模擬車輛底部爆炸工況的小腿沖擊裝置研究

章金坤，周云波，孫曉旺，張 明

(南京理工大學 機械工程學院, 南京 210094)

在現代戰場中，常常出現非對稱作戰，如伊拉克戰爭。從2003年3月伊拉克戰爭開始，在非對稱作戰中頻頻出現的路邊炸彈、簡易爆炸裝置(IED)等武器對聯軍造成了巨大損失，并且此類傷亡人數占總傷亡人數的67%[1]。據伊拉克聯軍記錄，每個月大約有2 000次簡易爆炸裝置發生爆炸，有時候一天就有100多次這類攻擊事件發生[2]。這些爆炸對車輛及車內乘員構成嚴重威脅，威脅主要源自以下兩種形式：一是地雷爆炸時形成的破片滲入車體而引起的高溫爆炸氣體，入侵乘員艙內對車內乘員造成傷害，另外是源于爆炸時生成的高壓氣體產物沖擊防護車輛底部產生的強沖擊垂直加速度導致的人員傷亡[3]。這種強沖擊加速度不僅能夠經過車身構造傳導給車內乘員造成乘員的生物損傷(如小腿、脊柱、脖頸與頭部的損傷)，還能引起車內乘員的巨大位移，使得乘員撞擊車體結構造成慘重損傷，對車內乘員的生命安全造成嚴重威脅。醫療損傷數據顯示下肢是戰區士兵中最常見的受傷身體區域之一[4]。對爆炸強沖擊作用下車內載員的安全性評價指標上，北約AEP55 Vol2[5-6]是目前常用的標準。許述財等[7]對比研究了特種車輛內乘員在垂直方向安全性評價的三種有效指標。王波等[8]研究了在沖擊載荷下，乘員小腿放置姿勢對小腿傷害有重要影響。為了減輕爆炸沖擊對小腿的垂直沖擊，會做大量的試驗對車輛結構進行改進。由于實車爆炸試驗耗費巨大的財力人力，并且存在許多不確定的危險情況，需要一個等效的模擬試驗臺來進行上述研究。因此本文通過在整車仿真中提取的等效模型設計了小腿沖擊裝置。

1 小腿損傷局部等效模型

1.1 整車有限元仿真

整車爆炸試驗需要花費大量的時間準備布置并且會花費巨額的費用，而且其中還有不可避免的意外和不安全性。因此在防護性車輛設計過程中采用有限元仿真的方法得到了廣泛的應用，其特點是效率高，一致性好，節約成本。本文用HyperMesh軟件在LS-DYNA環境下按照建模規范來對某型防護車輛的catia整車數模進行了網格單元劃分，保證其網格質量。創建的此車有限元模型如圖1，模型包括了整車、座椅、假人和流場。

圖1 整車(內含假人)的有限元模型

魏然等[9]對整車進行了爆炸仿真，李利莎等[10]利用拉格朗日算法、ALE算法和SPH算法對爆炸沖擊的接觸問題進行了研究，證明ALE算法能準確模擬車身及乘員損傷。ALE算法的可靠性與精確性已經被廣泛接受[11]。該算法同時結合了拉格朗日算法和歐拉算法的優點，能夠較為準確地模擬和描述結構的邊界運動，所以這里采用該算法進行整車爆炸有限元仿真。

由于本文針對爆炸情況下乘員的小腿進行研究，因此整車仿真的結果只關注假人小腿力-下脛骨軸向力，有關曲線如圖2。

圖2 假人下脛骨軸向力曲線

1.2 局部等效模型的建立

整車仿真模型總計零部件part數量752個，單元數量280.5萬，調整計算時間步長4e-7s，單個計算30 ms時長模型約需40～50 h。為了縮短計算時間，并且本文重點研究對象是假人小腿損傷情況，并不考慮車體的狀況，在此提出局部等效模型。俞彤[12]對等效模型的可行性進行過探究，將整車地板劃分成360塊施加相應的加速度，慢慢縮小地板尺寸，最后發現賦予加速度的地板尺寸縮小到能夠覆蓋腳掌及座椅安裝點時，即大約700 mm×700 mm的大小，得到的假人下脛骨軸向力與整車仿真的輸出有較好的一致性。另外根據實際情況，防護車輛遭遇底部地雷爆炸時，車內乘員下肢受到的沖擊作用僅來源于和腳底接觸的車輛地板，所以可以從整車中提取地板，座椅及假人系統作為等效模型，如圖3。

圖3 提取的局部模型

等效模型邊界為座椅的安裝點加速度輸入和地板的加速度輸入。按照整車條件，輸入應為地板處2 076個節點和座椅梁連接處96個節點的加速度或者速度歷程，即需要2 172個曲線的輸入。這樣龐大的數據量輸入既浪費時間也不夠精簡，很不現實。所以在這里從整車有限元仿真結果中提取地板part的平均加速度曲線，如圖4。由于座椅安裝點的加速度輸入相較于地板加速度偏小，并且對本文關注點假人下肢脛骨軸向力影響不大，所以可以忽略不計。

圖4 從整車提取的地板加速度曲線

因此對提取的局部模型施加的邊界條件為：在地板處施加圖4所示的從整車仿真中提取的地板平均加速度，在座椅安裝點處施加六個自由度的約束，計算時長為30 ms，所需計算時間為5～6 h。局部模型假人下脛骨軸向力的計算曲線和與整車模型仿真曲線，如圖5。

圖5 局部模型與整車模型計算曲線

在圖5中，整車模型與局部模型的假人左右下脛骨軸向力的時間歷程都比較相近。其中整車有限元仿真的假人下脛骨軸向力峰值分別為左14 290 N和右16 030 N，局部模型有限元仿真的假人下脛骨軸向力峰值分別為左16 020 N和右16 070 N，兩模型左右差距10.8%和0.25%，在合理的范圍內。另外，整車模型中左右小腿力不完全一致是與炸點位置以及地板周圍結構不對稱有關，符合實際情況。因此，該模型可以作為有限元仿真中防護型車輛在爆炸環境下用于研究假人下脛骨軸向力的等效模型。

2 地板加速度對小腿力的影響

俞彤[12]研究了地板地板加速度特征參數對小腿力的影響，得出：

1)在保證地板動能相同且持續時間與峰值相同的前提下，加速度曲線的上升斜率對乘員小腿損傷影響不大。

2)在持續時間相等的前提下，隨著加速度峰值的增大。

3)在保證地板動能相同的前提下，隨著持續時間的增大，乘員小腿軸向力加速度峰值減小且響應時間推遲。但在其結論3)中持續時間即脈寬選的是10 ms，15 ms，20 ms，25 ms和30 ms，并沒有選取到5 ms以內。這里同樣保證地板動能相同的前提下，選取一系列的加速度脈寬，以三角波的標準形式(如圖6，加速度300g，5 ms)加載到等效模型的地板加速度上，提取整理假人下脛骨軸向力，這里選取了兩個不同數值的地板動能列成如表1、表2。

圖6 300g 5 ms的等效三角波加速度

表1 動能相同不同脈寬的加速度下的小腿力峰值

表2 動能相同不同脈寬的加速度下的小腿力峰值

分析表1和表2可以發現，當地板動能相同時，在加速度脈寬小于6 ms時，假人下脛骨軸向力峰值基本保持在一定的大小，即不會隨著加速度脈寬的增大而變化，在加速度脈寬大于6 ms時，隨著加速度的脈寬增大，假人下脛骨軸向力峰值逐漸減小。

為了說明上述結論不是單單加速度脈寬作用的結果，前提需要保證動能相同。設置峰值300g一致，取不同脈寬的加速度施加在局部等效模型的地板上。同時，由上述表1和表2得出的結論可以引申為：對于該等效模型，一個脈寬小于6 ms的等效加速度三角波，都可以化為脈寬為任意小于6 ms的數值，但動能和原加速度一致的等效三角波。這里將部分加速度等效成脈寬為5 ms動能一致的加速度施加到等效模型地板上，輸入的加速度和得出的假人下脛骨軸向力如表3所示。從表3中可以發現當加速度峰值一致都為300g時，隨著加速度脈寬減小，假人下脛骨軸向力也相應地減小。

表3 不同加速度下的小腿力的影響

3 小腿損傷模擬試驗臺

前文在整車仿真中提取了等效模型，并驗證了等效模型相對于整車仿真的一致性。在現實中，可以建立與等效模型相似的試驗臺用于模擬實車爆炸試驗。因此參照等效模型的形式，小腿力試驗臺設計包含了試驗假人，座椅約束系統和地板，另外需要一個加速度產生裝置。考慮到制作成本及易用性，這里采用釋放彈簧推動重物撞擊地板的方式給予地板初始加速度。

3.1 試驗臺介紹

整體小腿損傷模擬試驗臺如圖7，主體是由平板加圓柱狀導向機構和下方底座連成的一個整體，底座兩側不密封，用于放置千斤頂。圓柱狀導向機構內部裝有彈簧，該彈簧的剛度系數為335.16 N/mm，直徑為128 mm，高度為530 mm，可壓縮量為170 mm。彈簧上端有一圓柱沖擊塊，沖擊塊上方有一鎖止機構用于限制彈簧的位移。平板上方有雙層地板，通過四個螺栓與平板相連，用于限位，防止地板受沖擊后飛出。距主體約20 cm處有一長方體的架子，用于放置假人。通過千斤頂舉升，壓縮彈簧，壓縮至一定程度后，打開鎖止機構，彈簧向上運動帶動沖擊塊撞擊雙層地板產生垂向沖擊力，使假人小腿受到一個垂向載荷。沖擊完成后卸載千斤頂，彈簧和沖擊塊以及鎖止機構復原后，可再通過上述步驟進行多次試驗，具有較好的重復性。

圖7 小腿損傷模擬試驗臺

3.2 測試方法

作為對小腿的傷害評估，采用標準混合Ш型第50百分位男性擬人測試設備(試驗假人)，主要用到的假人通道和測量項為左下脛骨Z向力和右下脛骨Z向力，假人數據由東華測試提供的DH5902采集，采樣率為100 kHz。另外，在地板上放置了加速度傳感器記錄地板加速度歷程，使用德維創DEWE43進行采集，采樣率為200 kHz。使用NAC MemreCam GX-3高速攝像機記錄試驗過程中假人的運動狀態，幀數為4 000幀。布置檢查完各項裝置到位后，先打開儀器采集數據，再釋放鎖止機構進行試驗。

3.3 測試結果

在布置完試驗裝置后，將彈簧壓縮至13 cm，進行了3次試驗。其高速攝像截圖(圖8)，對比實車爆炸時車內高速攝像捕獲的車內假人運動截圖(圖9)，發現假人下肢的運動方式較為一致。

圖8 高速攝像截圖

圖9 實車爆炸車內高速攝像截圖

3次測試結果的假人下肢脛骨軸向力曲線如圖10。其中3次試驗假人左下脛骨軸向力分別為6 976 N，6 956 N和6 798 N，3次試驗假人右下脛骨軸向力分別為6 310 N，5 838 N和6 114 N，可見3次試驗的假人下肢軸向脛骨力左右腿各自較為一致。最大值與最小值相差分別為2.6%和7.4%，兩個腿之間有一定的差異性，考慮到制造公差以及中心點不準等因素，在合理的范圍內。從該試驗可得出小腿損傷模擬試驗臺有較好的一致性。

將試驗臺測得的地板加速度與整車仿真的地板加速度曲線如圖11，發現試驗臺加速度相較于整車仿真加速度顯得峰值大，脈寬小。

另外在研究加速度時一般會積分成速度后再等效成相應的三角波形狀加速度，便于研究及評價加速度大小，主要參數為脈寬和峰值。積分后的速度曲線如圖12，等效成三角波后，整車地板加速度為409.4g，5.34 ms，試驗臺地板加速度為7 316.7g，0.264 ms。

在上文地板加速度對小腿力的影響中，有當地板動能相同時，在加速度脈寬小于6 ms時，假人下脛骨軸向力峰值基本保持在一定的大小，即不會隨著加速度脈寬的增大而變化，在加速度脈寬大于6 ms時，隨著加速度的脈寬增大，假人下脛骨軸向力峰值逐漸減小。可將整車地板加速度409.4g，5.34 ms等效為437.24g，5 ms，將試驗臺地板加速度 7 316.7g，0.264 ms等效為386.32g，5 ms。可見兩者加速度量級差別不大。

圖10 假人下肢脛骨軸向力曲線

圖11 整車與試驗臺的地板加速度曲線

圖12 積分后整車與試驗臺的地板速度曲線

考慮雙層地板減小了大量的沖擊力，于是更換雙層板為單層加強板，重復上述試驗，假人下肢脛骨軸向力曲線如圖13。其中左下脛骨軸向力為10 468 N，右下脛骨軸向力為10 105 N。所以該試驗臺能夠產生至少一萬牛大小的下肢脛骨軸向力。整車爆炸試驗規范規范標準AEP-55中人體下肢軸向脛骨力限值為5 400 N，所以該小腿損傷模擬試驗臺能夠用于車輛爆炸情況下乘員小腿受損狀態的模擬。

圖13 假人下肢脛骨軸向力試驗曲線

4 試驗臺結果有限元仿真驗證

通過第一節的研究對比驗證了等效模型的準確性。該等效模型通過輸入地板加速度，能夠輸出假人下脛骨軸向力。而第二節的小腿損傷模擬試驗臺中不僅能夠采集到假人下脛骨軸向力數據，還能采集到地板加速度。因此可以用試驗臺采集到的加速度曲線賦到有限元仿真中局部等效模型的地板上，得到有限元仿真的假人下脛骨軸向力，與試驗采集到的假人數據相比較，再次驗證局部等效模型有限元仿真的準確性。提取小腿損傷模擬試驗臺前3次試驗中第3次試驗的地板加速度曲線，如圖14。將它加載到有限元仿真等效模型的地板強制加速度上，調整假人坐姿及腿部擺放位置與角度和試驗情況一致。計算得到的假人下脛骨軸向曲線與試驗曲線如圖15。仿真結果假人左右小腿力分別為6 581 N與6 343 N，與試驗結果假人左右小腿力6 798 N，6 114 N差3.2%和3.6%，并且曲線走勢也較為一致，在合理的誤差范圍內。

圖14 小腿損傷模擬試驗臺地板加速度曲線

圖15 等效模型曲線與試驗曲線

5 結論

1)提出了爆炸情況下乘員小腿損傷局部等效模型，并通過整車有限元仿真驗證其準確性；

2)設計制造了小腿損傷模擬試驗臺，驗證了其可行性；

3)通過仿真對標證實了等效模型與試驗臺實際情況的一致性，從作用機理、小腿運動過程及小腿力和地板產生加速度四個方面說明了小腿損傷模擬試驗臺能夠用于模擬整車爆炸試驗中乘員小腿的損傷情況；

4)當地板動能相同，加速度脈寬小于6 ms時，假人下脛骨軸向力峰值基本不變，在加速度脈寬大于6 ms時，隨著加速度脈寬增大，假人下脛骨軸向力峰值逐漸減小。