載人空投著陸沖擊下不同乘員姿態(tài)的損傷影響*

戴俊超，周云波，張進(jìn)成，張 明，王顯會(huì)，孫曉旺

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

第二次世界大戰(zhàn)的經(jīng)驗(yàn)表明，要實(shí)行精確部署、快速應(yīng)急和高機(jī)動(dòng)性的敵后作戰(zhàn)與戰(zhàn)場支援，僅依靠輕裝傘兵是不夠的，而更需要重視機(jī)械化部隊(duì)在此類戰(zhàn)爭條件下的應(yīng)用。當(dāng)前世界格局下，各種突發(fā)性局部戰(zhàn)爭頻發(fā)，需要武裝部隊(duì)能夠迅速遏制和平息局部戰(zhàn)事沖突，這也更凸顯了空降作戰(zhàn)方式在占得先機(jī)、取得戰(zhàn)場主動(dòng)權(quán)方面的獨(dú)特地位。載人空投戰(zhàn)車能夠做到一經(jīng)著陸就投入戰(zhàn)斗，從而極大提高作戰(zhàn)效率、作戰(zhàn)人員安全性和戰(zhàn)地環(huán)境適應(yīng)性。最早運(yùn)用空降兵作戰(zhàn)的是前蘇聯(lián)，目前，也僅有俄羅斯具備載人空投能力。我國已能將無人空投戰(zhàn)車的空降應(yīng)用到實(shí)戰(zhàn)當(dāng)中，但是由于無法解決載人空投中乘員的安全性問題，暫時(shí)不具備戰(zhàn)車載人空投的能力。因此，載人空降關(guān)鍵技術(shù)的研究迫在眉睫。而保證著陸沖擊過程中人體所受到的沖擊載荷不超過人體的耐受極限是確保乘員安全的先決條件[1]。

學(xué)者們針對著陸沖擊對人體的影響和載員防護(hù)措施進(jìn)行了大量的研究。劉鑫等[2]設(shè)計(jì)了一種全新的氣囊緩沖座椅和仿生氣囊護(hù)頸，能更有效地對空降乘員實(shí)施全方位的保護(hù)。Stapp 等[3]通過大量人體實(shí)驗(yàn)證明了人體承受不同方向加速度過載的能力并不相同，同時(shí)指出人體胸背向承受加速度過載的能力優(yōu)于頭盆向。成自龍等[4]利用50 只成齡獼猴進(jìn)行了正坐坐姿下著陸沖擊實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)猴與人之間的修正值給出了人體對于縱向沖擊的不同損傷區(qū)間耐受值。目前這一領(lǐng)域的研究大多針對航天器的著陸沖擊響應(yīng)，人員座椅也是特殊的賦形座椅，難以滿足軍車內(nèi)部空間有限、座椅同時(shí)需要具有作戰(zhàn)中防雷防爆能力的要求。劉炳坤等[5]利用沖擊塔平臺(tái)對5 名健康男青年進(jìn)行10g沖擊下不同體位的實(shí)驗(yàn)研究，并得出人體對抗著陸沖擊的最佳體位角為50°，但其50 ms 的沖擊作用時(shí)間并不符合車輛著地瞬間加速度200～300 ms 的持續(xù)時(shí)間[6]，所用正弦加速度脈沖曲線也無法模擬真實(shí)著陸情況。本文中，采用實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)合的方法，通過對某軍車進(jìn)行1 m 高度的載人空投跌落實(shí)驗(yàn)，得到所需測點(diǎn)的沖擊曲線和假人多個(gè)部位損傷數(shù)據(jù)，并利用LS-DYNA 軟件建立該實(shí)驗(yàn)的乘員約束系統(tǒng)有限元模型，借鑒俞彤等[7]對簡化局部模型的仿真研究，將實(shí)驗(yàn)所得座椅安裝點(diǎn)加速度值作為模型邊界條件并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，研究乘員不同的體位姿態(tài)對乘員損傷的影響，并基于遺傳優(yōu)化算法得出綜合損傷最低的姿態(tài)參數(shù)范圍。需要指出的是，本文所用座椅為自研防雷座椅，因而期望所得結(jié)論對軍車在空投環(huán)境下的應(yīng)用更具有適用性。

1 載人空投實(shí)驗(yàn)研究與乘員損傷分析

1.1 某軍車空投跌落實(shí)驗(yàn)

空投車輛在跌落過程中需要經(jīng)過多個(gè)部件及緩沖平臺(tái)的緩沖吸能，保證車輛的安全落地。但車輛作為一個(gè)復(fù)雜集成系統(tǒng)，需要優(yōu)先確定其本身在跌落工況下的響應(yīng)。為了分析空投車輛在無額外緩沖防護(hù)狀態(tài)下的抗沖擊能力和乘員損傷，于2019 年7 月前往定遠(yuǎn)汽車實(shí)驗(yàn)場進(jìn)行跌落實(shí)驗(yàn)。場地地面為平整水泥地，采用大型吊車將車輛吊離地面，如圖1 所示。

由于車輛懸架離地后會(huì)有相應(yīng)位移，實(shí)驗(yàn)中以車輛側(cè)圍底部離地距離作為跌落高度基準(zhǔn)H。為模擬車輛的空投著陸工況，需要給車輛施加著陸時(shí)沿重力方向的觸地速度。在實(shí)驗(yàn)中通過將車輛提高到一定高度釋放，靠重力為車輛加速達(dá)到預(yù)定觸地速度。通過自由落體公式計(jì)算出在自由落體狀態(tài)下的初始高度，如取空投車輛的普遍著陸速度10 m/s 時(shí)，H取值應(yīng)為5.10 m。由于本次實(shí)驗(yàn)所用車輛未經(jīng)過針對空降工況的設(shè)計(jì)，同時(shí)車底也沒有安裝緩沖平臺(tái)，直接模擬空降速度跌落會(huì)對車輛和車內(nèi)設(shè)備造成巨大破壞。為了保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)得到車輛懸架過載的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，需要適當(dāng)降低高度。由于實(shí)驗(yàn)車輛的懸架設(shè)計(jì)主要針對不同的路況而不是跌落，依據(jù)實(shí)驗(yàn)車輛的相關(guān)懸架性能參數(shù)可以確定，當(dāng)?shù)涓叨冗_(dá)到1 m 后可以保證整車的懸架在跌落過程中過載，即模擬車輛在空降過程中的懸架過載。因此將實(shí)驗(yàn)高度降低至1 m，即著陸速度為4.47 m/s。根據(jù)馮宇等的研究[6]，為保護(hù)乘員和車內(nèi)設(shè)備，一般規(guī)定著陸速度在8～10 m/s 以下，但這都以車輛搭載如氣囊或泡沫材料的空投平臺(tái)為前提，因此本文所研究工況下載荷僅是真實(shí)的無空投平臺(tái)的著陸沖擊載荷，旨在利用該工況下的實(shí)際輸入載荷探究乘員姿態(tài)的防護(hù)影響，以指導(dǎo)之后相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置整體布置Fig. 1 Overall arrangement of the experimental setup

車輛起吊至離地高度1 m 處，起吊點(diǎn)選擇在車身四周，使車輛在空中保持水平狀態(tài)。載車重心基本保持縱軸對稱，最大偏差≤3%。控制頂部拖鉤器將車輛釋放。實(shí)驗(yàn)時(shí)輪胎氣壓為0.18 MPa。實(shí)驗(yàn)中所用自研座椅，通過頂部安裝梁，連接在副駕駛位上方結(jié)構(gòu)梁上。對假人采用四點(diǎn)式安全帶約束，雙手放置在大腿上，雙腿自然彎曲，小腿與地面垂直。圖2 所示為假人車內(nèi)姿勢及加速度傳感器布置。

圖 2 車內(nèi)實(shí)驗(yàn)假人的姿勢及加速度傳感器的布置Fig. 2 The test dummy posture in vehicle and the acceleration sensor arrangement on the joist

實(shí)驗(yàn)所用假人模型為Hybrid Ⅲ型50th 分位男性假人，該假人模型在正面碰撞測試中被廣泛使用，而如今也越來越多出現(xiàn)在車輛底部爆炸和垂向沖擊臺(tái)實(shí)驗(yàn)中對人體損傷的研究中。如梁銳等[8]利用該型假人研究著陸沖擊下人體頭、頸部損傷的成因。因此，該型假人可適用于著陸沖擊下的實(shí)驗(yàn)研究。由于針對符合中國人特性的中國假人研究起步較晚，中國假人模型設(shè)計(jì)在強(qiáng)度、精密度等方面考慮的較少，且未完成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，限制了其在高載荷實(shí)驗(yàn)等極端工況下的應(yīng)用，目前尚未形成一套以中國人體為基礎(chǔ)的損傷判斷標(biāo)準(zhǔn)體系，因此出于對人體損傷評判的考量，本文中選取Hybrid Ⅲ型仿真假人。因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)僅使用了該型假人，無法對乘員身高比例等體態(tài)參數(shù)進(jìn)行有效的變量分析。所以文中僅是對乘員的體態(tài)姿勢做相關(guān)研究，而忽略了體型的影響。由于其身高與體重參數(shù)與我國軍人的差別，將其應(yīng)用在我國軍車上仍會(huì)帶來諸多問題，因此本文研究我軍乘員姿態(tài)損傷僅是一般性結(jié)論本文研究成果的應(yīng)用還須結(jié)合體型差異來具體分析，旨在為之后的研究提供一定的指導(dǎo)意義。

實(shí)驗(yàn)中采用DH5902 堅(jiān)固型抗沖擊數(shù)據(jù)采集儀采集假人數(shù)據(jù)，采樣頻率為500 kHz，假人數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)處理軟件DIAdem 采用CFC600 濾波方式處理。實(shí)驗(yàn)前激活假人多個(gè)部位傳感器，確認(rèn)傳感器精度和靈敏度符合要求。在座椅下安裝點(diǎn)和車內(nèi)中部地板分別布置加速度傳感器，采用DEWE-43 數(shù)據(jù)采集儀對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，頻響范圍設(shè)為2 Hz～20 kHz。采用CFC60 濾波方式對加速度時(shí)間歷程曲線進(jìn)行濾波。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測得的座椅安裝點(diǎn)在著陸瞬間200 ms內(nèi)的加速度時(shí)間歷程曲線經(jīng)濾波處理后如圖3所示。由圖3 可見，真實(shí)的載人空投著陸時(shí)車內(nèi)經(jīng)歷著復(fù)雜而劇烈的運(yùn)動(dòng)，其中最強(qiáng)烈的沖擊出現(xiàn)在133～147 ms，加速度由-9.7g增長至峰值22.4g。

圖4 為實(shí)驗(yàn)中車內(nèi)高速攝像記錄的假人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，假人在經(jīng)歷了上下劇烈運(yùn)動(dòng)后，小腿偏向右側(cè)，而上身向左偏斜。可見，在軸向沖擊下由于小腿的上揚(yáng)等無序運(yùn)動(dòng)加劇了盆骨的下沉和橫向運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)假人上身的后仰和前傾，使假人整體側(cè)傾。這樣橫向的大幅運(yùn)動(dòng)容易導(dǎo)致假人與車體結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的二次損傷。因此，本文中提出在空投著陸沖擊下約束乘員下肢的防護(hù)措施。

圖 3 座椅安裝點(diǎn)Z 向加速度時(shí)間歷程Fig. 3 Change of acceleration along Z direction with time at the mounting point on the seat

圖 4 假人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig. 4 Motion statuses of the dummy

1.3 乘員損傷評價(jià)

乘員傷害響應(yīng)是評估安全性最直接的指標(biāo)，相比AEP-55[9]等防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，載人空降不僅只是保證乘員存活，更要以保證乘員作戰(zhàn)能力為前提，確保活動(dòng)能力不能降低。這與美國國家航空航天局（NASA）針對確保航天員著陸后良好的行動(dòng)力而提出的ORIS[10]損傷標(biāo)準(zhǔn)十分契合。由于載人空降研究尚處于起步階段，并未形成此類工況的人體損傷模式完整的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此需要綜合統(tǒng)計(jì)分析類似沖擊工況的損傷指標(biāo)，尋找一套適合載人空降的乘員評價(jià)體系，為后續(xù)研究工作提供指導(dǎo)。

由于人體的生物學(xué)特性差異等導(dǎo)致人體對沖擊的耐受性存在的廣泛差異性，使得評價(jià)體系更為復(fù)雜。同時(shí)借鑒統(tǒng)計(jì)分析航空飛船著陸沖擊下人員損傷評估的研究和醫(yī)學(xué)評價(jià)[8-13]，歸納出頭部的各向耐受極限值，NASA 相關(guān)研究得出，保證宇航員損傷在安全區(qū)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指數(shù)（dynamic response index，DRI）限值為13.4[14]。由王心怡等[15]的研究得知，腰椎的純壓載荷容限和彎矩容限分別為8 kN 和400 N·m，各傷害標(biāo)準(zhǔn)和限值見表1。其中，兼顧軸向力和力矩的頸部損傷指標(biāo)Nij選取考慮頸部壓縮-彎曲(neck compression-bending, NCF)的計(jì)算方式計(jì)算Nij值，梁銳等[8]在研究著陸沖擊對人體頸部損傷成因時(shí)給出了此工況下具體的頸部損傷限值，對本文是很好的參考。由于本文實(shí)驗(yàn)工況并非最惡劣工況，同時(shí)缺少相關(guān)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，考慮Z向和X向的耐受性不同，本文利用γ 因子[5]來衡量頭部沖擊對乘員整體的影響：

表 1 不同部位傷害標(biāo)準(zhǔn)和限值Table 1 Injury standards and threshold values for different parts

2 局部模型建立與研究

2.1 乘員約束系統(tǒng)局部模型建立

以本次實(shí)驗(yàn)車輛為研究對象，使用Altair Hypermesh 軟件建立整車-座椅-乘員系統(tǒng)有限元模型。為了方便后續(xù)對乘員響應(yīng)的研究與分析，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，本文中提取出在整車模擬中的乘員約束系統(tǒng)局部模型。俞彤等[7]驗(yàn)證了在垂直沖擊下等效模型的可行性，得到的假人損傷數(shù)據(jù)與整車模擬的輸出有較好的一致性。

如圖5 所示，該模型包含防雷座椅模型、Hybrid III 型50%分位男性假人模型、安全帶及座椅底部安裝塊模型。在Primer 軟件中根據(jù)乘員在實(shí)驗(yàn)中的位置，設(shè)置假人模型H 點(diǎn)，并調(diào)整各關(guān)節(jié)角度來模擬實(shí)驗(yàn)中乘員姿態(tài)。將假人對坐墊結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)壓處理，消除坐墊與假人的互相干涉。建立四點(diǎn)式安全帶模型，用2D 殼單元網(wǎng)格和1D seatbelt 單元來模擬安全帶織帶。采用關(guān)鍵字*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE 建立假人和座椅、假人和安全帶的接觸，避免結(jié)構(gòu)間發(fā)生無阻尼穿透。假人各關(guān)鍵部位建立加速度傳感器與BEAM 單元以記錄加速度和各向力與力矩?cái)?shù)據(jù)。整個(gè)模型網(wǎng)格單元尺寸為10 mm，部分較小的連接部件單元尺寸為5 mm。

座椅骨架結(jié)構(gòu)安裝梁采用以鋁合金A3003H14 為模擬材料的2D 殼單元建模，安裝梁和導(dǎo)軌滑塊則采用Q235 剛性材料。座椅坐墊和靠墊均使用六面體網(wǎng)格建模，材料采用低密度泡沫材料，利用關(guān)鍵字*MAT_LOW_DENSITY_FOAM 材料本構(gòu)來模擬，通過沙漏公式控制泡沫材料的過大變形。坐墊靠墊所用泡沫材料和安全帶材料實(shí)測工程應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6 所示，通過將其輸入為該材料加載曲線來模擬坐墊和靠墊工作時(shí)的性能。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)座椅材料參數(shù)在Hypermesh 軟件中賦予各零部件材料屬性，如表2 所示。因?yàn)楸疚膬H研究乘員姿態(tài)對人體損傷的影響，因此對座椅各材料參數(shù)對乘員防護(hù)的優(yōu)化分析設(shè)計(jì)將作為之后的課題研究。

圖 5 乘員約束系統(tǒng)有限元模型Fig. 5 A finite element model of the crew restraint system

圖 6 坐墊靠墊和安全帶材料應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig. 6 Stress-strain curves of cushion and seat belt materials

2.2 模型邊界條件設(shè)定

本文主要探究著陸沖擊下Z向乘員響應(yīng)，由于實(shí)驗(yàn)所用座椅為吊裝式防雷座椅，因此將實(shí)驗(yàn)所測得的座椅上安裝點(diǎn)Z向加速度作為模型輸入條件。相關(guān)研究提出，車輛著地時(shí)所受沖擊最大，持續(xù)時(shí)間為200～300 ms[6]，因此截取車輛著陸瞬間200 ms 內(nèi)加速度響應(yīng)曲線，圖3 為經(jīng)過濾波處理的加速度輸入。同時(shí)約束安裝點(diǎn)X向和Y向的平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)。為了真實(shí)模擬空投著陸，對座椅-假人系統(tǒng)施加重力加速度場，重力加速度取9.8 m/s2。

2.3 實(shí)驗(yàn)與模擬對比

表3 給出了實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果中假人各項(xiàng)數(shù)據(jù)的對比，各物理量符號說明參考表1，各部位響應(yīng)曲線對比如圖7 所示。從圖7 可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比模擬數(shù)據(jù)都出現(xiàn)峰值延后現(xiàn)象，這是由于座椅相關(guān)參數(shù)精度和模型誤差，使仿真曲線存在一定的額外波動(dòng)，但曲線整體時(shí)間歷程近似。對比各項(xiàng)數(shù)據(jù)的峰值誤差，模型響應(yīng)誤差均在20%以內(nèi)，滿足工程設(shè)計(jì)誤差的允許范圍。因此，該局部模型滿足作為研究空投環(huán)境下乘員姿態(tài)影響的等效模型的精度要求。

表 3 實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)對比Table 3 Comparison of experimental and simulated data

3 乘員姿態(tài)研究

3.1 研究方案設(shè)計(jì)

參考著陸沖擊下航空航天座椅的設(shè)計(jì)方法，考慮乘員以不同仰臥姿態(tài)在車輛著陸沖擊下的響應(yīng)，將沖擊方向與人體縱軸的夾角α 作為目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)。上文提出腿部運(yùn)動(dòng)對乘員的安全性有重要影響，因此本文中引入第2 個(gè)設(shè)計(jì)變量，即大小腿間的夾角β，并在模擬中用安全帶對小腿施加與座椅的運(yùn)動(dòng)約束，如圖8 所示。模擬中確保頸部與軀干仰角、大腿與軀干夾角等體態(tài)參數(shù)保持不變。

圖 7 實(shí)驗(yàn)與模擬假人損傷對比Fig. 7 Comparison of experimental and simulated dummy damage

參考劉炳坤等[5]在不同體位著陸沖擊時(shí)人體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究中對沖擊方向的選取，本文中將乘員上身仰臥角度α 取值范圍選定在0°～70°之間，同時(shí)出于對人體舒適度的考量，選定大小腿間的夾角β 范圍為60°～150°，如表4 所示。

3.2 小腿約束影響分析

在初始模型的基礎(chǔ)上對假人小腿施加與座椅的約束，探究僅限制小腿運(yùn)動(dòng)對乘員響應(yīng)的影響。模擬結(jié)果如表5 和圖9 所示。可以看出，小腿施加約束，能明顯降低各部位的損傷值，并延遲各響應(yīng)峰值的出現(xiàn)，對乘員整體起到較好的防護(hù)效果。其中，頭部Z向加速度峰值降低了18.2%；頸部軸向力減小了43.6 N，同比降低了5.7%，頸部Y向力矩減小了7.2%；腰椎軸向力減小604 N，腰椎Y向力矩減小34.2 N·m，防護(hù)效率分別達(dá)到13.3%和21.8%；盆骨加速度減小了7.5g，動(dòng)態(tài)響應(yīng)指數(shù)Id降低了2.6%。標(biāo)準(zhǔn)化損傷權(quán)重指數(shù)Iw降低了23.2%

圖 8 乘員約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig. 8 Passenger restraint system design

表 4 設(shè)計(jì)變量選取Table 4 Selection of design variables

表 5 小腿有、無約束模擬數(shù)據(jù)對比Table 5 Comparison of simulation data between the calf with and without restraint

對比發(fā)現(xiàn)：空投著陸沖擊下，乘員小腿的運(yùn)動(dòng)加劇了乘員整體損傷，對小腿進(jìn)行約束能起到降低乘員損傷的作用。

3.3 單因素影響分析

3.3.1 仰臥角度的影響

在初始模型的基礎(chǔ)上約束了小腿的運(yùn)動(dòng)，每隔10°選取一個(gè)仰臥角度α，共8 組模型，模擬結(jié)果如表6所示，圖10 列出了假人幾個(gè)關(guān)鍵部位在仰臥角度為0°、20°、40°和60°時(shí)的響應(yīng)曲線。從數(shù)據(jù)可以看出，仰臥角度α 越大，頭部Z向加速度峰值越小，X向加速度有先增后減的趨勢，頭部γ 因子則在仰臥角度為50°和70°時(shí)出現(xiàn)最小值；頸部損傷標(biāo)準(zhǔn)Nij和動(dòng)態(tài)響應(yīng)指數(shù)Id整體和仰臥角度α 呈負(fù)相關(guān)且變化顯著；腰椎軸向力隨著仰臥角度的增大而減小，但腰椎Y向力矩則線性增大。因此考慮標(biāo)準(zhǔn)化損傷權(quán)重可以看出，隨著α 的增大，Iw整體呈減小的趨勢，并在仰臥角度為50°時(shí)達(dá)到最小值。

綜上所述，增大仰臥角度能夠降低乘員的整體損傷，并對頸部和盆骨的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有顯著影響，同時(shí)得出最佳仰臥角度約為50°。

3.3.2 大小腿夾角β 的影響

本組為60°、90°、120°、150°共4 種大小腿夾角的空投沖擊工況模擬，結(jié)果如表7 和圖11 所示。

由圖11(a)可以看出，β=60°時(shí)不僅頭部Z向加速度峰值降低，而且沖擊的波動(dòng)減弱更明顯，說明此狀態(tài)下頭部的整體響應(yīng)更穩(wěn)定。由圖11(b)可以看出，在95 ms 左右加速度峰值出現(xiàn)的時(shí)刻，β=60°的乘員姿態(tài)很好地降低了乘員的腰椎軸向力，同時(shí)腰椎軸向力峰值出現(xiàn)時(shí)間更晚，軸向力的上升斜率更小，腰椎損傷風(fēng)險(xiǎn)更小。但圖11(c)表明，在β 為90°和120°時(shí)腰椎力矩更高。可見，腰椎Y向力矩的影響因素更復(fù)雜。由圖11(d)和表中Id可以看出，β＞90°時(shí)盆骨承受更高的加速度沖擊，而β=60°時(shí)加速度峰值最小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)最穩(wěn)定。Iw的數(shù)據(jù)則表明，β=60°時(shí)乘員綜合損傷最小。

圖 9 小腿約束對乘員響應(yīng)的影響Fig. 9 Effect of calf restraint on passenger response

綜合對比各項(xiàng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，β=60°時(shí)乘員損傷最小，同時(shí)β＜90°的姿勢更起到節(jié)省車內(nèi)空間的作用。

3.4 乘員姿態(tài)參數(shù)優(yōu)化計(jì)算及分析

3.4.1 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與代理模型建立

為研究α 和β 兩個(gè)體位影響因素交叉作用時(shí)的影響，對8 個(gè)α 值和4 個(gè)β 值采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，共進(jìn)行32 次模擬計(jì)算。在32 組數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用Kringing[16]代理模型構(gòu)建數(shù)學(xué)代理模型，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化工作。Kringing 代理模型是一種估計(jì)方差最小的無偏估計(jì)模型。利用有限元軟件將每組采樣點(diǎn)計(jì)算得出響應(yīng)值，采用Kringing 法構(gòu)造代理模型后，一般采用決定系數(shù)R2來評估代理模型的擬合精度，R2值越接近于1，代理模型精度越高。

表 6 不同仰臥角度的仿真數(shù)據(jù)對比Table 6 Comparison of simulation data of different supine angles

圖 10 不同仰臥角度對成員身體幾個(gè)關(guān)鍵部位動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響Fig. 10 Effects of different supine angles on dynamic responses of several key parts of a passenger’s body

表 7 不同大小腿夾角的空投沖擊工況模擬數(shù)據(jù)對比Table 7 Comparison of simulation data among airdrop impact conditions with different angles between the calf and the thigh

圖 11 大小腿的不同夾角對成員身體幾個(gè)關(guān)鍵部位動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響Fig. 11 Effects of different angles between the calf and the thigh on dynamic responses of several key parts of a passenger’s body

以根據(jù)損傷比例得到的權(quán)重?fù)p傷指標(biāo)Iw為優(yōu)化目標(biāo)，以各部位損傷耐受值和相應(yīng)指數(shù)指標(biāo)為約束條件，將該優(yōu)化方法總結(jié)為一個(gè)最小化問題的數(shù)學(xué)模型：

3.4.2 NSGA-Ⅱ遺傳算法

遺傳算法是解決搜索問題的一種通用算法，對于各種通用問題都可以使用。帶精英策略的非支配排序遺傳算法（elitist non-dominated sorting genetic algorithm, NSGA-Ⅱ）在NSGA 算法上進(jìn)行了3 個(gè)方面的改進(jìn)：提出快速非支配的排序算法，降低了計(jì)算非支配序的復(fù)雜度；引入了精英策略，擴(kuò)大了采樣空間，并使種群中優(yōu)秀個(gè)體得以保存；引入擁擠度和擁擠度比較算子，將擁擠度作為種群個(gè)體中的比較準(zhǔn)則，保證了種群的多樣性。由于NSGA-Ⅱ遺傳算法具有采樣空間大、復(fù)雜性低和解集收斂性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對單目標(biāo)優(yōu)化問題也具有很高的精度，適用于本文參數(shù)區(qū)間大、維度低的單目標(biāo)優(yōu)化方案，因此選取NSGA-Ⅱ遺傳算法作為本文的優(yōu)化算法。

3.4.3 基于NSGA-Ⅱ算法的單目標(biāo)優(yōu)化

運(yùn)用modeFRONTIER 優(yōu)化軟件中相應(yīng)模塊進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，選擇單目標(biāo)優(yōu)化中遺傳優(yōu)化算法NSGA-Ⅱ進(jìn)行尋優(yōu)，遺傳代數(shù)設(shè)為50 代，每代精英數(shù)量占樣本空間的10%，遺傳變異率為0.01。共進(jìn)行44 800 次計(jì)算。圖12 顯示了第50 代最后400 次的數(shù)據(jù)，解集逐漸收斂至最優(yōu)解值，即α=50.9°，β=65.1°，此時(shí)得到的最小Iw值為0.326 5。統(tǒng)計(jì)Iw值小于0.327 的解，如圖13 所示，得到解集范圍出現(xiàn)在α 為47°～56°、β 為62°～68°之間。

圖 12 第50 代優(yōu)化解集Fig. 12 The 50th generation optimization solution set

圖 13 加權(quán)損傷準(zhǔn)則優(yōu)化解集Fig. 13 Optimized solution set based on weighted injury criteria

3.4.4 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

將所得最優(yōu)解的α 和β 值輸入模型中進(jìn)行求解計(jì)算，并與優(yōu)化結(jié)果對比，對比結(jié)果如表8 所示。可見，除腰椎力矩和Id差值較大外，其余各項(xiàng)數(shù)據(jù)與代理模型相對誤差均在5%以內(nèi)，Iw值誤差在1%以內(nèi)，因此可以認(rèn)為優(yōu)化結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性。

表 8 優(yōu)化結(jié)果和仿真結(jié)果的對比Table 8 Comparison of optimization results and simulation results

將模擬結(jié)果與初始結(jié)果進(jìn)行對比，如表9 所示：頭部Z向加速度由18.8g降至10.4g，同比降低了44%，頸部損傷指標(biāo)同比降低了81%，腰椎軸向力降低了62%，Id同比減少了72%，腰椎Y向力矩則由157 N·m增大至229 N·m，同比上升了46%，加權(quán)傷害比重Iw由0.536 降低至0.328。綜合來看，仰臥角為50.9°和大小腿夾角為65.1°的姿態(tài)在空投著陸沖擊下能有效地降低乘員整體損傷。

表 9 優(yōu)化后方案與原始方案的對比Table 9 Comparison between the optimized solution and the original solution

4 結(jié) 論

通過某軍車無防護(hù)載人空投實(shí)驗(yàn)，提取了空投環(huán)境下真實(shí)的?沖擊響應(yīng)，并通過模擬計(jì)算和優(yōu)化分析針對乘員姿態(tài)研究了其對乘員防護(hù)的影響，得到以下結(jié)論：

（1）利用座椅安裝點(diǎn)的加速度曲線作為輸入能有效地模擬空投著陸沖擊下座椅假人的響應(yīng)。

（2）空投沖擊下乘員的腿部運(yùn)動(dòng)會(huì)加劇乘員整體損傷，因而對腿部的約束能夠起到顯著的乘員防護(hù)效果。

（3）以本文提出的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重傷害評價(jià)指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，得出當(dāng)乘員以50.9°的仰臥角和65.1°的大小腿夾角的姿態(tài)應(yīng)對正Z向的著陸沖擊時(shí)，能最有效降低乘員整體損傷。考量工程誤差和模擬精度，提出最佳乘員姿態(tài)為仰臥角47°～56°、大小腿夾角62°～68°。

（4）大小腿夾角收縮至90°以內(nèi)不僅能有效降低乘員損傷，也能起到節(jié)約車內(nèi)乘員空間的效果。