裝甲車防雷座椅抗沖擊試驗的測試與數據分析方法

任 佳,楊建波,劉小川

(中國飛機強度研究所 結構沖擊動力學航空科技重點實驗室,西安 710065)

0 引言

防雷座椅作為裝甲車整車綜合防地雷功能設計的重要組成部分,在車輛受到地雷和簡易爆炸裝置(improvised explosive device,IED)威脅時,為乘載員提供最直接的防護。基于人機工程學理論,強調人-機-環境的相互關系,人作為最重要的一個方面,防雷座椅研究目的為最大化地保證人的安全性、舒適性和工作效率[1],所以針對防雷座椅的抗沖擊性能研究對減少爆炸沖擊對人體損傷進而提高乘載員的生存率有著重要的意義[2]。因此,各國相繼開展防雷座椅的設計和研究工作,也形成了一定的產品,如Autoflug公司的動態懸掛座椅、簡科(Jankel)公司的爆炸衰減座椅、創造(Creation)公司的Blastech座椅等。在需求引導下,國內各單位也逐步開展防雷座椅的研究與設計,但研究基礎還比較薄弱,仍處于設計指標探索與樣機研制試驗階段,未形成成熟的產品。

對于尚處于樣機研制與性能優化階段的防雷座椅,需要形成一種有效、直觀、可靠的試驗方法,這對于我國防雷座椅動態性能測試與優化具有重要意義。結合國外研究經驗,通過臺架試驗模擬爆炸沖擊過程得到的結果與實爆試驗結果非常接近[3-5]。在此基礎上,國內一些機構建立了帶導軌和機械波形發生器的臺架試驗設備,通過臺架試驗的方法代替實爆試驗開展防雷座椅抗沖擊性能的研究,并進行相關研究性試驗。

防雷座椅抗沖擊試驗目的是檢驗防雷座椅在模擬沖擊載荷作用下系統的工作能力,為座椅系統的研發、優化設計以及可靠性研究提供依據[6]。目前,試驗參照北約軍事組織制定的AEP-55[7]標準和美國汽車工程師學會制定的SAE J211-1-2003[8]標準開展,尚未形成完備的標準與規范,對于座椅動態性能的測量和評估方法仍處于試驗與探索階段,未形成完整的數據測試與處理方法。對于防雷座椅抗沖擊試驗,準確測量防雷座椅的動態性能參數,真實有效地反映座椅抗沖擊性能,對于防雷座椅的性能研究具有重要的意義,為座椅的性能分析和優化提供前提條件。

因此,本研究中提出一種用于裝甲車防雷座椅抗沖擊試驗的座椅性能參數測試與數據分析方法,并對方法的有效性和可行性進行論證。將該方法應用于多型號防雷座椅的具體的試驗過程,以證明該方法的有效性。

1 防雷座椅抗沖擊試驗方法

由于跌落式沖擊試驗機的結構設計更適用于座椅抗爆炸沖擊模擬試驗[9-10],建立專用的跌落沖擊試驗臺,通過波形發生器,以自由跌落的方式模擬爆轟波產生的沖擊載荷,測試座椅產生的響應和人體的損傷程度,試驗臺的設計原理圖如圖1所示。

圖1 試驗系統原理圖

以帶導輪的試驗件固定安裝框架與波形發生器碰撞產生的沖擊加速度為系統輸入,模擬爆轟波對防雷座椅的加載作用。綜合AEP-55[7]試驗標準與爆破試驗中座椅系統的實測數據,將防雷座椅系統的輸入沖擊加速度確定為脈沖幅值190～210g(以往試驗采用210～230g)、寬度5～7 ms的三角波形加速度脈沖,此時與地雷爆炸沖擊波經裝甲車車體和底板減振后加載于座椅系統的能量相當。根據爆轟波的特點以及受試系統與波形發生器碰撞接觸的減速作用,采用半正弦波對爆轟波進行模擬,標準[11-12]中給出模擬波形的容差要求,如圖2所示。

說明:A為沖擊加速度峰值,D為沖擊持續時間。

按照圖1所示的試驗系統原理圖,構建防雷抗沖擊試驗系統,簡化原理模型,可得到碰撞沖擊過程的力學模型簡圖,如圖3所示。

圖3 試驗系統簡化原理圖

圖3中,m為落體系統(包括固定安裝框架、導輪系統、座椅系統、連接接頭、假人等)的總質量;H為跌落高度;k為波形發生器的剛度;c為波形發生器的阻尼;X(t)為波形發生器的形變;v0為落體系統與波形發生器碰撞時的瞬時速度。試驗件落體系統在重力作用下從高度H下落,以一定跌落速度與波形發生器發生彈性碰撞達到最大響應。因為該過程在瞬間發生,在達到最大響應的過程中阻尼力不足以從結構中吸收能量,對結構響應的影響忽略不計,沖擊力學模型可簡化為單自由度振動系統。

假設波形發生器的剛度k是線性的,系統的動力學方程表達為

所以,沖擊脈沖的加速度幅值可表示為

忽略初始相位φ0,可得沖擊波形的脈沖寬度,即沖擊加速度為零的值之間的沖擊持續時間τ為

通過防雷座椅抗沖擊試驗方法的說明,可以看出,準確測量輸入的沖擊波形是試驗的關鍵,在準確測量波形的基礎上,形成座椅系統動態性能的測試與分析方法。

2 防雷座椅抗沖擊試驗測試系統

防雷座椅按照真實的裝甲車艙內安裝狀態安裝于固定安裝框架內,固定安裝框架沖擊波形發生器后,產生沖擊加速度,座椅系統產生響應,針對座椅動態性能參數,建立相關參數的測試方法,并根據測試需求構建試驗測試系統。

2.1 防雷座椅性能參數

在裝甲車遇到地雷爆炸時,防雷座椅在有限空間內需實現能量緩沖,避免人體撞擊裝甲車壁板,減小人體脊柱損傷,有效保護乘員的安全[13]。在給定的輸入沖擊載荷下,防雷座椅的抗沖擊性能參數主要包括座椅緩沖行程和人體骨盆處的動態響應指數DRIz,通過測量結果分析防雷座椅的抗沖擊性能。

此外,結合實際需求和車體內部空間,給出了防雷座椅抗沖擊性能的試驗合格判據,若不滿足判據要求,乘載員在爆炸沖擊過程中,身體可能會撞擊裝甲車的頂部、底板,脫離座椅保護,或造成嚴重的脊柱傷害,甚至危及生命安全。

防雷座椅能夠承載輸入加速度脈沖幅值190～210g、脈沖寬度5～7 ms的三角波形沖擊載荷,在此輸入沖擊載荷下,座椅的性能參數如表1所示。

表1 座椅試驗合格判據

表1中,第1、2項為判定座椅抗沖擊性能的量化分析力學指標,體現了座椅對乘載員的防護能力和人體損傷程度;第3～6項為結構設計的剛度及強度指標,反映了座椅在限制質量范圍內的結構剛度/強度是否滿足使用要求。

2.2 試驗測試系統組成

通過對防雷座椅抗沖擊性能參數的分析,可以獲得防雷座椅抗沖擊試驗的測試參數。試驗中,除了對兩個重要性能參數的測量外,還需要測量輸入沖擊加速度,作為試驗考核到位的依據。

因此,可以得到防雷座椅抗沖擊試驗的測量參數及測量方法,包括以下方面:

座椅緩沖行程:采用高速攝像系統拍攝的視頻圖像輔助計算,記錄座椅座面骨架垂直方向的緩沖行程。

假人動態響應DRIz值:通過加速度傳感器測量假人骨盆處的加速度值間接測量,加速度傳感器安裝于骨盆骨架處。

輸入沖擊加速度:通過加速度傳感器直接測量,傳感器粘貼在座椅安裝框架底板上表面的中心位置

座椅安裝框架跌落高度:通過安裝在連接導向架/座椅安裝框架與地面之間的位移傳感器測量,以保證座椅安裝框架具有相應的沖擊初速度。

可以搭建防雷座椅抗沖擊試驗的測試系統,如圖4所示。

圖4 測試系統硬件構成

系統硬件主要包括位移傳感器、加速度傳感器、信號放大器、數據采集器、高速攝像機以及計算機等,測試系統硬件的具體規格和安裝位置如表2所示。

表2 測試系統構成及安裝

3 試驗測試與數據處理方法

通過構建的防雷座椅抗沖擊試驗測試系統,對試驗輸入沖擊加速度及防雷座椅抗沖擊動態性能參數進行測試,給出具體的測試方法和數據處理方法。

3.1 輸入沖擊加速度測試與處理

輸入沖擊加速度的測試結果直接反映出輸入沖擊波形,是試驗數據合格有效的判據,相關標準中給出圖2的情況作為輸入要求,結合試驗條件和實際情況,常取峰值±20g和脈寬±1ms為試驗容差要求。

輸入沖擊加速度測試時,將測試點選取為座椅安裝框架底板上表面的中心位置,而且要避免座椅的主體結構觸底造成傳感器損壞,如圖5所示。

根據SAE J211-1-2003[8]標準要求,輸入沖擊加速度數據至少采用10 kHz的采樣率獲得(試驗中采用100 kHz),并通過CFC1000對數據進行濾波,截止頻率1 650 Hz。

調試時,通過在不同位置均安裝傳感器作為測試結果對比,測試結果一致性較好。此外,座椅安裝框架在設計時考慮試驗結果一致性問題,框架底板為厚度80 mm的鋼板,其余為方管/方矩管結構,其重量主要集中在底板,以減小座椅安裝后重心變化對試驗結果造成的影響,保證測試的一致性和重復性。通過某型座椅試驗,更換6臺座椅進行試驗,從同一高度跌落,加速度計安裝位置不變,采集輸入加速度結果,所有數據均采用100 kHz的采樣率,根據標準均采用CFC1000進行濾波,其輸入加速度波形重復性較好,如圖6所示。

圖6 輸入加速度對比Fig.6 Comparison of input accelerometer

如圖6標注,選取每組數據極值的絕對值為輸入加速度峰值,每組數據第一個波峰(最大波峰)的寬度為加速度脈寬。統計6次試驗輸入加速度的峰值與脈寬結果如表3所示,可以看出,在相同的投放條件下,所有數據結果均滿足試驗要求范圍,峰值平均為197.5g,脈寬平均為5.48 ms。

表3 沖擊波形模擬結果

3.2 座椅緩沖行程的測試與計算

防雷座椅的緩沖行程測試是反映座椅性能的重要參數,行程過小不能有效吸收沖擊載荷產生的能量,行程過大則會造成座椅面觸地,造成人員的二次損傷。

座椅緩沖行程采用高速攝像系統拍攝的視頻圖像輔助計算,記錄座椅椅面骨架處在垂直方向的緩沖行程。高速攝像的座椅緩沖行程測試方式見圖7。在座椅安裝框架上選取剛性位置粘貼MARK標識作為參考點,在座椅椅面骨架上粘貼MARK標識作為跟蹤點,通過圖像計算跟蹤點與參考點的相對位移,作為緩沖行程的測量結果。考慮椅面變形對測試結果的影響,跟蹤點位置選取為乘載員臀部下方的位置,一般距離座面與靠背交點向前150 mm的位置。

圖7 高速攝像測量位置

獲得位移視頻圖像后,通過專用的處理軟件(處理界面如圖8所示)可以實現相對位移數據在垂直方向和水平方向的輸出,通過最低位置和起始位置求差值即可得到座椅緩沖行程。某型防雷座椅的緩沖行程求解曲線如圖9所示。

圖8 TIMA處理界面

圖9 緩沖行程求解曲線

通過圖9可以看出,在座椅安裝框架接觸波形發生器后,在假人和座椅主體的重力作用下,防雷座椅的緩沖器開始壓縮,當達到最大行程后會出現反彈,通過反彈后的位移最高位置與最低位置求差值即可獲得其反彈行程。正常情況下,由于能量的耗散反彈行程小于緩沖行程,現階段對防雷座椅的考核時只考慮緩沖行程。

但是對于某些防雷座椅吸能裝置設計與沖擊能量不匹配的情況,如緩沖器設計剛度過大、緩沖器卡滯、椅面觸地、椅面剛度過弱等,均會造成椅面反彈,使得反彈行程大于緩沖行程,如某型座椅的垂向位移曲線如圖10所示。

圖10 某座椅垂向位移曲線

通過圖10可以看出,該型座椅在壓縮過程中由于能量沒有完全耗散為產生較大的反彈行程,明顯大于緩沖行程。當反彈行程較大時,可能會產生乘載員頭部觸頂、身體撞擊車內設計及二次沖擊的情況,需要結合反彈行程進行座椅緩沖能力的評估。

3.3 DRIz值的測試與計算

動態響應指數(DRIz)通過建立垂直方向的腰椎傷害風險模型,對裝甲車輛在受到地雷爆炸沖擊后乘載員的傷害要概率進行評估,是考察防雷座椅抗爆炸沖擊性能的關鍵參數,直接反映了防雷座椅對人體保護的情況。

DRIz通過加速度傳感器測量假人骨盆處的垂向加速度值間接測量。試驗中采用50分位Hybrid Ⅲ男性假人,加速度傳感器安裝于假人的骨盆骨架處。建立DRIz模型的運動方程為如式(4)所示[14-15];

通過式(4)計算脊柱相對于座椅的最大壓縮位移δmax,進而根據式(5)求解DRIz值。

式中:g=9.8m/s2為重力加速度;δmax為脊柱相對于座椅的最大壓縮位移。

圖11 假人坐姿垂直加速度換算示意圖

可以看出,在通過求解式(4)的二階微分方程獲得δmax,進而求解DRIz值的過程中,加速度計獲得的骨盆骨架處的加速度值作為方程的激勵項,對DRIz計算非常重要。其濾波頻率參照SAE J211-1-2003[8]標準中對試驗信號采集與濾波的規定,國內未見相關濾波頻率的討論。在此,通過比較與分析對濾波頻率對DRIz值計算結果的影響進行討論。

(6)

根據線性微分方程的疊加原理,分別通過高頻部分aH和低頻部分aL求解微分方程,進而求解DRIz值。當取截止頻率FC=50 Hz時,通過高頻信號和低頻信號求解DRIz的結果如圖12所示,能看出數據濾波頻率的選取會影響DRIz的計算結果。

圖12 高低頻信號求解DRIz結果

根據香農采樣定理[17],數據的采樣頻率需大于系統固有頻率的2倍以上,考慮抗混疊濾波,工程上采樣頻率則要大于的固有頻率的2.56倍,所以對于DRIz的求解,數據采樣率(10 kHz)遠大于采樣定理的規定采樣頻率,濾波時FC≥135.424 Hz即可滿足。分別選擇率波頻率為150、500、1 000和1 650 Hz,對比不同濾波頻率對計算結果的影響,可得如圖13所示的結果,可看出不同濾波頻率得到的計算結果重合度較好。

圖13 不同濾波頻率求解DRIz結果

通過對圖13的DRIz曲線極值部分局部放大,可以得到如圖14所示的結果,不同濾波頻率得到的DRIz曲線存在微小的相位移動,其峰值基本一致,計算結果如表4所示。濾波頻率在150 Hz時,其DRIz計算加誤差小于0.01%。

表4 不同濾波頻率的DRIz結果

圖14 不同濾波頻率求解DRIz結果(極值放大)

所以,求解DRIz時,假人骨盆骨架處的加速度在測量時,其采樣率需滿足采樣定理要求,不需對原始數據進行濾波。

4 結論

本文根據裝甲車防雷座椅的抗沖擊試驗需求,在已有臺架試驗方法的基礎上,對試驗測試方法及數據處理準則進行了完善與提升,提出了用于裝甲車防雷座椅抗沖擊試驗的座椅性能參數測試與數據分析方法,提升了試驗測試的準確性,提升了對防雷座椅抗沖擊性能參數分析的準確性,并為多型號防雷座椅的研究提供了數據支撐。本文得出的結論如下:

1) 可通過臺架試驗獲得防雷座椅的抗沖擊性能,其座椅安裝框架測得的加速度波形作為試驗的輸入,對試驗的有效性和準確性非常關鍵,座椅緩沖行程和假人的DRIz值作為關鍵輸出,對座椅的性能評估非常重要。

2) 輸入沖擊加速度,通過安裝在座椅安裝框架上表面的加速度計進行測量,并需要按照標準進行CFC1000濾波,以濾波后的數據作為沖擊波形評估的依據,為了保證測試的結果的一致性,需盡可能增加框架底板的厚度。

3) 座椅緩沖行程測量時,通過高速攝像系統拍攝視頻,再通過處理軟件跟蹤MARK標移動來輔助計算,MARK標位于假人乘坐位置正下方的座椅骨架處,其壓縮行程和反彈行程對于座椅性能的評估均具有重要意義。

4) 假人DRIz值通過安裝在假人骨盆骨架處的加速計測量值間接計算獲得,加速度信號在測量時,需考慮假人坐姿對測試結果的影響,通過夾角換算獲得垂直方向的加速度,在滿足采樣定理相關要求的采樣率條件下,不需要對原始數據進行濾波。