垂向沖擊下穿戴裝備對乘員損傷影響研究*

尹 寧，王洪亮，張進成，彭 兵，葉龍學

（南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京210094）

在當前各國的武裝沖突和反恐戰爭中，地雷和簡易爆炸裝置（improvised explosive device,IED）是軍用車輛面臨的巨大威脅[1]。車輛結構在爆炸沖擊下遭受到極大的垂向負荷，進而導致乘員傷亡[2]。近些年來，很多研究者對于改善裝甲車輛在遭受地雷和簡易爆炸裝置的威脅時所提供的保護已經做出重大努力。目前已有眾多方案解決車輛裝甲穿透帶來的傷害，但是車輛底部爆炸引起的車輛垂直瞬時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受到嚴重損傷。

車輛投入使用前需要經過整車抗爆炸試驗，但是由于整車爆炸試驗成本高、偶然性大且可重復性差，一般通過有限元方法虛擬分析整車防護性能，配合垂向沖擊座椅跌落試驗驗證車內乘員保護系統性能，以縮短前期研發周期和降低研發成本。座椅跌落試驗雖然無法完全模擬車輛底部爆炸事件，但在試驗過程中，速度的總絕對變化與真實爆炸情況下的速度變化十分相似[3]。呂平華[4]根據設計和研制的工作實踐，對100 kg 沖擊試驗機進行了設計和計算，根據跌落原理分析并構建了試驗機的力學模型，研究了跌落高度和脈沖持續時間與加速度峰值的經驗公式。于治會對跌落試驗臺的結構特點進行研究，認為不同產品的沖擊裝置技術要求存在差異，同時提出了小型跌落試驗臺結構上應具有的特點，從工作原理和脈沖發生器波形特點兩方面進行了研究[5]。這些研究都幫助我們發現可以通過座椅跌落試驗來模擬實際車輛底部爆炸事件。

軍事人員在戰斗中需要穿戴一定質量的裝備，以便為突然出現的緊急情況做出應對。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生時，該部分載荷的分布以及它如何影響戰士的損傷情況，目前在很大程度上還是未知的。不過，對于該方面的研究已經存在。Zhang 等[6]使用LS-DYNA 來模擬盆骨在低加速析進行了仿真，并沒有試驗驗證。Cheng 等[7]僅使用理論模型探究了裝備質量對動態響應指數（dynamic response index,DRI）的影響，而對腰椎等其他部位的影響并未涉及。

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

1 垂向沖擊試驗

此次垂向沖擊試驗為剛性座椅跌落試驗，在剛性座椅上放置擬人測試裝備（下文簡稱假人）為Hybrid Ⅲ50百分位假人。利用背心和條形配重塊來模擬乘員執行任務時所穿戴裝備，進行同一高度不同裝備質量下的座椅跌落試驗，通過采集并對比不同工況下假人損傷響應數據，研究乘員穿戴的裝備質量對于乘員軀干損傷的影響。

1.1 座椅跌落試驗臺介紹

座椅跌落試驗臺系統如圖1所示，包括跌落平臺舉升機構、跌落平臺、電動釋放鎖、懸掛帶、吊帶、剛性座椅、假人以及底部的橡膠墊。試驗時利用舉升機構將跌落平臺（包含平臺上的剛性座椅和假人）舉升到某一高度后釋放，沖擊時，橡膠墊提供一個接觸緩沖，以控制施加在工作臺上的力，從而使平臺減速。跌落平臺與帶有橡膠墊的底部支座碰撞產生加速度信號，來實現加載加速度沖擊載荷。

圖1 跌落沖擊試驗臺總體結構Fig.1 Overall structure of drop impact test stand

座椅跌落試驗布置如圖2所示，采用剛性座椅，以盡量減少試驗中的可變性。然而，在撞擊過程中假人骨盆和剛性座椅底座之間會產生高脈沖，為避免假人損傷嚴重，采用100 mm 泡沫坐墊提供保護。跌落高度和波形發生器的選擇共同影響加速度脈沖的形狀和特性。圖3為平臺中央測得的加速度脈沖。加速度脈沖由跌落高度決定，以模擬真實地面爆炸過程中車體所經歷的加速度脈沖。每次平臺以同一高度下落，且脈沖發生器不變，另外每次試驗假人坐姿相同，并通過四點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一。

圖2 座椅跌落試驗布置Fig.2 Seat drop test arrangement

圖3 跌落試驗過程中平臺中央加速度Fig.3 Central acceleration of the platform during the drop test

1.2 假人損傷指標說明

試驗中考慮假人穿戴裝備質量主要集中在軀干部分，且結合北約AEP55卷2[8]底部爆炸工況下假人損傷評判標準，選擇假人腰椎力和DRI作為研究指標。

DRI是應用最廣泛的與盆骨z向加速度和脊柱壓縮相關的損傷標準。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不存在正相關關系。DRI的計算包括求解以骨盆z向加速度為激勵的二階微分方程的強迫響應。DRI模型是一個代表乘員軀干的質量-彈簧-阻尼器系統，結構如圖4所示。

圖4 應用DRI損傷標準的脊柱壓縮模型Fig.4 Spinal compression model using DRIinjury standard

該單質量彈簧-阻尼器系統的運動方程可表示為：

用η 表示DRI，其計算公式為：

式中：ymax為最大的相對位移， ωn為固有頻率，g為重力加速度。在AEP55中規定DRI 的安全閾值為17.7。低于該值時乘員發生AIS2+級別傷害的概率小于10%。目前Hybrid Ⅲ50th 假人腰椎并不具備較好的生物逼真度[10]，碰撞和沖擊環境的標準和法規也沒有關于腰椎的損傷準則，國外生物力學工作者在重力跌落測試平臺中得到的腰椎力耐受極限值為5.2～7.8 kN。

1.3 試驗設置

本次試驗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量來調節模擬重量，其中條形配重塊每一塊質量為0.5 kg，背心質量約為1 kg。

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

如表1所示，本次試驗進行了500 mm 高度的座椅跌落試驗，配重情況分別為無配重、11 kg 配重、16 kg 配重和21 kg 配重。為避免試驗偶然性導致的誤差，每種工況試驗進行三次。

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

每次試驗記錄假人數據，拍照記錄試驗前后狀態并通過高速攝像記錄試驗過程。試驗結束后收集所有試驗數據，其中假人的相關損傷數據在AEP55中被規定為乘員安全性的重要評價指標，嚴格參照相關標準對試驗數據進行處理。

1.4 試驗結果分析

為了更清晰地從試驗數據中得到規律性,選擇無配重、11 kg 配重和21 kg 配重三組試驗數據進行討論。

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

經過處理后的DRI，如圖6(b)所示，隨著穿戴裝備質量的增加，假人DRI 逐漸變小，依次為18.9、16.6、15.5；結合DRI 的定義，說明穿戴裝備質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量使得DRI處于安全范圍內。DRI 與盆骨z向加速度曲線歷程相關，圖6(c)顯示了不同穿戴裝備質量下的假人盆骨z向加速度，當增加穿戴裝備的質量時，盆骨加速度脈寬無明顯變化，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

據圖7和表2所示，根據四組數據擬合得到曲線，可以看出隨著質量的增加，腰椎力峰值呈現增大趨勢，且變化速度逐漸變大，而DRI峰值呈現減小趨勢，變化速度逐漸變小；其中相比沒有穿戴裝備的情況，21 kg 質量的增加最大導致腰椎力變大4.4%，DRI減小17.9%

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

圖7 座椅跌落試驗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 有限元仿真與試驗驗證

雖然相比較整車爆炸，垂向沖擊試驗已經方便了很多，但是仍然耗費較多時間和精力，因此在探究過程中不可能總是通過試驗進行，而有限元仿真技術可以高度還原真實情況且效率高、重復性好，因此有限元仿真成為重要手段。

2.1 有限元模型的建立

為了避免重復性建模，對跌落試驗臺關鍵部分、剛性座椅及假人進行模塊化建模，在未來的設計和改進過程中只需要對子模塊進行相應的改動即可。每個模塊根據相應的CAD模型進行建模，模型中包括各個零件的單元、節點信息，不同模塊之間的單元、節點編號不能出現重復，否則會造成節點信息混亂，計算報錯。

準確的材料參數是有限元仿真的關鍵因素，直接影響仿真計算結果的準確性。跌落試驗臺中，底部支座和跌落平臺在試驗中不允許出現變形，兩個部件體積大，且剛度和強度較大，因此材料模型選用LSDYNA 中的20號剛體材料*MAT_RIGID。脈沖發生器為橡膠材料，腳墊，座椅部件也均按照實際試驗情況賦予相應的材料屬性，包括密度、彈性模量、泊松比、屈服強度、應力-應變曲線等。

仿真中考慮焊點失效，采用beam 模擬；另外在primer 中進行假人與座椅系統的預壓，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。對于座椅骨架結構采用2D殼單元建模，選用3號材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，座椅坐墊用LS-DYNA 中的57號材料*MAT_LOW_DENSITY_FOAM，該材料為可以恢復到原始形狀的低密度泡沫，座椅坐墊和跌落平臺等采用六面體實體單元建模。仿真中使用的假人為LSTC公司的HybridⅢ型50百分位的男性假人模型，該假人已被Lou 等[11]驗證在垂向沖擊環境中與試驗數據具有良好吻合度。整個模型單元總數為250738，節點總數為253051，網格單元的尺寸為10 mm，翹曲度、雅格比參數等均符合質量檢驗標準。

在仿真過程中，為了節省時間簡化了實際的跌落臺試驗裝置的輔助機構，最終只保留跌落試驗臺中跌落平臺、底部支座和橡膠墊部分；將跌落實際過程簡化為瞬間過程，根據500 mm 跌落的高度等效計算得到跌落臺與底部支座碰撞一瞬間的速度為3.13 m/s，計算公式為

式中：v為平臺接觸到支座的速度，h為跌落高度。

考慮到座椅跌落的邊界條件，使用關鍵字“INITIAL_VELOCITY_GENERATION”對跌落臺、座椅和乘員系統施加跌落后的觸地速度使得跌落過程瞬間發生。具體構建的模型如圖8所示。

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

2.2 試驗與仿真結果對比

通過將實驗與仿真中采集到的數據進行對比，來驗證仿真建模的準確性，以便進行接下來的研究。目前用于評價乘員腰椎損傷準則有兩項指標，分別是動態響應指數DRI和腰椎軸向力，這兩種指標主要用于預測乘員在垂直沖擊環境中的損傷。

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，試驗得到的腰椎力峰值約為5525 N，相對誤差為4.1%；仿真得到的盆骨加速度峰值約為28.7g，試驗得到的盆骨加速度峰值約為27.3g，相對誤差為4.9%。

表3 座椅跌落試驗與仿真中的假人損傷對比Table 3 Comparison of dummy injury in seat drop test and simulation

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

給簡化后的跌落試驗臺及座椅和假人等加載一個初速度3.13 m/s進行仿真來模擬500 mm 高度垂向沖擊試驗，很好的模擬了試驗中的乘員損傷，驗證了仿真得到的結論。

3 裝備分布位置及松緊度對乘員損傷影響研究

通過試驗已經得到在垂向沖擊工況下不同質量的穿戴裝備對于乘員損傷的影響。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于乘員損傷的影響。此時乘員穿戴背心通過2D殼單元表示，賦予實際的材料屬性參數；其他裝備質量通過給節點加載的方式配重，并通過調節背心與身體的接觸參數來還原實際情況。在假人胸前與背后選取相應位置節點賦予總質量10 kg 進行研究，具體模型如圖10所示。其中綠色為背心，紅色為配重點；共選中1023個節點，每個節點質量為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]在研究中對于國外士兵穿戴裝備分布進行了詳細的描述，包括頭盔、急救包、彈藥匣、槍、氣瓶等多種裝備，其分布位置也不統一，有的在軀干上部，有的在軀干下部。考慮到在作戰時，軍事人員穿戴裝備位置可能會有所差異，并結合爆炸事件中乘員上半身損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集中在軀干的上部，以此來模擬穿戴裝備重量集中在上部的情況，共選中506個節點進行加載重量，每個節點賦予0.0198 kg 重量；如圖11(b)所示選中下部的506個節點進行配重加載，以此來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向坐標為684，上部配重點相對應質心位置z向坐標為981，下部配重點相對應質心位置z向坐標為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，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，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于下部腰椎力峰值和盆骨加速度峰值均略有增加，相對差值為3.9%和4.3%。該分析表明，當穿戴裝備質量集中在軀干上部時，乘員會產生較高腰椎負荷與盆骨加速度峰值，此時乘員危險概率增大。

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比Table4 Comparison of dummy damagein different distribution positionsof wearableequipment in simulation

3.2 裝備松緊度

由于每一個軍事人員身形不完全一樣，所以在穿戴裝備時難免松緊程度有所差異，而松緊度是通過摩擦因數來表征的，背心與身體之間的摩擦因數對測量的損傷標準會有影響[13]。因此通過改變仿真中背心與假人軀干接觸的摩擦因數，來研究穿戴裝備的松緊程度對于乘員損傷的影響。

之前通過仿真與試驗驗證的過程得到摩擦因數為0.4，現在通過增加計算0.2、0.6和0.8三種摩擦因數的情況進行探索，參考損傷指標不變。

對于不同摩擦因數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。另外據表5可以看出，隨著摩擦因數的增大，腰椎力峰值呈現減小趨勢，變化速度逐漸變大，盆骨加速度峰值呈減小趨勢，但腰椎力最大相對差值為5.9%，而盆骨加速度只有1.7%。因此摩擦因數的變化對于結果影響較小。

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假人損傷對比Table 5 Comparison of dummy damage with different friction coefficients between the wearing equipment and the body in the simulation

試驗過程中安全帶帶動身體下落，穿戴裝備由于慣性向上滑動，當穿戴裝備摩擦因數變大時，裝備不易向上滑，導致裝備質量主要由軀干下半部承載，此時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，同時再一次驗證了由于配重位置的不同對于乘員損傷帶來的影響。

4 結論

以垂向沖擊下的剛性座椅為研究對象，驗證了仿真模型的準確性。同時通過試驗與仿真探究了穿戴裝備對于乘員盆骨加速度及腰椎力損傷的影響，有如下結論。

（1）在垂向沖擊試驗中，隨著穿戴裝備質量的增加，乘員盆骨Z向加速度峰值有減小趨勢，積分得到的DRI 明顯減小，當重量相差21 kg 時，最大相差17.9%，而腰椎力峰值逐漸增大，最大相差4.4%。說明穿戴裝備質量增加會減緩乘員盆骨以及脊柱的損傷概率，但會加劇腰椎的損傷概率；且DRI相對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加重乘員在跌落工況下腰椎和脊柱損傷發生的幾率；其中腰椎力峰值最大相對差值為3.9%，盆骨加速度峰值最大相對差值為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來表征穿戴裝備松緊度，發現當摩擦因數變小時乘員的最大腰椎負荷更大，而盆骨加速度峰值也有變大趨勢，但影響不明顯。