相對(duì)位移， ωn為固有頻率，g為重力加速度。在AEP55中規(guī)定DRI 的安全閾值為17.7。低于該值時(shí)乘員發(fā)生AIS2+級(jí)別傷害的概率小于10%。目前Hybrid Ⅲ50th 假人腰椎并不具備較好的生物逼真度[10]，碰撞和沖擊環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)也沒有關(guān)于腰椎的損傷準(zhǔn)則，國(guó)外生物力學(xué)工作者在重力跌落測(cè)試平臺(tái)中得到的腰椎力耐受極限值為5.2～7.8 kN。

1.3 試驗(yàn)設(shè)置

本次試驗(yàn)穿戴裝備通過織布材料背心和條形配重塊模擬，如圖5所示。通過增減條形配重塊數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)模擬重量，其中條形配重塊每一塊質(zhì)量為0.5 kg，背心質(zhì)量約為1 kg。

圖5 座椅跌落試驗(yàn)中模擬穿戴裝備Fig.5 Simulated wearable equipment in a seat drop test

如表1所示，本次試驗(yàn)進(jìn)行了500 mm 高度的座椅跌落試驗(yàn)，配重情況分別為無(wú)配重、11 kg 配重、16 kg 配重和21 kg 配重。為避免試驗(yàn)偶然性導(dǎo)致的誤差，每種工況試驗(yàn)進(jìn)行三次。

表1 不同配重下的座椅跌落試驗(yàn)Table1 Seat drop test under different weights

每次試驗(yàn)記錄假人數(shù)據(jù)，拍照記錄試驗(yàn)前后狀態(tài)并通過高速攝像記錄試驗(yàn)過程。試驗(yàn)結(jié)束后收集所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中假人的相關(guān)損傷數(shù)據(jù)在AEP55中被規(guī)定為乘員安全性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，嚴(yán)格參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了更清晰地從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到規(guī)律性,選擇無(wú)配重、11 kg 配重和21 kg 配重三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。

圖6(a)比較了不同配重下假人腰椎力的曲線，可以看到，隨著穿戴裝備質(zhì)量的增加，腰椎力有變大趨勢(shì)，峰值依次為5525、5640、5779 N。說明穿戴裝備質(zhì)量的增加會(huì)加重乘員腰椎的軸向負(fù)荷，從而使得乘員腰椎損傷的概率更大。

經(jīng)過處理后的DRI，如圖6(b)所示，隨著穿戴裝備質(zhì)量的增加，假人DRI 逐漸變小，依次為18.9、16.6、15.5；結(jié)合DRI 的定義，說明穿戴裝備質(zhì)量的增加減小了乘員脊柱壓縮損傷的概率，尤其是18.9超過安全閾值，通過改變穿戴裝備質(zhì)量使得DRI處于安全范圍內(nèi)。DRI 與盆骨z向加速度曲線歷程相關(guān)，圖6(c)顯示了不同穿戴裝備質(zhì)量下的假人盆骨z向加速度，當(dāng)增加穿戴裝備的質(zhì)量時(shí)，盆骨加速度脈寬無(wú)明顯變化，峰值略有減小，整體曲線面積減小。

圖6 座椅跌落試驗(yàn)中不同配重下假人損傷值曲線Fig.6 Dummy damage value curve under different weights in the seat drop test

據(jù)圖7和表2所示，根據(jù)四組數(shù)據(jù)擬合得到曲線，可以看出隨著質(zhì)量的增加，腰椎力峰值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且變化速度逐漸變大，而DRI峰值呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，變化速度逐漸變??；其中相比沒有穿戴裝備的情況，21 kg 質(zhì)量的增加最大導(dǎo)致腰椎力變大4.4%，DRI減小17.9%

表2 座椅跌落試驗(yàn)中不同配重下假人損傷對(duì)比Table 2 Comparison of dummy damage under different weightsin the seat drop test

圖7 座椅跌落試驗(yàn)中不同重量下假人損傷峰值擬合曲線Fig.7 Fitting curve of the peak value of dummy damageunder different weightsin the seat drop test

2 有限元仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

雖然相比較整車爆炸，垂向沖擊試驗(yàn)已經(jīng)方便了很多，但是仍然耗費(fèi)較多時(shí)間和精力，因此在探究過程中不可能總是通過試驗(yàn)進(jìn)行，而有限元仿真技術(shù)可以高度還原真實(shí)情況且效率高、重復(fù)性好，因此有限元仿真成為重要手段。

2.1 有限元模型的建立

為了避免重復(fù)性建模，對(duì)跌落試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵部分、剛性座椅及假人進(jìn)行模塊化建模，在未來(lái)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)過程中只需要對(duì)子模塊進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)即可。每個(gè)模塊根據(jù)相應(yīng)的CAD模型進(jìn)行建模，模型中包括各個(gè)零件的單元、節(jié)點(diǎn)信息，不同模塊之間的單元、節(jié)點(diǎn)編號(hào)不能出現(xiàn)重復(fù)，否則會(huì)造成節(jié)點(diǎn)信息混亂，計(jì)算報(bào)錯(cuò)。

準(zhǔn)確的材料參數(shù)是有限元仿真的關(guān)鍵因素，直接影響仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。跌落試驗(yàn)臺(tái)中，底部支座和跌落平臺(tái)在試驗(yàn)中不允許出現(xiàn)變形，兩個(gè)部件體積大，且剛度和強(qiáng)度較大，因此材料模型選用LSDYNA 中的20號(hào)剛體材料*MAT_RIGID。脈沖發(fā)生器為橡膠材料，腳墊，座椅部件也均按照實(shí)際試驗(yàn)情況賦予相應(yīng)的材料屬性，包括密度、彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等。

仿真中考慮焊點(diǎn)失效，采用beam 模擬；另外在primer 中進(jìn)行假人與座椅系統(tǒng)的預(yù)壓，安全帶建模，安全帶與座椅骨架連接處采用1D單元模擬，安全帶主體使用2D殼單元建模，采用織布材料*MAT_FABRIC_TITLE 模擬。對(duì)于座椅骨架結(jié)構(gòu)采用2D殼單元建模，選用3號(hào)材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，座椅坐墊用LS-DYNA 中的57號(hào)材料*MAT_LOW_DENSITY_FOAM，該材料為可以恢復(fù)到原始形狀的低密度泡沫，座椅坐墊和跌落平臺(tái)等采用六面體實(shí)體單元建模。仿真中使用的假人為L(zhǎng)STC公司的HybridⅢ型50百分位的男性假人模型，該假人已被Lou 等[11]驗(yàn)證在垂向沖擊環(huán)境中與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好吻合度。整個(gè)模型單元總數(shù)為250738，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為253051，網(wǎng)格單元的尺寸為10 mm，翹曲度、雅格比參數(shù)等均符合質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

在仿真過程中，為了節(jié)省時(shí)間簡(jiǎn)化了實(shí)際的跌落臺(tái)試驗(yàn)裝置的輔助機(jī)構(gòu)，最終只保留跌落試驗(yàn)臺(tái)中跌落平臺(tái)、底部支座和橡膠墊部分；將跌落實(shí)際過程簡(jiǎn)化為瞬間過程，根據(jù)500 mm 跌落的高度等效計(jì)算得到跌落臺(tái)與底部支座碰撞一瞬間的速度為3.13 m/s，計(jì)算公式為

式中：v為平臺(tái)接觸到支座的速度，h為跌落高度。

考慮到座椅跌落的邊界條件，使用關(guān)鍵字“INITIAL_VELOCITY_GENERATION”對(duì)跌落臺(tái)、座椅和乘員系統(tǒng)施加跌落后的觸地速度使得跌落過程瞬間發(fā)生。具體構(gòu)建的模型如圖8所示。

圖8 跌落臺(tái)-座椅-乘員系統(tǒng)有限元模型Fig.8 FEM model of drop table-seat-occupant system

2.2 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

通過將實(shí)驗(yàn)與仿真中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證仿真建模的準(zhǔn)確性，以便進(jìn)行接下來(lái)的研究。目前用于評(píng)價(jià)乘員腰椎損傷準(zhǔn)則有兩項(xiàng)指標(biāo)，分別是動(dòng)態(tài)響應(yīng)指數(shù)DRI和腰椎軸向力，這兩種指標(biāo)主要用于預(yù)測(cè)乘員在垂直沖擊環(huán)境中的損傷。

圖9為腰椎力和盆骨加速度歷程曲線，從圖中可以看出兩種情況下乘員響應(yīng)幾乎一致。從表3看到仿真得到的腰椎力峰值約為5299 N，試驗(yàn)得到的腰椎力峰值約為5525 N，相對(duì)誤差為4.1%；仿真得到的盆骨加速度峰值約為28.7g，試驗(yàn)得到的盆骨加速度峰值約為27.3g，相對(duì)誤差為4.9%。

表3 座椅跌落試驗(yàn)與仿真中的假人損傷對(duì)比Table 3 Comparison of dummy injury in seat drop test and simulation

圖9 座椅跌落試驗(yàn)與仿真中的假人損傷值對(duì)比曲線Fig.9 Comparison curve of dummy damage value in seat drop test and simulation

給簡(jiǎn)化后的跌落試驗(yàn)臺(tái)及座椅和假人等加載一個(gè)初速度3.13 m/s進(jìn)行仿真來(lái)模擬500 mm 高度垂向沖擊試驗(yàn)，很好的模擬了試驗(yàn)中的乘員損傷，驗(yàn)證了仿真得到的結(jié)論。

3 裝備分布位置及松緊度對(duì)乘員損傷影響研究

通過試驗(yàn)已經(jīng)得到在垂向沖擊工況下不同質(zhì)量的穿戴裝備對(duì)于乘員損傷的影響。下面通過仿真探究裝備在軀干的分布位置以及裝備在乘員身上的松緊程度對(duì)于乘員損傷的影響。此時(shí)乘員穿戴背心通過2D殼單元表示，賦予實(shí)際的材料屬性參數(shù)；其他裝備質(zhì)量通過給節(jié)點(diǎn)加載的方式配重，并通過調(diào)節(jié)背心與身體的接觸參數(shù)來(lái)還原實(shí)際情況。在假人胸前與背后選取相應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)賦予總質(zhì)量10 kg 進(jìn)行研究，具體模型如圖10所示。其中綠色為背心，紅色為配重點(diǎn)；共選中1023個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量為0.0097 kg。

圖10 仿真中軀干部配重背心有限元模型Fig.10 Thefinite element model of the torso weight vest in the simulation

3.1 配重位置研究

Richards等[12]在研究中對(duì)于國(guó)外士兵穿戴裝備分布進(jìn)行了詳細(xì)的描述，包括頭盔、急救包、彈藥匣、槍、氣瓶等多種裝備，其分布位置也不統(tǒng)一，有的在軀干上部，有的在軀干下部?？紤]到在作戰(zhàn)時(shí)，軍事人員穿戴裝備位置可能會(huì)有所差異，并結(jié)合爆炸事件中乘員上半身?yè)p傷部位多為腰部和脊柱，因此希望通過研究探索在垂向沖擊工況下穿戴裝備重量集中在軀干上部和下部對(duì)于乘員損傷是否存在影響以及如何影響。

如圖11(a)所示仿真中將背心的配重點(diǎn)集中在軀干的上部，以此來(lái)模擬穿戴裝備重量集中在上部的情況，共選中506個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加載重量，每個(gè)節(jié)點(diǎn)賦予0.0198 kg 重量；如圖11(b)所示選中下部的506個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配重加載，以此來(lái)模擬穿戴裝備重量集中在下部的情況。其中假人中心位置的z向坐標(biāo)為684，上部配重點(diǎn)相對(duì)應(yīng)質(zhì)心位置z向坐標(biāo)為981，下部配重點(diǎn)相對(duì)應(yīng)質(zhì)心位置z向坐標(biāo)為855。

圖11 軀干不同位置配重背心有限元模型Fig.11 The finite element model of the weight vest at different positions on the torso

根據(jù)歷程曲線圖12和表4可以看出，穿戴裝備重量集中在軀干上部位置時(shí)，腰椎力峰值為5938 N，盆骨加速度峰值為29.7g；穿戴裝備重量集中在軀干下部位置時(shí)，腰椎力峰值為5708 N，盆骨加速度峰值為28.4g。分布位置位于軀干上部相對(duì)于下部腰椎力峰值和盆骨加速度峰值均略有增加，相對(duì)差值為3.9%和4.3%。該分析表明，當(dāng)穿戴裝備質(zhì)量集中在軀干上部時(shí)，乘員會(huì)產(chǎn)生較高腰椎負(fù)荷與盆骨加速度峰值，此時(shí)乘員危險(xiǎn)概率增大。

圖12 仿真中穿戴裝備不同分布位置假人損傷值曲線Fig.12 Dummy damagevalue curves of different distribution positions of wearable equipment in the simulation

表4 仿真中穿戴裝備不同分布位置假人損傷對(duì)比Table4 Comparison of dummy damagein different distribution positionsof wearableequipment in simulation

3.2 裝備松緊度

由于每一個(gè)軍事人員身形不完全一樣，所以在穿戴裝備時(shí)難免松緊程度有所差異，而松緊度是通過摩擦因數(shù)來(lái)表征的，背心與身體之間的摩擦因數(shù)對(duì)測(cè)量的損傷標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有影響[13]。因此通過改變仿真中背心與假人軀干接觸的摩擦因數(shù)，來(lái)研究穿戴裝備的松緊程度對(duì)于乘員損傷的影響。

之前通過仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證的過程得到摩擦因數(shù)為0.4，現(xiàn)在通過增加計(jì)算0.2、0.6和0.8三種摩擦因數(shù)的情況進(jìn)行探索，參考損傷指標(biāo)不變。

對(duì)于不同摩擦因數(shù)下的腰椎力和盆骨加速度歷程曲線如圖13所示，其中在摩擦因數(shù)為0.2情況下，腰椎力峰值為5831 N，骨加速度峰值為29.2g；在摩擦因數(shù)0.8情況下，腰椎力峰值為5484 N，盆骨加速度峰值為28.7g。另外據(jù)表5可以看出，隨著摩擦因數(shù)的增大，腰椎力峰值呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，變化速度逐漸變大，盆骨加速度峰值呈減小趨勢(shì)，但腰椎力最大相對(duì)差值為5.9%，而盆骨加速度只有1.7%。因此摩擦因數(shù)的變化對(duì)于結(jié)果影響較小。

圖13 仿真中穿戴裝備與身體接觸不同摩擦系數(shù)假人損傷值曲線Fig.13 Dummy damage valuecurve of different friction coefficients between the wearing equipment and the body in the simulation

表5 仿真中穿戴裝備與身體接觸不同摩擦系數(shù)假人損傷對(duì)比Table 5 Comparison of dummy damage with different friction coefficients between the wearing equipment and the body in the simulation

試驗(yàn)過程中安全帶帶動(dòng)身體下落，穿戴裝備由于慣性向上滑動(dòng)，當(dāng)穿戴裝備摩擦因數(shù)變大時(shí)，裝備不易向上滑，導(dǎo)致裝備質(zhì)量主要由軀干下半部承載，此時(shí)腰椎力峰值和盆骨加速度峰值均有降低，其中盆骨加速度峰值減小不明顯。說明隨著穿戴裝備的緊固減緩了乘員脊柱與腰椎的損傷，同時(shí)再一次驗(yàn)證了由于配重位置的不同對(duì)于乘員損傷帶來(lái)的影響。

4 結(jié)論

以垂向沖擊下的剛性座椅為研究對(duì)象，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。同時(shí)通過試驗(yàn)與仿真探究了穿戴裝備對(duì)于乘員盆骨加速度及腰椎力損傷的影響，有如下結(jié)論。

（1）在垂向沖擊試驗(yàn)中，隨著穿戴裝備質(zhì)量的增加，乘員盆骨Z向加速度峰值有減小趨勢(shì)，積分得到的DRI 明顯減小，當(dāng)重量相差21 kg 時(shí)，最大相差17.9%，而腰椎力峰值逐漸增大，最大相差4.4%。說明穿戴裝備質(zhì)量增加會(huì)減緩乘員盆骨以及脊柱的損傷概率，但會(huì)加劇腰椎的損傷概率；且DRI相對(duì)變化值比腰椎力大很多。

（2）在垂向沖擊條件下，裝備分布位置位于軀干上部相較于下部會(huì)加重乘員在跌落工況下腰椎和脊柱損傷發(fā)生的幾率；其中腰椎力峰值最大相對(duì)差值為3.9%，盆骨加速度峰值最大相對(duì)差值為4.3%。

（3）在垂向沖擊條件下，通過研究承載裝備的背心與身體接觸的摩擦因數(shù)來(lái)表征穿戴裝備松緊度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)摩擦因數(shù)變小時(shí)乘員的最大腰椎負(fù)荷更大，而盆骨加速度峰值也有變大趨勢(shì)，但影響不明顯。