羅 鳴，周云波，張進(jìn)成，張 明，蘇逸飛，孫曉旺

（南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，隨著地雷和簡(jiǎn)易爆炸裝置的頻繁使用，作戰(zhàn)人員的傷亡情況逐年增加。過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，在面對(duì)這些威脅時(shí)，研發(fā)人員的注意力都集中在車輛本身的裝甲上，很少關(guān)注乘員的問(wèn)題[1]。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，乘員小腿脛骨、盆骨以及脊柱是比較容易受傷的部位[2]，這是乘員受到嚴(yán)重的垂向沖擊造成的。當(dāng)爆炸品在車輛底部爆炸后，傳遞給車體的沖擊加速度經(jīng)過(guò)防雷組件的衰減后通過(guò)車身底甲板和地板作用于乘員腿部和座椅安裝點(diǎn)，威脅乘員安全。近年來(lái)，以減振、阻隔沖擊為機(jī)理的防雷座椅的出現(xiàn)為作戰(zhàn)人員提供了進(jìn)一步的保護(hù)，該座椅中的吸能緩沖元件在爆炸沖擊過(guò)程中通過(guò)材料和結(jié)構(gòu)的能量吸收行為能夠有效降低乘員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

由于防雷座椅顯著的防護(hù)效果，各國(guó)學(xué)者開始從吸能緩沖元件和座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、綜合數(shù)值模擬分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)、乘員傷害評(píng)估和座椅試驗(yàn)評(píng)價(jià)等方面展開深入研究。George[3]結(jié)合乘員損傷標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)研究了防雷座椅氣囊坐墊的設(shè)計(jì)對(duì)地雷爆炸中乘員所受沖擊的衰減；Ala 等[4]研究了以鋁管的動(dòng)態(tài)軸向破碎為主要吸能機(jī)制的防雷座椅在爆炸沖擊環(huán)境下的乘員生存能力；Kumar 等[5]將跌落試驗(yàn)臺(tái)和爆炸工況聯(lián)系起來(lái)，以座椅垂直沖擊試驗(yàn)臺(tái)模擬爆炸沖擊環(huán)境，并對(duì)跌落環(huán)境下預(yù)測(cè)乘員損傷時(shí)降階模型的精度評(píng)估做了研究；盧紅標(biāo)等[6]研制出爆炸沖擊震動(dòng)模擬平臺(tái)來(lái)代替實(shí)爆試驗(yàn)。

針對(duì)這一領(lǐng)域的研究目前主要集中在防雷座椅吸能緩沖元件的設(shè)計(jì)，以求通過(guò)改變吸能器的結(jié)構(gòu)、尺寸來(lái)達(dá)到更好的防護(hù)效果，但很少分析乘員所受到的垂向沖擊作用于乘員腿部和座椅安裝點(diǎn)上的時(shí)間差對(duì)乘員損傷的影響。所謂時(shí)間差，是指乘員小腿和座椅安裝點(diǎn)受到加速度沖擊的起始時(shí)刻之間的間隔，根據(jù)之前軍用車輛底部防雷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該時(shí)間差的存在影響著爆炸工況下車內(nèi)乘員的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，進(jìn)而影響著乘員損傷。

本文中將通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合、試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬的研究方法，利用Hyperworks 和LSDYNA 等手段建立座椅-乘員系統(tǒng)，提取跌落試驗(yàn)中座椅安裝點(diǎn)和平臺(tái)的加速度作為系統(tǒng)的邊界條件，校核模型準(zhǔn)確性后，通過(guò)改變放置乘員小腿的地板和座椅安裝點(diǎn)所受加速度的沖擊作用時(shí)間差分析乘員損傷差異。

1 沖擊環(huán)境下座椅-乘員系統(tǒng)數(shù)值模擬分析

1.1 模型的建立

由于爆炸試驗(yàn)評(píng)價(jià)座椅防護(hù)能力的費(fèi)用高昂，試驗(yàn)步驟復(fù)雜，試驗(yàn)的偶然性與不確定性對(duì)乘員響應(yīng)分析造成干擾，因而大規(guī)模的爆炸試驗(yàn)并不適合研究乘員損傷[7]，因此一般采用跌落試驗(yàn)中產(chǎn)生的垂向沖擊脈沖模擬爆炸過(guò)程中乘員受到的載荷。

本次數(shù)值模擬中座椅-乘員系統(tǒng)由座椅、簡(jiǎn)易地板、安全帶以及假人組成，如圖1 所示。為避免座椅吸能器、坐墊等因素對(duì)研究的影響，座椅為無(wú)任何緩沖機(jī)制的剛性座椅，骨架和椅面網(wǎng)格尺寸為10 mm，其所受來(lái)自于車體或跌落試驗(yàn)臺(tái)的垂向沖擊將無(wú)衰減地作用于乘員盆骨和脊椎；地板無(wú)吸能腳墊，網(wǎng)格尺寸為5 mm。二者均用二維殼單元和本構(gòu)為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC 的材料模型進(jìn)行模擬。安全帶形式采用能夠有效減輕乘員損傷程度的五點(diǎn)式[8]，單元尺寸為10 mm，材料為織帶；與假人接觸部分采用二維殼單元，以模擬其與假人之間的相互滑動(dòng)、嵌入效應(yīng)以及安全帶的下潛和脫落；未與假人接觸部分采用一維安全帶單元模擬，以提高計(jì)算效率。乘員用HYBRID Ш 50 分位假人模型進(jìn)行替代，Ken-An[9]利用跌落測(cè)試得到的加速度信號(hào)模擬底部爆炸加速度輸入，對(duì)3 種不同網(wǎng)格精度的假人試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了HYBRID Ш 50 分位假人模型在研究垂向沖擊環(huán)境時(shí)具有較高的吻合度和準(zhǔn)確性。

圖 1 座椅和乘員的有限元仿真模型Fig. 1 Finite element models of the seat and passenger

車輛底部受爆炸沖擊時(shí)，乘員主要受到垂向的沖擊加速度，數(shù)值模擬時(shí)為模擬該加載條件，通過(guò)關(guān)鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_SET 將作用于地板和座椅安裝點(diǎn)的z向加速度作為模型的輸入。

1.2 乘員損傷響應(yīng)

在利用跌落試驗(yàn)的方法來(lái)研究爆炸工況下乘員損傷時(shí)，乘員響應(yīng)主要參照爆炸環(huán)境下的損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)——北約AEP-55[10]，包括頭部、頸部、盆骨、腰椎、下脛骨力等。本文中主要選取垂向沖擊載荷下對(duì)人體損傷嚴(yán)重的盆骨和腰椎進(jìn)行分析。

1969 年，Stech 等[11]提出利用一個(gè)簡(jiǎn)單的二階彈簧-阻尼-質(zhì)量系統(tǒng)（見圖2）物理模型來(lái)模擬人體脊椎受沖擊時(shí)的生物力學(xué)響應(yīng)，并采用動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)（dynamic response index,Idr）評(píng)價(jià)腰椎傷害的可能性。

圖 2 乘員脊柱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)模型Fig. 2 Dynamic response index model of the passenger’s spine

本文中該動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)模型的輸入均為假人盆骨位置傳感器所測(cè)得的加速度，其中，在跌落試驗(yàn)中跌落平臺(tái)與脈沖發(fā)生器撞擊后假人受到?jīng)_擊作用時(shí)，由其盆骨位置的傳感器測(cè)得相應(yīng)加速度的大?。欢跀?shù)值模擬分析中的座椅-乘員系統(tǒng)受到加速度沖擊時(shí)，由假人有限元模型中盆骨位置的傳感器監(jiān)測(cè)所受沖擊的大小。

2 沖擊環(huán)境下座椅-乘員系統(tǒng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概述

使用跌落試驗(yàn)臺(tái)模擬爆炸沖擊，相較于實(shí)爆試驗(yàn)，該試驗(yàn)臺(tái)成本低、可重復(fù)性高，可通過(guò)該試驗(yàn)臺(tái)為乘員響應(yīng)的研究節(jié)約時(shí)間與經(jīng)費(fèi)。試驗(yàn)在南京理工大學(xué)車輛工程研究院盱眙試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，為校準(zhǔn)有限元數(shù)值模型，試驗(yàn)所用的座椅、安全帶、假人等器材均與數(shù)值模擬模型保持一致，試驗(yàn)臺(tái)如圖3 所示。

在跌落臺(tái)面上布置靈敏度為9.356 μV/g、最大量程為20 000g的ENDEVCO 傳感器，并配以德維創(chuàng)DEWE-43 數(shù)據(jù)采集儀采集座椅安裝點(diǎn)的加速度輸入；試驗(yàn)時(shí)激活假人盆骨加速度、腰椎z(mì)向力傳感器，其損傷數(shù)據(jù)用東華5 902 堅(jiān)固型抗沖擊數(shù)據(jù)采集儀采集，采樣頻率為100 kHz。試驗(yàn)時(shí)控制跌落高度為0.5 m 并重復(fù)3 次。

圖 3 跌落沖擊試驗(yàn)的布置Fig. 3 Arrangement of the drop-tower experiment

2.2 模型驗(yàn)證

采用截止頻率為2 000 Hz 的低通濾波方法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)加速度進(jìn)行積分得到座椅安裝點(diǎn)的速度時(shí)間歷程曲線，如圖4 所示。

圖 4 跌落沖擊試驗(yàn)采集的加速度和速度時(shí)間歷程曲線Fig. 4 The curves of acceleration and velocity collected by drop-tower experiment

從圖4 中可以看出，3 次跌落試驗(yàn)所采集到的平臺(tái)加速度和整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的速度歷程曲線在走勢(shì)上具有較好的一致性，峰值加速度最大波動(dòng)量為6.43%，具體數(shù)值見表1。試驗(yàn)中整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)與地面上底座的碰撞速度和時(shí)間歷程與通過(guò)自由落體公式計(jì)算出的3.13 m/s 和319.44 ms相比，最大誤差為1.92%和0.76%，表明試驗(yàn)的重復(fù)性和一致性較好，所采集到的加速度數(shù)據(jù)可靠。此外，裝甲車輛在典型爆炸沖擊中速度變化量所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔Δt一般為5～15 ms，表1 中數(shù)據(jù)表明該跌落試驗(yàn)臺(tái)能夠有效模擬實(shí)車爆炸工況下車內(nèi)乘員所受的沖擊效應(yīng)。

由于前兩次跌落試驗(yàn)中假人腰椎z(mì)向力傳感器松動(dòng)導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)異常，因此采用第3 次試驗(yàn)的加速度曲線作為數(shù)值模擬輸入。將加速度曲線輸入到座椅-乘員系統(tǒng)數(shù)值模擬模型，對(duì)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

表 1 3 次跌落沖擊試驗(yàn)的加速度和速度及時(shí)間歷程數(shù)據(jù)Table 1 Acceleration, velocity and time data of the three drop-tower experiments

圖 5 仿真和跌落沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 5 Comparison of simulation and drop-tower experimental data

試驗(yàn)測(cè)得的盆骨加速度和腰椎z(mì)向力峰值分別為101.04g、9.71 kN，數(shù)值模擬所得到的盆骨加速度和腰椎z(mì)向力為95.27g、9.09 kN，二者相對(duì)誤差分別為5.72%和6.38%，兩者結(jié)果保持著良好的一致性，峰值誤差在合理的范圍內(nèi)。因此，該座椅-乘員數(shù)值模擬模型能夠?qū)?shí)際工況進(jìn)行很好的模擬，可以利用該模型對(duì)后續(xù)研究做進(jìn)一步分析。

3 小腿和座椅單獨(dú)受垂向沖擊時(shí)對(duì)乘員的影響

為確定小腿和座椅受沖擊的時(shí)間差對(duì)乘員損傷的影響，以數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)二者單獨(dú)受沖擊時(shí)的情況進(jìn)行研究。由于在軍用車輛剛性位置測(cè)量的典型爆炸垂直加速度歷程的主要形狀為三角形，持續(xù)時(shí)間比碰撞歷程短3～5 倍[12]。結(jié)合Kelly 等[13]所做的吸能座椅跌落試驗(yàn)，數(shù)值模擬時(shí)分別以對(duì)應(yīng)美軍試驗(yàn)室兩種防護(hù)等級(jí)的脈寬為5 ms、峰值加速度為200g和300g的三角波作為座椅-乘員系統(tǒng)的輸入。

3.1 小腿單獨(dú)受沖擊時(shí)乘員響應(yīng)

分析時(shí)，與假人腳部接觸的剛性地板受到垂向加速度沖擊，通過(guò)地板間接將沖擊作用于小腿，以更好地模擬實(shí)際情況；而座椅安裝點(diǎn)受到六自由度的固定約束，如圖6 所示。

兩種輸入工況下假人盆骨加速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力響應(yīng)如圖7 所示。

從數(shù)值模擬所得曲線可以看出，假人小腿受到?jīng)_擊時(shí)其盆骨加速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力均會(huì)先產(chǎn)生一個(gè)正向的峰值，然后再產(chǎn)生負(fù)向的加速度和力。

根據(jù)LSTC 公司在開發(fā)HYBRID Ш 50 分位假人時(shí)所建立的局部坐標(biāo)系（見圖8）并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，正向峰值的產(chǎn)生是由于假人小腿受到?jīng)_擊后帶動(dòng)大腿向上運(yùn)動(dòng)，由于安全帶的約束，假人上半身向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生正向的盆骨加速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力。當(dāng)大腿運(yùn)動(dòng)到極限位置后，由于座椅未受到?jīng)_擊保持靜止，慣性作用使得假人上半身在大腿的帶動(dòng)下與椅面脫離向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生負(fù)向的值。而在實(shí)際工況中，小腿單獨(dú)受沖擊并不會(huì)使乘員產(chǎn)生負(fù)向峰值的盆骨加速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力。

利用小腿沖擊試驗(yàn)臺(tái)模擬數(shù)值模擬中小腿單獨(dú)受沖擊工況。由于只需要研究該工況下乘員盆骨加速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力的響應(yīng)趨勢(shì)，試驗(yàn)中假人小腿直接垂直放置于剛性地板上，為避免脛骨力傳感器損壞，確定了試驗(yàn)方案中假人小腿的加速度輸入。數(shù)據(jù)結(jié)果表明假人盆骨加速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力與數(shù)值模擬保持著相同的變化趨勢(shì)。

因此，可以認(rèn)為在爆炸工況下車內(nèi)乘員小腿所受到的地板沖擊會(huì)使乘員盆骨產(chǎn)生向下的加速度和正向峰值的動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)，并且腰椎會(huì)在軸向上被拉伸。

圖 6 乘員小腿單獨(dú)受沖擊時(shí)的邊界條件Fig. 6 The boundary conditions when passenger's lower legs are impacted alone

圖 7 小腿單獨(dú)受沖擊時(shí)的乘員響應(yīng)Fig. 7 Passenger’s response when the lower legs are impacted alone

圖 8 小腿沖擊試驗(yàn)的布置及數(shù)據(jù)Fig. 8 The arrangement and data of lower legs impact experiment

3.2 座椅單獨(dú)受沖擊時(shí)乘員響應(yīng)

此時(shí)，與假人腳部接觸的剛性地板受到六自由度固定約束，在數(shù)值模擬中避免其受到?jīng)_擊載荷；而座椅的4 個(gè)安裝點(diǎn)均受到垂向沖擊加速度的作用，如圖9 所示。

在座椅單獨(dú)受到200g和300g的垂向沖擊時(shí)，假人盆骨加速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力產(chǎn)生負(fù)向的峰值，如圖10 所示。

兩種加載條件下，假人盆骨和腰椎響應(yīng)趨勢(shì)相同，在座椅的垂向沖擊下均先產(chǎn)生負(fù)向（垂直向上）的脈沖峰值，動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)也產(chǎn)生負(fù)向的峰值。

結(jié)合跌落試驗(yàn)對(duì)該工況進(jìn)行分析，試驗(yàn)時(shí)將假人小腿用繩子固定住，假人雙腳與跌落平臺(tái)保持150 mm間隙，防止小腿受到?jīng)_擊。試驗(yàn)時(shí)只需要模擬座椅-乘員系統(tǒng)中座椅安裝點(diǎn)單獨(dú)受沖擊工況，由于試驗(yàn)中所用座椅為剛性座椅，其在垂向沖擊下對(duì)能量無(wú)衰減作用，為避免損壞假人傳感器和其他部件，設(shè)定試驗(yàn)臺(tái)跌落高度為0.75 m，整個(gè)試驗(yàn)布置與2.1 節(jié)類似。試驗(yàn)結(jié)果表明，在座椅單獨(dú)受沖擊情況下3 個(gè)參數(shù)均先產(chǎn)生向下的峰值脈沖，然后在零值附近波動(dòng)，如圖11 所示。

因此當(dāng)座椅-乘員系統(tǒng)中的座椅單獨(dú)受到垂向沖擊時(shí)，乘員盆骨產(chǎn)生向上的加速度和負(fù)向峰值的動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)，腰椎會(huì)在軸向上被壓縮。

圖 9 乘員座椅安裝點(diǎn)單獨(dú)受沖擊時(shí)的邊界條件Fig. 9 The boundary conditions when passenger’s seat mounting points are impacted alone

圖 10 座椅安裝點(diǎn)單獨(dú)受沖擊時(shí)的乘員響應(yīng)Fig. 10 Passenger’s response when the seat mounting points are impacted alone

圖 11 座椅安裝點(diǎn)單獨(dú)受沖擊時(shí)的跌落試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig. 11 The drop-tower experiment data when seat mounting points are impacted alone

4 沖擊作用時(shí)間差對(duì)乘員損傷的影響

從上一節(jié)的研究分析可以看出，小腿或座椅在單獨(dú)受到垂向沖擊時(shí)，乘員盆骨和腰椎響應(yīng)分別出現(xiàn)正向和負(fù)向的峰值。因此，通過(guò)調(diào)整乘員小腿和座椅受沖擊作用的時(shí)間間隔，使得上述正向和負(fù)向峰值在同一時(shí)刻產(chǎn)生，并與小腿和座椅同時(shí)受沖擊的工況進(jìn)行比較，評(píng)估乘員損傷，研究是否會(huì)出現(xiàn)小腿單獨(dú)受沖擊時(shí)的正向峰值和座椅單獨(dú)受沖擊時(shí)的負(fù)向峰值相互消抵的現(xiàn)象。

由于在AEP-55 中只有乘員的動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力的閾值標(biāo)準(zhǔn)，因此在調(diào)整時(shí)間時(shí)改變動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力的峰值時(shí)刻。以峰值為200g、脈寬為5 ms 的加速度脈沖為輸入，結(jié)合小腿和座椅單獨(dú)受沖擊時(shí)的峰值出現(xiàn)時(shí)刻，根據(jù)表2 改變座椅-乘員系統(tǒng)的沖擊加載時(shí)間，使座椅受沖擊時(shí)間比小腿受沖擊時(shí)間分別早24 ms 和晚1.2 ms，對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力峰值進(jìn)行調(diào)控。

圖12 為小腿和座椅同時(shí)受沖擊、小腿先受沖擊和座椅先受沖擊3 種情況下加速度的加載時(shí)刻。

表 2 乘員小腿和座椅安裝點(diǎn)單獨(dú)受沖擊時(shí)的損傷峰值出現(xiàn)時(shí)刻Table 2 The injury peak points when passenger’s lower legs and seat mounting points are impacted individually

圖 12 仿真分析載荷加載示意圖Fig. 12 Schematic diagram of load loading for simulation analysis

乘員盆骨加速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力響應(yīng)如圖13 所示（時(shí)間差正值代表座椅先受沖擊，負(fù)值代表小腿先受沖擊，0 值代表二者同時(shí)受沖擊）。與同時(shí)受垂向沖擊工況相比，盆骨加速度峰值增大7.60g、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)增大0.45；腰椎z(mì)向力峰值增大0.57 kN。

圖 13 對(duì)峰值進(jìn)行調(diào)控時(shí)乘員的損傷響應(yīng)Fig. 13 Passenger’s injury response to peak regulation

因此，通過(guò)改變小腿和座椅受沖擊時(shí)間差來(lái)調(diào)控乘員盆骨和腰椎響應(yīng)峰值時(shí)，盆骨加速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力并未出現(xiàn)正負(fù)峰值相抵消的情況。分析對(duì)比小腿和座椅單獨(dú)受沖擊時(shí)乘員響應(yīng)數(shù)據(jù)，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于小腿單獨(dú)受沖擊時(shí)乘員盆骨加速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力的響應(yīng)遠(yuǎn)小于座椅單獨(dú)受沖擊工況；另外，當(dāng)兩者均受沖擊時(shí)，臀部向下而座椅向上的運(yùn)動(dòng)加重了盆骨和腰椎的擠壓，乘員損傷并不能視為其單獨(dú)受沖擊時(shí)響應(yīng)的線性疊加。

參照某型裝甲車臺(tái)車試驗(yàn)并結(jié)合一般經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際爆炸沖擊中，乘員位置接近爆炸源，小腿和座椅受沖擊間隔較小。因此，為進(jìn)一步研究沖擊作用時(shí)間差對(duì)乘員損傷的影響，設(shè)定座椅在5 ms 時(shí)刻開始受沖擊并以該時(shí)刻為參照，以-5～5 ms 為變量區(qū)間、時(shí)間間隔為1 ms 的受沖擊工況進(jìn)行分析，載荷加載示意如圖12 所示，各工況下乘員的損傷如圖14 所示。

結(jié)果表明，與同時(shí)受沖擊相比，盆骨加速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力3 個(gè)參數(shù)在小腿或者座椅先受沖擊時(shí)，隨著時(shí)間間隔的增大，其峰值均保持著增大的趨勢(shì)，但小腿先受沖擊工況下三者增長(zhǎng)的幅度遠(yuǎn)大于座椅先受沖擊工況。因此，小腿比座椅提前5 ms 受沖擊時(shí)乘員損傷最嚴(yán)重，具體數(shù)值見表3。該工況下盆骨加速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力相對(duì)于同時(shí)受沖擊工況分別增加25.64%、2.20%和27.29%，表明沖擊作用時(shí)間差的存在對(duì)盆骨加速度和腰椎z(mì)向力影響較大。盡管數(shù)據(jù)表明其對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)的影響較小，但基于戰(zhàn)爭(zhēng)中作戰(zhàn)人員安全至上的原則，任何能減小乘員損傷的措施都能對(duì)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

圖15 為數(shù)值模擬中假人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，對(duì)比不同工況下乘員臀部所受沖擊速度發(fā)現(xiàn)，在小腿或座椅安裝點(diǎn)先受沖擊時(shí)座椅對(duì)乘員的沖擊速度均大于同時(shí)受沖擊工況，由動(dòng)量公式p=mv及其推導(dǎo)公式F=dp/dt可知，同時(shí)受沖擊工況下乘員盆骨和腰椎所受沖擊最小。此外，結(jié)合數(shù)值模擬歷程分析可知，不同時(shí)受沖擊時(shí)損傷變化趨勢(shì)的產(chǎn)生是由于小腿先受沖擊時(shí)使得乘員上半身先向下運(yùn)動(dòng)，乘員臀部擠壓椅面加重了盆骨和腰椎的損傷；而座椅先受沖擊時(shí)乘員向上運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)離地板減弱了小腿的沖擊。

圖 14 時(shí)間差工況下乘員的響應(yīng)Fig. 14 Passenger’s response under time interval condition

表 3 時(shí)間差工況下乘員的損傷響應(yīng)數(shù)據(jù)Table 3 The data of passenger’s injury response under time interval condition

圖 15 假人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)Fig. 15 Movement postures of the dummy

5 結(jié) 論

針對(duì)爆炸工況下車內(nèi)座椅-乘員系統(tǒng)中小腿和座椅受垂向沖擊作用時(shí)間差對(duì)乘員損傷的影響問(wèn)題，以數(shù)值模擬分析為主要手段，并輔以小腿沖擊試驗(yàn)和跌落試驗(yàn)，得到以下主要結(jié)論：

（1）通過(guò)研究乘員小腿和座椅單獨(dú)受沖擊工況，分析盆骨和腰椎響應(yīng)，表明小腿單獨(dú)受沖擊時(shí)乘員產(chǎn)生向下的盆骨加速度和腰椎z(mì)向力峰值，動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)具有正向峰值；而座椅單獨(dú)受沖擊時(shí)乘員產(chǎn)生向上的盆骨加速度和腰椎z(mì)向力峰值，動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)具有負(fù)向峰值。

（2）同時(shí)給小腿和座椅加載，通過(guò)調(diào)控二者受沖擊作用時(shí)間間隔，發(fā)現(xiàn)乘員盆骨加速度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)系數(shù)和腰椎z(mì)向力的相應(yīng)峰值并無(wú)明顯變化，沒(méi)有產(chǎn)生正向峰值和負(fù)向峰值顯著抵消的現(xiàn)象。

（3）進(jìn)一步研究小腿和座椅受沖擊時(shí)間差對(duì)乘員損傷的影響，發(fā)現(xiàn)時(shí)間差的存在影響了乘員臀部受到的沖擊速度，加重了乘員盆骨和腰椎的損傷，損傷程度和時(shí)間差的大小呈正相關(guān)，且小腿先受沖擊時(shí)損傷程度的加重趨勢(shì)大于座椅先受沖擊工況。

因此，本文中對(duì)剛性地板和剛性座椅工況下沖擊作用時(shí)間差對(duì)乘員損傷的研究，為后續(xù)軍用車輛內(nèi)部具有能量衰減作用的柔性地板和防雷座椅的協(xié)同設(shè)計(jì)提供了參考和指導(dǎo)。為減小底部爆炸產(chǎn)生的垂向沖擊對(duì)乘員盆骨和腰椎造成的損傷，后期應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)車輛地板和防雷座椅的柔性度，控制乘員小腿和座椅安裝點(diǎn)受沖擊的時(shí)間間隔，使二者盡可能同時(shí)受到?jīng)_擊。