乘員—座椅系統墜落沖擊實驗平臺設計分析

李毅+王學友+柴渭莉+劉曉峰

摘 要：文章針對乘員-座椅系統著落瞬間人體承受的沖擊過載的情況，設計搭建了一個適用于乘員-座椅系統安全性試驗的墜落沖擊模擬實驗平臺，并提出了相關的技術指標和性能要求，為在實驗室條件下開展人體著陸沖擊安全防護技術研究提供條件支撐。

關鍵詞：乘員-座椅系統；墜落沖擊；落震實驗臺；模擬人系統

中圖分類號：U463.83+6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0095-02

引言

國外針對乘員沖擊防護及吸能緩沖設計技術進行了大量研究和技術應用，如俄羅斯的BMD系列傘兵戰車、英國BAE系統公司的防地雷反伏擊車、德國Autoflug公司的動態座椅系統等，國內一些研究機構圍繞某些特殊裝備也開展了一些針對乘員沖擊防護及吸能緩沖設計技術的研究，取得了部分研究成果[1-3]。裝備著落瞬間撞擊地面過程為典型的沖擊過程，內部乘員會承受一定的沖擊過載，為保證著落過程的短暫時間內乘員可以承受該過載并保持戰斗力，必須開展以座椅和乘員為研究對象的著陸沖擊試驗研究，以確定乘員能承受的最大沖擊過載、對應的落地速度、著陸角度、頭部與肢體擺動空間、座椅結構的動態響應、座椅結構變形情況等，為空投裝備的空投系統、座椅系統以及車內防護設施的設計提供數據支撐和改進建議。本文針對乘員座椅系統進行墜落沖擊模擬實驗平臺設計，以自由落震的方式模擬座椅乘員系統的著陸撞擊過程，以期為裝備空降安全性防護技術研究的搭建實驗室研究平臺。

1 乘員-座椅系統墜落情況分析

根據裝備空投系統中傘降系統的特點，裝備在傘具打開后近似為勻速下落，著陸速度在一定范圍內。而裝備著落瞬間撞擊地面過程為典型的沖擊過程，車內乘員座椅系統會承受一定的沖擊過載[4]。乘員與座椅之間通過約束系統連接，沖擊載荷通過座椅傳遞至人體，瞬間撞擊的持續時間通常在200ms以內[5]。由于人體的器官、組織等生物力學特性存在差異，故在短時間內沖擊載荷對人體各部位造成的病理損傷也存在差異。一旦傳遞至人體的沖擊載荷超出人體某個組織或器官的安全耐受限值，將威脅到乘員的人身安全。人體屬于粘彈性體，座椅作為其中的傳遞介質也會存在超調現象，沖擊載荷輸入量值到輸出量值可能存在放大現象。為輔助乘員-座椅系統的安全性設計，本文基于裝備著陸過程的特點，設計了一種適用于裝備墜落沖擊安全性研究的實驗平臺。

2 乘員-座椅系統墜落沖擊實驗平臺設計

2.1 落震實驗臺

落震實驗臺為該墜落沖擊實驗平臺的主體結構，主要用于搭載試驗件開展實驗室條件下的墜落沖擊實驗。落震實驗臺由實驗臺架、輔助投放框架、提升機構/姿態調節裝置、釋放機構、座椅、地面模擬物六部分構成。

實驗臺架最大承力≥15t，輔助投放框架使用輕質材料制造，實驗座椅、假人、緩沖裝置、姿態調節裝置安裝在框架上，提升機構/姿態調節裝置使用液壓伺服提升機構，提升重量5t，最大提升高度9m，提升高度誤差小于2%。根據實驗系統的慣量分布對起吊位置和起吊姿態進行調節，確保起吊點與實驗系統的重心處于相同垂直面內，且起吊點與實驗系統的重心的連線與水平參考面垂直，保證投放過程中實驗系統姿態不發生變化。

考慮到實驗臺能起吊重量范圍和響應時間，釋放機構鎖舌最大承力應不小于5t，投放響應時間≤100ms。座椅應具有緩沖功能，座椅可承受120kg重量、20g加速度沖擊，座椅應配備有安全裝置，座椅靠背角度可調。設計單人座椅3個，三人排椅1個，以滿足三人同時著陸沖擊和單人著陸沖擊的實驗需求。地面模擬物設計尺寸為2.5m×2.0m×0.2m（長×寬×高），可模擬混凝土地面、沙土地面、硬泥地面，放置在鋼槽內，與測力平臺相連。

2.2 模擬人系統

本文設計的乘員-座椅系統墜落沖擊實驗平臺的試驗對象為乘員-座椅系統。研究表明，坐姿狀態的乘員胸-背向沖擊耐受性最好，側向次之，盆-頭向沖擊耐受性最差。故按照坐姿狀態著陸的乘員比較安全的著陸體位應為半臥姿。且考慮到實驗過程需要對乘員坐姿角度進行調節，故需選用可與后傾座椅匹配的模擬人系統。本實驗室現有的Hybrid Ⅲ型50百分位模擬假人是針對普通直立座椅設計的，其髖部為一體式坐姿結構，髖部模塊分為外表皮膚和內部骨骼兩部分，由于一體式的外部皮膚限制了連接盆骨與股骨間的髖關節的旋轉。設計使用行人髖部模塊替換Hybrid Ⅲ型50百分位模擬假人髖部，實現對模擬人前后坐姿角度的調整[5]。

模擬人系統包括內置數據采集器、內置傳感器以及假人結構模型組成。模擬人與真人在人體生物特性方面的吻合程度決定了實驗數據的可靠性。模擬人系統通過安放在模擬假人身上的各種力、位移、加速度傳感器及數據采集器將假人接收到的各種信號傳輸至計算機進行處理。系統參照FMVSS、ECE、GB、NCAP、FAA等相應試驗標準的要求設計，模擬人內置頭部加速度、頸部載荷及彎矩、胸部加速度及位移、腰椎載荷和彎矩、骨盆加速度、股骨載荷、膝部位移、脛骨載荷等測試傳感器，實現對人體多個部位的運動學和動力學參數的監測。

2.3 控制系統

控制系統是整個實驗平臺的控制中樞，能實現實驗件的起吊高度設置、自動起吊、釋放、撞擊速度測量、數據同步觸發及保存、應急保護、視頻監控等。控制系統包括控制軟件、高速相機和輔助設備。控制系統配置3臺高速相機，配套相應的圖像處理軟件，用于記錄撞擊過程和評估人體受力后軀干與四肢的運動包絡，為乘員的安全性防護設計提供可視化的數據參考。圖像分析軟件可分析獲得標記點的三維變形、速度、加速度信息，分析精度0.01%。

2.4 測試分析系統

設計的測試分析系統由三向測力平臺、數據采集系統、激光測距儀和人體力學分析軟件構成。

2.4.1 測試系統

測試系統采集的對象包括測力平臺的撞擊力、模擬人的響應（頭部加速度、頸部載荷、腰椎載荷等）、結構響應（加速度、動態應變、變形等）。設計的三向測力平臺由活動臺面、上固定臺面、下固定臺面、底座、三向測力傳感器、放大器、加法器及電纜等組成，三向測力平臺的尺寸為2.5m×2.0m（長×寬），如圖1所示。endprint

測力平臺系統設計量程50t（包含9只三向測力傳感器），超載能力150%，重復性≤1.5%F·S，工作溫度為-20℃～60℃，交叉干擾誤差（通道間的串擾）≤±2%F·S，測力平臺精度要求為≤±3.0%F·S。

2.4.2 后處理評價系統

由于模擬人系統內置的傳感器能檢測的部位有限，要對對乘員-座椅系統的著陸沖擊響應進行全面分析還需結合模擬仿真軟件進行后處理分析評價，同時也是將實物仿真與虛擬仿真相結合進行仿真結果印證的常用手段。

MADYMO是模擬物理系統動力學響應的計算程序，重點應用在車輛碰撞和乘員損傷分析。MADYMO適用于研究汽車碰撞過程中乘員的響應，評價各種約束系統的設計參數的影響，如座椅、安全帶和安全氣囊；而且也廣泛用于分析其他交通工具的碰撞，如火車、飛機、摩托車、自行車。故本設計選用該軟件進行人體-座椅系統著陸沖擊響應分析，進行乘員沖擊傷害分析。在進行墜落沖擊對人體傷害的分析中，運用的傷害評價準則包括Gadd強度指數、頭部損傷準則（HIC）、頸部損傷準則-前向（NIC_FORWARD）、生物力學頸部損傷預測（Nij）、胸部損傷指數（TTI）、粘性損傷響應（VC）、胸部總指數（CTI）、大腿力指標（FFC）、小腿指標（TI）、小腿壓縮力指標（TCFC）、腹部受力峰值（APF）、頭部接觸時期（HCD）、有利的HIC指標、枕骨合力矩（MOC）、后向-頸部損傷指標（NIC_REARWARD）、頸部損傷預測（Nkm）、下頸部載荷指數（LNL）等。

3 墜落沖擊模擬實驗系統工作原理

墜落沖擊實驗中，將模擬人和座椅組成的乘員-座椅系統作為實驗件。實驗前，座椅底部和靠背固定于輔助投放框架上，測試用模擬人按乘坐姿勢固定于座椅上，通過控制系統設定實驗件的投放高度、投放姿態、釋放鎖的釋放時刻等參數。實驗中控制系統控制實驗件的提升、投放、測速以及實驗過程監控，測力平臺用于測試實驗件受到的沖擊載荷。通過設定投放高度和投放姿態參數進行多組實驗，從大樣本的實驗數據中獲取重裝載人空降車著陸瞬間人體多個部位承受的沖擊載荷，對座椅著陸瞬間的受力、模擬人主要關節受力、軀干和四肢受沖擊后的甩動范圍進行測試和拍攝，獲得模擬人墜落過程中的肢體甩動包絡，對照人體各部位傷害評價準則，提出裝備空降的著陸速度、角度、姿態、座椅抗沖減振以及人體安全空間等設計要求。

4 結束語

乘員-座椅系統的安全性關系到裝備效能能否正常發揮。對于空投裝備而言，無論是乘員安全防護抑或座椅的安全性設計，都需要接受嚴苛條件下的性能驗證。本文設計的乘員-座椅墜落沖擊實驗平臺可為實驗室條件下開展乘員-座椅系統安全性研究提供條件支撐，該實驗平臺的搭建使得大樣本量的高g值著陸沖擊實驗研究成為可能。且較之裝備實車空投試驗，該實驗平臺可大幅降低著陸沖擊安全性試驗研究的成本，縮短研究周期，具有重要的現實意義。基于該平臺還可開展其他與著陸沖擊相關的研究工作，實驗平臺具有較好的通用性。

參考文獻：

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