任 佳,楊建波,劉小川
(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710065)
防雷座椅作為裝甲車整車綜合防地雷功能設(shè)計(jì)的重要組成部分,在車輛受到地雷和簡(jiǎn)易爆炸裝置(improvised explosive device,IED)威脅時(shí),為乘載員提供最直接的防護(hù)?;谌藱C(jī)工程學(xué)理論,強(qiáng)調(diào)人-機(jī)-環(huán)境的相互關(guān)系,人作為最重要的一個(gè)方面,防雷座椅研究目的為最大化地保證人的安全性、舒適性和工作效率[1],所以針對(duì)防雷座椅的抗沖擊性能研究對(duì)減少爆炸沖擊對(duì)人體損傷進(jìn)而提高乘載員的生存率有著重要的意義[2]。因此,各國(guó)相繼開(kāi)展防雷座椅的設(shè)計(jì)和研究工作,也形成了一定的產(chǎn)品,如Autoflug公司的動(dòng)態(tài)懸掛座椅、簡(jiǎn)科(Jankel)公司的爆炸衰減座椅、創(chuàng)造(Creation)公司的Blastech座椅等。在需求引導(dǎo)下,國(guó)內(nèi)各單位也逐步開(kāi)展防雷座椅的研究與設(shè)計(jì),但研究基礎(chǔ)還比較薄弱,仍處于設(shè)計(jì)指標(biāo)探索與樣機(jī)研制試驗(yàn)階段,未形成成熟的產(chǎn)品。
對(duì)于尚處于樣機(jī)研制與性能優(yōu)化階段的防雷座椅,需要形成一種有效、直觀、可靠的試驗(yàn)方法,這對(duì)于我國(guó)防雷座椅動(dòng)態(tài)性能測(cè)試與優(yōu)化具有重要意義。結(jié)合國(guó)外研究經(jīng)驗(yàn),通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M爆炸沖擊過(guò)程得到的結(jié)果與實(shí)爆試驗(yàn)結(jié)果非常接近[3-5]。在此基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)一些機(jī)構(gòu)建立了帶導(dǎo)軌和機(jī)械波形發(fā)生器的臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備,通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)的方法代替實(shí)爆試驗(yàn)開(kāi)展防雷座椅抗沖擊性能的研究,并進(jìn)行相關(guān)研究性試驗(yàn)。
防雷座椅抗沖擊試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)防雷座椅在模擬沖擊載荷作用下系統(tǒng)的工作能力,為座椅系統(tǒng)的研發(fā)、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及可靠性研究提供依據(jù)[6]。目前,試驗(yàn)參照北約軍事組織制定的AEP-55[7]標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)制定的SAE J211-1-2003[8]標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展,尚未形成完備的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范,對(duì)于座椅動(dòng)態(tài)性能的測(cè)量和評(píng)估方法仍處于試驗(yàn)與探索階段,未形成完整的數(shù)據(jù)測(cè)試與處理方法。對(duì)于防雷座椅抗沖擊試驗(yàn),準(zhǔn)確測(cè)量防雷座椅的動(dòng)態(tài)性能參數(shù),真實(shí)有效地反映座椅抗沖擊性能,對(duì)于防雷座椅的性能研究具有重要的意義,為座椅的性能分析和優(yōu)化提供前提條件。
因此,本研究中提出一種用于裝甲車防雷座椅抗沖擊試驗(yàn)的座椅性能參數(shù)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析方法,并對(duì)方法的有效性和可行性進(jìn)行論證。將該方法應(yīng)用于多型號(hào)防雷座椅的具體的試驗(yàn)過(guò)程,以證明該方法的有效性。
由于跌落式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更適用于座椅抗爆炸沖擊模擬試驗(yàn)[9-10],建立專用的跌落沖擊試驗(yàn)臺(tái),通過(guò)波形發(fā)生器,以自由跌落的方式模擬爆轟波產(chǎn)生的沖擊載荷,測(cè)試座椅產(chǎn)生的響應(yīng)和人體的損傷程度,試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。
圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖
以帶導(dǎo)輪的試驗(yàn)件固定安裝框架與波形發(fā)生器碰撞產(chǎn)生的沖擊加速度為系統(tǒng)輸入,模擬爆轟波對(duì)防雷座椅的加載作用。綜合AEP-55[7]試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與爆破試驗(yàn)中座椅系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),將防雷座椅系統(tǒng)的輸入沖擊加速度確定為脈沖幅值190~210g(以往試驗(yàn)采用210~230g)、寬度5~7 ms的三角波形加速度脈沖,此時(shí)與地雷爆炸沖擊波經(jīng)裝甲車車體和底板減振后加載于座椅系統(tǒng)的能量相當(dāng)。根據(jù)爆轟波的特點(diǎn)以及受試系統(tǒng)與波形發(fā)生器碰撞接觸的減速作用,采用半正弦波對(duì)爆轟波進(jìn)行模擬,標(biāo)準(zhǔn)[11-12]中給出模擬波形的容差要求,如圖2所示。
說(shuō)明:A為沖擊加速度峰值,D為沖擊持續(xù)時(shí)間。
按照?qǐng)D1所示的試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖,構(gòu)建防雷抗沖擊試驗(yàn)系統(tǒng),簡(jiǎn)化原理模型,可得到碰撞沖擊過(guò)程的力學(xué)模型簡(jiǎn)圖,如圖3所示。
圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)化原理圖
圖3中,m為落體系統(tǒng)(包括固定安裝框架、導(dǎo)輪系統(tǒng)、座椅系統(tǒng)、連接接頭、假人等)的總質(zhì)量;H為跌落高度;k為波形發(fā)生器的剛度;c為波形發(fā)生器的阻尼;X(t)為波形發(fā)生器的形變;v0為落體系統(tǒng)與波形發(fā)生器碰撞時(shí)的瞬時(shí)速度。試驗(yàn)件落體系統(tǒng)在重力作用下從高度H下落,以一定跌落速度與波形發(fā)生器發(fā)生彈性碰撞達(dá)到最大響應(yīng)。因?yàn)樵撨^(guò)程在瞬間發(fā)生,在達(dá)到最大響應(yīng)的過(guò)程中阻尼力不足以從結(jié)構(gòu)中吸收能量,對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響忽略不計(jì),沖擊力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為單自由度振動(dòng)系統(tǒng)。
假設(shè)波形發(fā)生器的剛度k是線性的,系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程表達(dá)為
所以,沖擊脈沖的加速度幅值可表示為
忽略初始相位φ0,可得沖擊波形的脈沖寬度,即沖擊加速度為零的值之間的沖擊持續(xù)時(shí)間τ為
通過(guò)防雷座椅抗沖擊試驗(yàn)方法的說(shuō)明,可以看出,準(zhǔn)確測(cè)量輸入的沖擊波形是試驗(yàn)的關(guān)鍵,在準(zhǔn)確測(cè)量波形的基礎(chǔ)上,形成座椅系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的測(cè)試與分析方法。
防雷座椅按照真實(shí)的裝甲車艙內(nèi)安裝狀態(tài)安裝于固定安裝框架內(nèi),固定安裝框架沖擊波形發(fā)生器后,產(chǎn)生沖擊加速度,座椅系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng),針對(duì)座椅動(dòng)態(tài)性能參數(shù),建立相關(guān)參數(shù)的測(cè)試方法,并根據(jù)測(cè)試需求構(gòu)建試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。
在裝甲車遇到地雷爆炸時(shí),防雷座椅在有限空間內(nèi)需實(shí)現(xiàn)能量緩沖,避免人體撞擊裝甲車壁板,減小人體脊柱損傷,有效保護(hù)乘員的安全[13]。在給定的輸入沖擊載荷下,防雷座椅的抗沖擊性能參數(shù)主要包括座椅緩沖行程和人體骨盆處的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指數(shù)DRIz,通過(guò)測(cè)量結(jié)果分析防雷座椅的抗沖擊性能。
此外,結(jié)合實(shí)際需求和車體內(nèi)部空間,給出了防雷座椅抗沖擊性能的試驗(yàn)合格判據(jù),若不滿足判據(jù)要求,乘載員在爆炸沖擊過(guò)程中,身體可能會(huì)撞擊裝甲車的頂部、底板,脫離座椅保護(hù),或造成嚴(yán)重的脊柱傷害,甚至危及生命安全。
防雷座椅能夠承載輸入加速度脈沖幅值190~210g、脈沖寬度5~7 ms的三角波形沖擊載荷,在此輸入沖擊載荷下,座椅的性能參數(shù)如表1所示。
表1 座椅試驗(yàn)合格判據(jù)
表1中,第1、2項(xiàng)為判定座椅抗沖擊性能的量化分析力學(xué)指標(biāo),體現(xiàn)了座椅對(duì)乘載員的防護(hù)能力和人體損傷程度;第3~6項(xiàng)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛度及強(qiáng)度指標(biāo),反映了座椅在限制質(zhì)量范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)剛度/強(qiáng)度是否滿足使用要求。
通過(guò)對(duì)防雷座椅抗沖擊性能參數(shù)的分析,可以獲得防雷座椅抗沖擊試驗(yàn)的測(cè)試參數(shù)。試驗(yàn)中,除了對(duì)兩個(gè)重要性能參數(shù)的測(cè)量外,還需要測(cè)量輸入沖擊加速度,作為試驗(yàn)考核到位的依據(jù)。
因此,可以得到防雷座椅抗沖擊試驗(yàn)的測(cè)量參數(shù)及測(cè)量方法,包括以下方面:
座椅緩沖行程:采用高速攝像系統(tǒng)拍攝的視頻圖像輔助計(jì)算,記錄座椅座面骨架垂直方向的緩沖行程。
假人動(dòng)態(tài)響應(yīng)DRIz值:通過(guò)加速度傳感器測(cè)量假人骨盆處的加速度值間接測(cè)量,加速度傳感器安裝于骨盆骨架處。
輸入沖擊加速度:通過(guò)加速度傳感器直接測(cè)量,傳感器粘貼在座椅安裝框架底板上表面的中心位置
座椅安裝框架跌落高度:通過(guò)安裝在連接導(dǎo)向架/座椅安裝框架與地面之間的位移傳感器測(cè)量,以保證座椅安裝框架具有相應(yīng)的沖擊初速度。
可以搭建防雷座椅抗沖擊試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng),如圖4所示。
圖4 測(cè)試系統(tǒng)硬件構(gòu)成
系統(tǒng)硬件主要包括位移傳感器、加速度傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集器、高速攝像機(jī)以及計(jì)算機(jī)等,測(cè)試系統(tǒng)硬件的具體規(guī)格和安裝位置如表2所示。
表2 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成及安裝
通過(guò)構(gòu)建的防雷座椅抗沖擊試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)試驗(yàn)輸入沖擊加速度及防雷座椅抗沖擊動(dòng)態(tài)性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,給出具體的測(cè)試方法和數(shù)據(jù)處理方法。
輸入沖擊加速度的測(cè)試結(jié)果直接反映出輸入沖擊波形,是試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格有效的判據(jù),相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中給出圖2的情況作為輸入要求,結(jié)合試驗(yàn)條件和實(shí)際情況,常取峰值±20g和脈寬±1ms為試驗(yàn)容差要求。
輸入沖擊加速度測(cè)試時(shí),將測(cè)試點(diǎn)選取為座椅安裝框架底板上表面的中心位置,而且要避免座椅的主體結(jié)構(gòu)觸底造成傳感器損壞,如圖5所示。
根據(jù)SAE J211-1-2003[8]標(biāo)準(zhǔn)要求,輸入沖擊加速度數(shù)據(jù)至少采用10 kHz的采樣率獲得(試驗(yàn)中采用100 kHz),并通過(guò)CFC1000對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,截止頻率1 650 Hz。
調(diào)試時(shí),通過(guò)在不同位置均安裝傳感器作為測(cè)試結(jié)果對(duì)比,測(cè)試結(jié)果一致性較好。此外,座椅安裝框架在設(shè)計(jì)時(shí)考慮試驗(yàn)結(jié)果一致性問(wèn)題,框架底板為厚度80 mm的鋼板,其余為方管/方矩管結(jié)構(gòu),其重量主要集中在底板,以減小座椅安裝后重心變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響,保證測(cè)試的一致性和重復(fù)性。通過(guò)某型座椅試驗(yàn),更換6臺(tái)座椅進(jìn)行試驗(yàn),從同一高度跌落,加速度計(jì)安裝位置不變,采集輸入加速度結(jié)果,所有數(shù)據(jù)均采用100 kHz的采樣率,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)均采用CFC1000進(jìn)行濾波,其輸入加速度波形重復(fù)性較好,如圖6所示。
圖6 輸入加速度對(duì)比Fig.6 Comparison of input accelerometer
如圖6標(biāo)注,選取每組數(shù)據(jù)極值的絕對(duì)值為輸入加速度峰值,每組數(shù)據(jù)第一個(gè)波峰(最大波峰)的寬度為加速度脈寬。統(tǒng)計(jì)6次試驗(yàn)輸入加速度的峰值與脈寬結(jié)果如表3所示,可以看出,在相同的投放條件下,所有數(shù)據(jù)結(jié)果均滿足試驗(yàn)要求范圍,峰值平均為197.5g,脈寬平均為5.48 ms。
表3 沖擊波形模擬結(jié)果
防雷座椅的緩沖行程測(cè)試是反映座椅性能的重要參數(shù),行程過(guò)小不能有效吸收沖擊載荷產(chǎn)生的能量,行程過(guò)大則會(huì)造成座椅面觸地,造成人員的二次損傷。
座椅緩沖行程采用高速攝像系統(tǒng)拍攝的視頻圖像輔助計(jì)算,記錄座椅椅面骨架處在垂直方向的緩沖行程。高速攝像的座椅緩沖行程測(cè)試方式見(jiàn)圖7。在座椅安裝框架上選取剛性位置粘貼MARK標(biāo)識(shí)作為參考點(diǎn),在座椅椅面骨架上粘貼MARK標(biāo)識(shí)作為跟蹤點(diǎn),通過(guò)圖像計(jì)算跟蹤點(diǎn)與參考點(diǎn)的相對(duì)位移,作為緩沖行程的測(cè)量結(jié)果??紤]椅面變形對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,跟蹤點(diǎn)位置選取為乘載員臀部下方的位置,一般距離座面與靠背交點(diǎn)向前150 mm的位置。
圖7 高速攝像測(cè)量位置
獲得位移視頻圖像后,通過(guò)專用的處理軟件(處理界面如圖8所示)可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)位移數(shù)據(jù)在垂直方向和水平方向的輸出,通過(guò)最低位置和起始位置求差值即可得到座椅緩沖行程。某型防雷座椅的緩沖行程求解曲線如圖9所示。
圖8 TIMA處理界面
圖9 緩沖行程求解曲線
通過(guò)圖9可以看出,在座椅安裝框架接觸波形發(fā)生器后,在假人和座椅主體的重力作用下,防雷座椅的緩沖器開(kāi)始?jí)嚎s,當(dāng)達(dá)到最大行程后會(huì)出現(xiàn)反彈,通過(guò)反彈后的位移最高位置與最低位置求差值即可獲得其反彈行程。正常情況下,由于能量的耗散反彈行程小于緩沖行程,現(xiàn)階段對(duì)防雷座椅的考核時(shí)只考慮緩沖行程。
但是對(duì)于某些防雷座椅吸能裝置設(shè)計(jì)與沖擊能量不匹配的情況,如緩沖器設(shè)計(jì)剛度過(guò)大、緩沖器卡滯、椅面觸地、椅面剛度過(guò)弱等,均會(huì)造成椅面反彈,使得反彈行程大于緩沖行程,如某型座椅的垂向位移曲線如圖10所示。
圖10 某座椅垂向位移曲線
通過(guò)圖10可以看出,該型座椅在壓縮過(guò)程中由于能量沒(méi)有完全耗散為產(chǎn)生較大的反彈行程,明顯大于緩沖行程。當(dāng)反彈行程較大時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生乘載員頭部觸頂、身體撞擊車內(nèi)設(shè)計(jì)及二次沖擊的情況,需要結(jié)合反彈行程進(jìn)行座椅緩沖能力的評(píng)估。
動(dòng)態(tài)響應(yīng)指數(shù)(DRIz)通過(guò)建立垂直方向的腰椎傷害風(fēng)險(xiǎn)模型,對(duì)裝甲車輛在受到地雷爆炸沖擊后乘載員的傷害要概率進(jìn)行評(píng)估,是考察防雷座椅抗爆炸沖擊性能的關(guān)鍵參數(shù),直接反映了防雷座椅對(duì)人體保護(hù)的情況。
DRIz通過(guò)加速度傳感器測(cè)量假人骨盆處的垂向加速度值間接測(cè)量。試驗(yàn)中采用50分位Hybrid Ⅲ男性假人,加速度傳感器安裝于假人的骨盆骨架處。建立DRIz模型的運(yùn)動(dòng)方程為如式(4)所示[14-15];
通過(guò)式(4)計(jì)算脊柱相對(duì)于座椅的最大壓縮位移δmax,進(jìn)而根據(jù)式(5)求解DRIz值。
式中:g=9.8m/s2為重力加速度;δmax為脊柱相對(duì)于座椅的最大壓縮位移。
圖11 假人坐姿垂直加速度換算示意圖
可以看出,在通過(guò)求解式(4)的二階微分方程獲得δmax,進(jìn)而求解DRIz值的過(guò)程中,加速度計(jì)獲得的骨盆骨架處的加速度值作為方程的激勵(lì)項(xiàng),對(duì)DRIz計(jì)算非常重要。其濾波頻率參照SAE J211-1-2003[8]標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試驗(yàn)信號(hào)采集與濾波的規(guī)定,國(guó)內(nèi)未見(jiàn)相關(guān)濾波頻率的討論。在此,通過(guò)比較與分析對(duì)濾波頻率對(duì)DRIz值計(jì)算結(jié)果的影響進(jìn)行討論。
(6)
根據(jù)線性微分方程的疊加原理,分別通過(guò)高頻部分aH和低頻部分aL求解微分方程,進(jìn)而求解DRIz值。當(dāng)取截止頻率FC=50 Hz時(shí),通過(guò)高頻信號(hào)和低頻信號(hào)求解DRIz的結(jié)果如圖12所示,能看出數(shù)據(jù)濾波頻率的選取會(huì)影響DRIz的計(jì)算結(jié)果。
圖12 高低頻信號(hào)求解DRIz結(jié)果
根據(jù)香農(nóng)采樣定理[17],數(shù)據(jù)的采樣頻率需大于系統(tǒng)固有頻率的2倍以上,考慮抗混疊濾波,工程上采樣頻率則要大于的固有頻率的2.56倍,所以對(duì)于DRIz的求解,數(shù)據(jù)采樣率(10 kHz)遠(yuǎn)大于采樣定理的規(guī)定采樣頻率,濾波時(shí)FC≥135.424 Hz即可滿足。分別選擇率波頻率為150、500、1 000和1 650 Hz,對(duì)比不同濾波頻率對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,可得如圖13所示的結(jié)果,可看出不同濾波頻率得到的計(jì)算結(jié)果重合度較好。
圖13 不同濾波頻率求解DRIz結(jié)果
通過(guò)對(duì)圖13的DRIz曲線極值部分局部放大,可以得到如圖14所示的結(jié)果,不同濾波頻率得到的DRIz曲線存在微小的相位移動(dòng),其峰值基本一致,計(jì)算結(jié)果如表4所示。濾波頻率在150 Hz時(shí),其DRIz計(jì)算加誤差小于0.01%。
表4 不同濾波頻率的DRIz結(jié)果
圖14 不同濾波頻率求解DRIz結(jié)果(極值放大)
所以,求解DRIz時(shí),假人骨盆骨架處的加速度在測(cè)量時(shí),其采樣率需滿足采樣定理要求,不需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。
本文根據(jù)裝甲車防雷座椅的抗沖擊試驗(yàn)需求,在已有臺(tái)架試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上,對(duì)試驗(yàn)測(cè)試方法及數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)則進(jìn)行了完善與提升,提出了用于裝甲車防雷座椅抗沖擊試驗(yàn)的座椅性能參數(shù)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析方法,提升了試驗(yàn)測(cè)試的準(zhǔn)確性,提升了對(duì)防雷座椅抗沖擊性能參數(shù)分析的準(zhǔn)確性,并為多型號(hào)防雷座椅的研究提供了數(shù)據(jù)支撐。本文得出的結(jié)論如下:
1) 可通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)獲得防雷座椅的抗沖擊性能,其座椅安裝框架測(cè)得的加速度波形作為試驗(yàn)的輸入,對(duì)試驗(yàn)的有效性和準(zhǔn)確性非常關(guān)鍵,座椅緩沖行程和假人的DRIz值作為關(guān)鍵輸出,對(duì)座椅的性能評(píng)估非常重要。
2) 輸入沖擊加速度,通過(guò)安裝在座椅安裝框架上表面的加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量,并需要按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行CFC1000濾波,以濾波后的數(shù)據(jù)作為沖擊波形評(píng)估的依據(jù),為了保證測(cè)試的結(jié)果的一致性,需盡可能增加框架底板的厚度。
3) 座椅緩沖行程測(cè)量時(shí),通過(guò)高速攝像系統(tǒng)拍攝視頻,再通過(guò)處理軟件跟蹤MARK標(biāo)移動(dòng)來(lái)輔助計(jì)算,MARK標(biāo)位于假人乘坐位置正下方的座椅骨架處,其壓縮行程和反彈行程對(duì)于座椅性能的評(píng)估均具有重要意義。
4) 假人DRIz值通過(guò)安裝在假人骨盆骨架處的加速計(jì)測(cè)量值間接計(jì)算獲得,加速度信號(hào)在測(cè)量時(shí),需考慮假人坐姿對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,通過(guò)夾角換算獲得垂直方向的加速度,在滿足采樣定理相關(guān)要求的采樣率條件下,不需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。