運輸車運兵乘員約束系統仿真與優化設計

張建華，周良生，丁寶成，廖苓平

(軍事交通學院 軍事交通運輸研究所，天津300161)

軍用運輸車運兵是一種軍隊特有的兵力輸送方式，乘員在運輸車車廂內乘坐，主要應用于戰役后方或平時。與裝甲車等戰斗車輛相比，運輸車運兵具有運量大、公路機動速度快、成本低等顯著優勢，所以一直以來都是各國軍隊兵力輸送的重要方式［1］。從車輛分類上說，軍用運輸車屬于載貨車輛，由于車廂主要針對裝載貨物設計，乘員沒有任何防護約束，當車輛緊急制動、急轉向以及在顛簸道路上行駛時，乘員與車廂之間或乘員之間經常會出現相互磕碰導致受傷的情況，甚至會發生乘員被顛出車外的嚴重事故。

1 約束系統初步結構設計

軍用運輸車運兵乘員約束系統不是隨車出廠配置的專用結構，需要滿足以下設計原則:一是不改動車廂結構;二是不影響現有乘載標準;三是應簡單輕便，易于攜行。設計目標是在運兵車輛緊急制動和急轉向等工況下，為車廂內乘員提供安全限位約束。

筆者的研究對象為某型軍用運輸車，約束系統全部采用柔性織帶式結構，在車廂內縱向成4列布置，連接部位均為縫制結構。主要由左側乘員安全帶總成、右側乘員安全帶總成、中間乘員安全帶總成和拉伸帶總成等組成(如圖1 所示)。左側和右側乘員安全帶總成是對稱結構，均由連接帶和乘員安全帶組成，由凸輪扣式栓緊器緊固于車廂側欄板的橫板上。乘員安全帶為兩點式，與連接帶縫制為一體，在連接帶上均勻布置。中間乘員安全帶總成由連接帶、乘員安全帶、前端連接裝置和后端連接裝置組成。前端連接裝置采用環抱車廂前欄板立柱的方式連接;后端連接裝置與車架后橫梁的工藝孔連接，并由2 個棘輪式栓緊器拉緊。拉伸帶總成包括橫向和豎向拉伸帶，均由拉伸帶和帶扣組成，用于中間連接帶的限位。橫向拉伸帶與中間連接帶和車廂側欄板處的篷桿連接;豎向拉伸帶上端與車廂橫縱篷桿接頭處連接，下端與中間連接帶連接。乘員安全帶和拉伸帶帶扣采用標準的航空不銹鋼帶扣。按照軍用乘載標準要求，乘坐方式為兩側人員背靠車廂板乘坐，中間兩路人員背靠背乘坐，乘員坐具為充填完整的軍用制式背囊。

圖1 乘員約束系統結構與使用狀態示意

2 約束系統仿真分析

仿真分析目的是預測約束系統在車輛典型行駛工況條件下的約束效能，優化約束系統結構參數，并判斷約束系統是否會造成乘員身體損傷。

2.1 仿真模型建立

仿真分析涉及約束系統結構強度分析和乘員傷害分析2 個方面，需要分別采用Ls-Dyna 和Madymo 軟件建立CAD 模型［2］。如圖2 所示，車廂模型包括地板、側板、立柱和前后欄板。車廂外型尺寸(長×寬)為4 800 mm ×2 400 mm，材料為鋼材。坐標原點為車廂地板中心位置。假人模型采用HybridⅢ男性第50 百分位假人，數量按照乘載標準限值為32 人。雖然該仿真假人較適合轎車內乘坐情況，與運輸車車廂內乘員有較大差異，但乘員身體上部受力輸出結果有一定的參考價值。約束系統主要包括織帶、帶扣和栓緊器?？棊挾葹?0 mm，厚度為1.2 mm，材料為高強滌綸。其中，連接帶結構為多條織帶疊加縫制。車廂和織帶特性均設置為薄殼單元。

圖2 乘員約束系統CAD 模型

2.2 仿真參數設定

為便于加載，對緊急制動工況的縱向加速度和急轉向工況的橫向加速度進行簡化。根據軍用運輸車駕駛經驗，從行車安全角度考慮，將車輛緊急制動工況的初始速度設定為30 km/h。制動加速度曲線的簡化如圖3 所示。

制動加速度峰值為

式中φb為路面峰值附著系數。

圖3 制動加速度曲線

按照最苛刻條件，加速度峰值取最大極限值，即運輸車行駛路面為瀝青或混凝土(干)路面，峰值附著系數φb為0.9［3］。制動時間取實車試驗的平均值為1.2 s。橫向加速度簡化為單一方向加載，峰值取運輸車輛的準靜態側翻閾值為0.6g，作用時間為1.1 s。主要結構的材料特性參數見表1。

表1 主要結構的材料特性參數

2.3 仿真結果分析

經計算求解，分別得到了約束系統各部分結構的受力曲線和乘員身體受力情況(如圖4—圖11所示)。

圖4 緊急制動工況乘員安全帶組件受力曲線

圖5 緊急制動工況中間連接帶受力曲線

圖6 急轉向工況兩側栓緊帶受力曲線

圖7 急轉向工況拉伸帶組件受力曲線

圖8 緊急制動工況乘員腹部受力曲線

圖9 緊急制動工況乘員胸部受力曲線

圖10 緊急制動工況乘員頭部受力曲線

圖11 緊急制動工況乘員頸部受力曲線

從仿真結果看，緊急制動時間歷程約持續1.2 s，與實車測試情況基本一致。制動起始時刻至0.2 s，由于安全帶處于松弛狀態，乘員未受到約束，仿真結果輸出為0;在0.8 s 左右，約束系統受力達到峰值，其中，乘員安全帶組件受力峰值為348 N，中間連接帶縱向受力峰值為5 583 N，兩側栓緊帶縱向和橫向受力峰值分別為539 N 和602 N。從乘員腹部、胸部、頭部和頸部受力曲線峰值看，乘員身體各部受力均遠小于人體承受極限。

3 約束系統關鍵部位設計與結構優化

從仿真分析結果看，約束系統的織帶、帶扣、栓緊器等結構強度易滿足設計要求，但織帶與織帶之間，以及織帶與帶扣、栓緊器等金屬部件之間采用的縫制連接是系統的薄弱環節。尤其是乘員安全帶與連接帶縫制部位，在車輛經歷轉向、制動等工況時，會受到乘員在乘車平面內各個方向的沖擊，特別是垂直于縫紉平面的拉力，容易造成局部縫紉線受力過大導致斷裂失效。此外，由于乘員安全帶采用的是兩點式結構，乘員身體受力面積較小，還應考慮車輛碰撞事故的安全帶限荷設計。

3.1 縫制形式設計

為保證結構強度，乘員安全帶與連接帶的縫制部位采用“人字形”結構設計(如圖12 所示)。“人字形”結構的2 條分支在不同工況下可合理分配受力，盡可能減小縫紉平面外的拉力，避免縫紉線撕裂現象的發生。

3.2 安全帶限荷設計

乘員安全帶織帶采用局部織帶折疊縫合的限荷技術(如圖13 所示)。折疊部位的破斷荷載限值為2 000 N，縫紉線在碰撞過程中斷開吸收沖擊能量，降低安全帶受力峰值，避免約束系統對乘員身體造成傷害。

圖12 “人字形”縫制結構

圖13 織帶局部折疊縫合示意

4 臺車碰撞試驗與實車乘坐試驗

為驗證約束系統的約束效能，分別進行了臺車碰撞試驗和實車乘坐試驗。碰撞試驗不僅能檢驗約束系統在極限條件下的結構強度和乘員損傷情況，而且能檢驗仿真模型的準確性。實車乘坐試驗主要是檢驗約束系統在正常使用中的約束效能情況，以及使用的方便性。

4.1 臺車碰撞試驗

臺車碰撞試驗在第三軍醫大學交通醫學研究所碰撞實驗室進行。由于實車車廂的尺寸和質量超過實驗室牽引條件限值，制作了原車車廂1/4大小的車廂模型。碰撞初速度設定為20 km/h，假人采用HybridⅢ側碰假人，假人座具為充填完整的制式背囊，乘員安全帶處安裝安全帶力傳感器。碰撞試驗后的結構檢查和數據分析表明，約束系統結構完好，未出現松動和破斷現象，假人各部位受力指標未超過人體損傷限值。根據試驗采集的高速攝像數據、安全帶及假人傳感器數據，從碰撞前到假人向前傾斜的運動姿態再到向后回彈的整個過程，仿真與試驗錄像對比較為一致，安全帶仿真受力峰值和曲線形態與試驗曲線基本一致，仿真模型具有較高的可靠性(如圖14 所示)。

圖14 臺車試驗與仿真分析安全帶力曲線

4.2 實車乘坐試驗

實車乘坐試驗地域為河北省某地的部隊演習訓練場。約束系統實際安裝狀態如圖15 所示。

圖15 右側乘員安全帶總成和中間連接帶后端安裝狀態

乘員數量32 人，乘載車型為某型軍用運輸車，按照部隊乘載標準攜帶全部裝具乘坐。試驗道路包括良好公路、鄉村道路、山路和特殊路段，總里程近2 000 km。其中，特殊路段為綜合訓練場的越野道路。試驗過程中，除進行正常行駛試驗外，還進行了緊急制動和急轉向等典型行駛工況的約束效能試驗。試驗結果表明，約束系統設計合理、便于貯存、使用方便，在運兵車輛上下坡、緊急制動、急轉向以及通過顛簸路段時，能夠為乘員提供有效的限位防護。

5 結 語

針對軍用運輸車車廂內乘員無防護約束，易出現碰傷事故的問題，以某型軍用運輸車為搭載車型，設計了一種簡單輕便的柔性織帶式乘員約束系統。從初步概念設計到性能驗證試驗的整個研究流程，以車輛緊急制動和急轉向工況為目標工況，采用CAE 仿真技術開展了虛擬設計和仿真，并針對仿真結果，對約束系統關鍵部位的結構進行了設計與優化。經碰撞初速度為20 km/h 的極限碰撞工況試驗和實際使用試驗表明，所開發的乘員約束系統強度滿足設計要求，不會造成乘員身體損傷，能夠為乘員提供有效的防護約束。

［1］ 張建華，周良生，廖苓平. 外軍運輸車運兵防護裝備的發展現狀及啟示［J］.軍用汽車，2012(4):49-50.

［2］ 鐘志華，張維剛，曹立波，等.汽車碰撞安全技術［M］. 北京:機械工業出版社，2003:29-32.

［3］ 余志生，夏群生，趙六齊，等. 汽車理論［M］.5 版. 北京:機械工業出版社，2012:92-94.