多工況下防雷座椅防護性能研究

丁瑞陽，周云波，張 明

(南京理工大學 機械工程學院， 南京 210094)

1 引言

軍用車輛在戰場上面臨各式各樣的威脅，除地雷爆炸威脅之外，還存在碰撞及滾翻損傷威脅，車內乘員座椅保護系統的研究，應保證車輛在這3種威脅下發揮綜合最優效果。保障車內乘員安全已經成為一個多學科交叉前沿研究課題，具有重要的現實與安全意義[1]。

國內外許多學者針對不同的乘員約束系統做了大量研究，李昊[2]通過整車爆炸仿真與試驗對標研究防雷座椅性能參數對座椅防護性能的影響；Cheng等[3]研究了防雷座椅在爆炸環境與沖擊試驗臺試驗中對乘員安全防護的差異性；Hu等[4]研究了正面碰撞過程中乘員座椅約束系統對軍用車輛乘員運動學的影響；莫易敏等[5]研究了普通車輛滾翻中乘員約束系統對乘員安全性的關鍵防護作用，Nilakantan[6]通過座椅沖擊試驗臺模擬爆炸環境，研究了座椅氣囊坐墊對乘員胸腰椎的防護性能，但這些研究多針對某一類損傷工況進行，缺乏對多種威脅的綜合研究。

根據車輛類型不同，座椅可以采用地板安裝、天地安裝、頂部安裝和繩索懸掛4種方式。頂部安裝方式，能夠保證座椅受到的沖擊輸入最小，但由于底部缺少有效約束，造成不確定因素增多，尤其體現在乘員橫向傷害增大和大腿力傷害異常；利用繩索與車體的柔性連接實現座椅與車體的相對分離，但缺乏在滾翻和碰撞中的橫向約束，容易造成乘員較大的位移；底部安裝方式雖然座椅的底部沖擊輸入較大，但可以有效節約車內空間和質量；座椅安裝支架在乘員保護上有重要的作用；首先可以有效改變座椅沖擊輸入的大小，其次，座椅支架也可以作為一級吸能緩沖機構，增強對乘員的保護。目前國內外針對軍用車輛單一工況下的座椅安全防護性能開展了較多的研究，對于乘員座椅約束系統在多工況下的綜合性安全防護性能研究屈指可數。本研究通過建立駕駛室通用模型，在保持防雷座椅結構不變的情況下，分別采用底部、天地、繩索和頂部四種安裝方式，利用LS-DYNA動態仿真計算軟件模擬該類防雷座椅在爆炸、碰撞、滾翻環境下的座椅結構響應及乘員安全性，研究防雷座椅針對復雜工況下的最佳匹配方式。

2 分析模型與工況建立

2.1 臺車及假人模型

本研究采用Hypermesh有限元建模軟件建立了乘員約束系統及仿真臺車有限元模型。如圖1所示，采用10～15 mm網格單元尺寸劃分網格，并檢查模型質量。臺車地板、側圍、頂蓋采用6252防彈鋼，內部主要支撐橫、縱梁為700E高強鋼材料，其余較小的梁以及板件采用Q235號鋼材，臺車底部加裝有防雷組件，并對仿真臺車進行配重使其滿足最大質量8.5 t。乘員約束系統包括防雷座椅結構模型，安全帶及假人模型，假人采用Hybrid III 50 th百分位男性假人模型，約束系統采用四點式安全帶，安全帶與假人接觸部位采用2D殼單元模擬假人與安全帶之間的滑動及嵌入效應，與座椅連接部分采用1D安全帶單元模擬安全帶的收縮及滑脫[7]。安全帶織帶剛度特性由圖2的應力-應變關系曲線描述。

圖1 乘員約束系統及仿真臺車有限元模型示意圖

圖2 安全帶應力-應變曲線

2.2 座椅分析模型

為研究不同安裝方式對乘員座椅防護性能的影響，根據座椅骨架原有結構特點，通過改變座椅安裝支架實現以下4種座椅安裝結構：

1) 底部安裝：如圖3(a)所示座椅通過三角式加強支撐架直接固定于車身地板上；

2) 天地安裝：如圖3(b)所示，座椅通過靠背兩側的兩根天地式支撐梁，直接固定于車輛地板與車頂之間；

3) 繩索安裝：如圖3(c)所示，座椅通過繩索、織帶懸掛于車頂、側壁及地板，利用繩索與車體的柔性連接實現座椅與車體的相對分離；

4) 頂部安裝：如圖3(d)所示，座椅支撐與天地式安裝相似，靠背兩側具有2根支撐梁，上端固定于車頂，支撐梁下端為套管式設計，兩根套管固定于地板上，座椅支撐梁下端插入套管內但未與套管和地板接觸，實現上端吊掛，下部與車體脫離的設計。

圖3 座椅安裝方式示意圖

座椅有限元模型中靠背兩側兩根支撐梁采用硬鋁合金材料，密度為2.77 g/cm3，泊松比為0.33，屈服應力為240 MPa。圖4所示為座椅的吸能緩沖結構，描述其力與位移關系的加載曲線見圖5。坐墊采用57號材料*MAT_LOW_DENSITY_FOAM，此材料具有線性拉伸行為，適用于高度可壓縮泡沫材料，其壓縮形變過程的應力-應變曲線如圖6。

圖4 座椅緩沖吸能元件示意圖

圖5 吸能結構加載曲線

圖6 坐墊應力-應變曲線

通常采用DISCRETE一維離散單元來模擬座椅中的彈簧與阻尼單元，通過設置*MAT_SPRING_NONLINEAR_ELASTIC來模擬彈簧，通過設置*MAT_DAMPER_VISCOUS模擬阻尼。

2.3 仿真分析工況

2.3.1底部爆炸工況

模型中仿真6 kg的TNT炸藥，高徑比為1∶3，炸點位于臺車底部中心位置，炸距為450 mm，炸藥位置如圖7所示。根據北約文件AEP-55標準[8]，放置標準Hybrid III 50th百分位男性假人(50M ATD)進行仿真模擬，對比分析不同座椅安裝方式下乘員損傷及座椅結構響應。

在仿真模擬爆炸沖擊問題中，主要有拉格朗日法、歐拉法、多物質流固耦合(ALE)3種方法。LS-DYNA軟件中ALE算法的可靠性與準確性已被廣泛接受，所以采用ALE算法進行爆炸仿真，其控制方程為：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為質量密度；c為對流速度；v為材料速度矢量；σ為柯西應力張量；b為單位體積矢量；E為比總能量。

采用材料模型和JWL狀態方程來描述炸藥，其壓力，體積和內能之間的關系為：

(4)

式中：P為壓力；E0為初始內能密度；v為相對體積；A、B、R1、R2、ω為材料參數，其材料參數及狀態方程參數見表1及表 2[9-11]。空氣單元采用空材料模型，其線性狀態方程為：

表1 TNT材料參數

表2 TNT炸藥的JWL方程參數

(5)

式中：P為壓力；μ為相對體積；E為單位體積內能；C0～C6為多項式方程系數，C=-0.1 MPa，C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4 MPa[12-13]。

2.3.2正面碰撞工況

根據NCAP汽車碰撞測試試驗方法選取正面100%剛性壁碰撞試驗方法對本研究采用的4種安裝方式防雷座椅進行碰撞防護性能研究。改進NCAP中的碰撞剛性壁障，建立如圖8所示的剛性壁障碰撞仿真模型，剛性壁與臺車碰撞接觸面覆以100 mm厚的蜂窩鋁緩沖板，臺車以50 km/h的速度與壁障發生碰撞。

圖8 碰撞仿真模型示意圖

2.3.3平臺滾翻工況

采用FMVSS 208平臺車側翻試驗方法建立臺車滾翻仿真模型，如圖9所示采用一個23°斜角的楔形平面作為滾翻臺車運載裝置，以50 km/h的速度平移，在不大于915 mm的距離內運載平臺減速到零，減速度不小于20g且持續0.04 s以上。

圖9 滾翻計算模型示意圖

3 座椅及乘員響應分析

3.1 乘員動態響應

圖10為底部爆炸仿真系列不同座椅安裝方式下ATD動態位移響應分布云圖，在爆炸沖擊過程中乘員腳部及座椅支撐直接承受由地板傳遞的爆炸沖擊加速度，繼而通過腿部或者座椅結構傳遞到身體各個部位，4種座椅安裝方式下ATD最大位移響應均出現在ATD腳部，分別為461.2、434.6、513.9、500.4 mm，其中天地安裝座椅ATD腿部位移響應最小，反映出從地板傳遞給乘員腳部的沖擊加速度相對較小。

圖10 爆炸-ATD位移云圖

圖11為滾翻仿真系列ATD運動示例。當臺車近地側車頂與地面發生接觸時，ATD頭部受到離心力及慣性作用與車頂及頂部梁發生撞擊，會使乘員產生較高的頭部損傷指數(HIC)。由圖11觀察到天地安裝座椅ATD頭部與車頂的接觸面積最小，在車輛滾翻過程中ATD身體的垂向位移量相對另外3種安裝方式要小。

圖11 ATD滾翻運動狀態示意圖

圖12突出顯示了碰撞仿真系列的ATD運動學示例，在所有碰撞測試中ATD髖關節均相對于肩膀發生過度向前偏移，ATD身體與儀表板發生接觸，頭部未發生與儀表板的接觸但存在明顯的鞭打動作，這是產生高HIC值和Nij的主要原因。此外不同座椅安裝方式下其座椅支撐均存在一定程度的彎曲，繩索安裝座椅的固定繩索會在座椅前沖的加速度作用下達到彈性極限從而張緊，這些因素都會增加ATD身體前移量，加大與儀表板碰撞的可能性。

圖12 碰撞運動學示例圖

3.2 座椅坐墊輸入加速度

不同座椅安裝方式其座椅支架吸收能量不同，傳遞的沖擊加速度亦不同，坐墊作為座椅結構中直接與乘員接觸的部件，對其輸入加速度進行分析能夠更直觀準確地反映不同座椅安裝方式對ATD沖擊程度的影響。

圖13為底部爆炸仿真系列不同座椅安裝方式下坐墊輸入加速度曲線，從坐墊輸入加速度發生的時間來看，底部安裝坐墊輸入加速度最早開始增長，天地安裝則晚0.5 ms，繩索和頂部安裝方式均在2 ms之后開始發生加速度急劇增長。數據對比分析發現，頂部座椅安裝方式得到的坐墊輸入加速度最小為10.08g，加速度脈沖波動較大，相對來說天地座椅安裝方式坐墊輸入加速度與頂部座椅安裝方式坐墊輸入加速度僅相差3.4%，加速度脈沖曲線最為平穩。

圖13 爆炸-坐墊輸入加速度曲線

圖14為正面碰撞仿真系列不同座椅安裝方式下坐墊輸入加速度曲線，其中天地與頂部安裝座椅坐墊受沖擊作用相差不大，底部安裝座椅碰撞時受到的沖擊力大且迅速，繩索安裝座椅由于其繩索的柔性緩沖作用受到的沖擊最小，且沖擊到達坐墊的作用時間較長。圖15為平臺滾翻測試系列不同座椅安裝方式下坐墊輸入加速度曲線，可以看出在整個滾翻過程中具有剛性固定連接的底部、天地、頂部3種安裝方式座椅受沖擊加速度明顯小于柔性連接的繩索安裝方式，而且受到的加速度脈沖波動也比較平緩。

圖14 碰撞-坐墊輸入加速度曲線Fig.14 Collision-Cushion input acceleration

圖15 滾翻-坐墊輸入加速度曲線

3.3 乘員頭部生存空間分析

圖16顯示了爆炸過程中不同座椅安裝方式ATD頭頂生存空間(即頭頂與車頂的距離)曲線，其中數值越大則兩者的距離越遠，說明乘員頭部的生存空間越大，頭頂與車頂發生碰撞的可能性越小。ATD頭頂與車頂的初始距離為110 mm，爆炸過程中繩索安裝座椅固定繩索由于缺乏硬性支撐導致座椅和ATD整體垂向位移較大，造成乘員頭部與車頂的碰撞。而天地安裝座椅生存空間最大，說明天地安裝座椅能夠更好地對座椅和ATD的垂向位移量進行約束，保證乘員頭部足夠的生存空間。

圖16 爆炸-ATD頭頂生存空間曲線

圖17為正面碰撞仿真系列ATD頭頂生存空間(即頭部與前方儀表板距離)曲線，用來反映本研究中乘員頭部在正面碰撞過程中的生存空間是否充足。該曲線進一步證明碰撞過程中乘員頭部未與車內儀表板發生碰撞，而且可以清晰地得出繩索安裝座椅碰撞過程中乘員頭部與儀表板撞擊可能性最小，底部安裝座椅碰撞可能性最大，從而說明碰撞損傷工況下繩索安裝座椅乘員頭部生存空間最充足。

圖17 碰撞-ATD頭頂生存空間曲線

滾翻仿真系列中4種座椅安裝方式在車輛近地側觸地過程中乘員頭部均與車頂發生不同程度的碰撞損傷，即滾翻損傷工況下乘員頭部生存空間嚴重不足，所以此處不再進行數據曲線的對比分析。

4 車內乘員損傷評估

4.1 頭部損傷評價

爆炸、碰撞及滾翻仿真系列假人損傷評價標準(IARV)各有不同，北約文件AEP-55規定爆炸損傷下假人頭部損傷指數HIC-15不大于250，圖18所示為底部爆炸仿真系列不同座椅安裝方式ATD頭部損傷指數，其中繩索安裝座椅因爆炸過程中ATD頭部與車頂碰撞造成HIC-15值明顯偏高，其他3種座椅安裝方式下ATD頭部損傷指數相差不大，且天地安裝座椅ATD頭部損傷指數最小。

圖18 爆炸-ATD頭部損傷指數直方圖

參考FMVSS 208乘員碰撞保護中Hybrid 50th百分比男性假人傷害評估參考值(IARV)確定碰撞及滾翻中每個測試的乘員損傷結果。圖19顯示了來自測試系列的ATD頭部損傷指數(HIC)，其中實線表示IARV中頭部損傷指數HIC-15的標準(700)，虛線表示HIC-36的標準(1000)。碰撞測試系列乘員頭部生存空間充足，所有ATD頭部損傷指數都低于HIC-15閾值；滾翻測試系列ATD頭部損傷指數均高于HIC-15閾值，但天地和頂部安裝座椅的ATD頭部損傷指數低于HIC-36閾值，這證明頭部與車體碰撞造成高HIC值。另外繩索安裝座椅在車頂著地的過程中其座椅上部固定繩索缺乏剛性支撐作用使座椅朝向車頂移動是造成頭部生存空間急劇減小的重要因素。

圖19 碰撞/滾翻-ATD頭部損傷指數直方圖

4.2 頸部損傷評價

AEP-55規定爆炸損傷下假人頸部軸向力不大于4 000 N，大于1 100 N 的力不超過30 ms，由圖20(a)可以得出爆炸工況下四種安裝方式ATD頸部軸向力均小于IARV標準閾值，但繩索安裝方式ATD頸部軸向力峰值明顯偏大，且因頭部與車頂碰撞造成ATD頸部二次損傷。FMVSS 208標準中規定ATD頸部軸向拉力要小于4 170 N，頸部軸向壓力不大于4 000 N，由圖20(b)和圖20(c)可知碰撞仿真系列ATD頸部軸向力均符合標準，其中繩索安裝座椅ATD頸部軸向力最大，而在滾翻仿真系列僅有天地安裝座椅的ATD頸部軸向力符合標準閾值，這是由于頸部大幅度側向鞭打動作及頭部碰撞時的頸部壓縮造成。

圖20 ATD頸部軸向力曲線

FMVSS 208標準中還規定了ATD乘員頸部損傷指數Nij不大于1.0， 圖21中的實線代表IARV標準的頸部損傷指數(Nij=1.0)，橫坐標表示頸部載荷情況：張力-伸展(Nte)、張力-彎曲(Ntf)、壓力-伸展(Nce)和壓力-彎曲(Ncf)。通過圖21的Nij對比分析發現碰撞仿真系列雖然頸部存在鞭打動作但Nij在標準閾值之內，滾翻仿真系列由于ATD頭部的碰撞造成頸部損傷指數超過IARV標準閾值，致使頸部損傷過大。

圖21 ATD頸部損傷指數直方圖

4.3 胸腰椎損傷評價

對于乘員胸部損傷，AEP-55規定爆炸情況下假人胸部偏差不超過30 mm，胸腔壓縮速度(VC)最大極限閾值為3.6 m/s，FMVSS 208標準中規定乘員胸部偏差要小于63 mm。圖22為仿真系列ATD胸部偏差，可以發現爆炸仿真系列ATD胸部偏差均在3 mm以內，計算得出從底部到頂部座椅安裝下ATD胸腔壓縮速度依次為0.001、0.005、0.007、0.004 m/s，得證爆炸仿真系列乘員胸部損傷在標準規定范圍內，無明顯損傷；碰撞仿真系列測得ATD胸部偏差最大不超過30 mm，符合FMVSS 208標準；滾翻測試系列中繩索座椅安裝由于其座椅和乘員運動的不穩定性造成其ATD胸部偏差明顯大于其他工況，但偏差未超過20 mm，亦符合標準。

圖22 ATD胸部偏差曲線

對于乘員胸部損傷，AEP-55規定了爆炸情況下假人胸腰椎動態響應指數(DRI<17.7)圖23(a)得出爆炸仿真系列ATD的DRI值均小于17.7。碰撞仿真系列中天地、繩索和頂部安裝ATD的DRI值在25左右，底部座椅安裝由于通過假人腿部及座椅骨架的碰撞沖擊力全部傳遞到假人臀部使其DRI值較大。滾翻仿真系列中繩索座椅安裝方式由于其座椅和假人受振動大幅度運動造成ATD的DRI值(32.3)接近另外3種安裝方式的2倍。

圖23 ATD胸腰椎動態響應指數曲線

4.4 腿部損傷評價

北約文件AEP-55對爆炸工況下ATD腿部損傷規定了明確的損傷閾值，即大腿股骨力不大于6 900 N，小腿脛骨力不大于5 400 N。碰撞和滾翻工況下ATD腿部損傷參照FMVSS 208標準，即大腿股骨力不超過10 000 N，小腿脛骨力無要求。

圖24為仿真系列不同座椅安裝方式下ATD大腿股骨力及小腿脛骨力的損傷數值對比，其中L代表左腿，R代表右腿，由圖可以看出仿真系列ATD大腿力和小腿脛骨力均符合IARV的標準閾值。爆炸和滾翻損傷工況乘員腿部多發生垂向位移，損傷較小，但碰撞仿真系列由于膝蓋部位缺乏支撐，腿部實現較大偏移并與儀表板下表面碰撞，造成ATD腿部損傷明顯大于爆炸和滾翻仿真系列。

圖24 ATD腿部損傷數值直方圖

5 防雷座椅綜合性能評估

為評估防雷座椅在不同損傷工況下的安全防護效果，通過對乘員頭部損傷指數(頭部)，頸部軸向力(頸部)，胸部偏差(胸部)及大腿股骨力(大腿)的數值分析，建立座椅安全系數指標對不同損傷工況下相同安裝方式座椅進行綜合性能評估，安全系數不超過1.0，在0到1之內數值越大安全防護性能越好，其中

另外將乘員頭部生存空間也作為一項評估指標，其安全系數計算方法如下：

圖25分別給出了4種安裝座椅在3種不同損傷工況下的座椅防護安全系數，底部安裝座椅爆炸安全防護性能良好，但滾翻工況下頭部生存空間、頭部、頸部3項安全系數趨向于零且碰撞安全系數較小。天地安裝座椅具有良好的爆炸和碰撞安全性，但滾翻過程的頭部生存空間明顯不足。繩索安裝座椅在爆炸、碰撞和滾翻3種工況下均存在安全系數為零的項目，其綜合防護性能較差。頂部安裝座椅滾翻安全系數為零的有頭部生存空間和頸部兩項，且頭部安全系數小于0.1，其滾翻安全性較差，爆炸工況下頭部生存空間的安全系數僅為0.2，但碰撞安全性相對較好。綜合上述分析得出4種安裝方式的座椅綜合防護性能：天地安裝座椅>頂部安裝座椅>底部安裝座椅>繩索安裝座椅。

圖25 座椅防護安全系數曲線

6 結論

1) 底部爆炸環境下底部安裝座椅加速度傳遞迅速且波動大，天地安裝座椅加速度傳遞波動較小且作用到乘員上的沖擊最小，繩索及頂部安裝座椅雖然初始階段的爆炸沖擊加速度傳遞較慢，但傳遞到座椅及假人的沖擊波動依然不小。

2) 仿輕型戰術車輛臺車正面碰撞模擬測試表明乘員運動學特性與普通乘用車內乘員略有不同，膝蓋部位缺乏支撐，可以實現較大的下肢偏移，由于沒有安全氣囊，其頭部及胸部偏移也變大，導致與方向盤和儀表板接觸的可能性增加。仿真中看到較高的頸部傷害是由于頭部鞭打動作所致，這表明在碰撞工況下乘員頸部損傷是主要威脅之一。

3) 平臺滾翻仿真系列結果表明乘員在滾翻過程中運動幅度較大，在模擬臺車近地側觸地后乘員頭部由于頸部較大幅度的鞭打動作與車頂發生碰撞，產生高HIC值，另外繩索安裝座椅因其繩索的伸縮性導致座椅約束系統在滾翻過程中存在較大幅度運動，影響乘員的有效生存空間。

4) 分析爆炸、滾翻和碰撞3種工況不同安裝方式下座椅綜合防護性能，并考慮所有工況下4種座椅安裝方式乘員損傷結果可知天地安裝座椅乘員綜合安全防護性能最為有效，但4種座椅都需要對乘員頭部生存空間進行優化防護。