模拟车辆底部爆炸工况的小腿冲击装置研究

章金坤，周云波，孙晓旺，张 明

(南京理工大学 机械工程学院, 南京 210094)

在现代战场中，常常出现非对称作战，如伊拉克战争。从2003年3月伊拉克战争开始，在非对称作战中频频出现的路边炸弹、简易爆炸装置(IED)等武器对联军造成了巨大损失，并且此类伤亡人数占总伤亡人数的67%[1]。据伊拉克联军记录，每个月大约有2 000次简易爆炸装置发生爆炸，有时候一天就有100多次这类攻击事件发生[2]。这些爆炸对车辆及车内乘员构成严重威胁，威胁主要源自以下两种形式：一是地雷爆炸时形成的破片渗入车体而引起的高温爆炸气体，入侵乘员舱内对车内乘员造成伤害，另外是源于爆炸时生成的高压气体产物冲击防护车辆底部产生的强冲击垂直加速度导致的人员伤亡[3]。这种强冲击加速度不仅能够经过车身构造传导给车内乘员造成乘员的生物损伤(如小腿、脊柱、脖颈与头部的损伤)，还能引起车内乘员的巨大位移，使得乘员撞击车体结构造成惨重损伤，对车内乘员的生命安全造成严重威胁。医疗损伤数据显示下肢是战区士兵中最常见的受伤身体区域之一[4]。对爆炸强冲击作用下车内载员的安全性评价指标上，北约AEP55 Vol2[5-6]是目前常用的标准。许述财等[7]对比研究了特种车辆内乘员在垂直方向安全性评价的三种有效指标。王波等[8]研究了在冲击载荷下，乘员小腿放置姿势对小腿伤害有重要影响。为了减轻爆炸冲击对小腿的垂直冲击，会做大量的试验对车辆结构进行改进。由于实车爆炸试验耗费巨大的财力人力，并且存在许多不确定的危险情况，需要一个等效的模拟试验台来进行上述研究。因此本文通过在整车仿真中提取的等效模型设计了小腿冲击装置。

1 小腿损伤局部等效模型

1.1 整车有限元仿真

整车爆炸试验需要花费大量的时间准备布置并且会花费巨额的费用，而且其中还有不可避免的意外和不安全性。因此在防护性车辆设计过程中采用有限元仿真的方法得到了广泛的应用，其特点是效率高，一致性好，节约成本。本文用HyperMesh软件在LS-DYNA环境下按照建模规范来对某型防护车辆的catia整车数模进行了网格单元划分，保证其网格质量。创建的此车有限元模型如图1，模型包括了整车、座椅、假人和流场。

图1 整车(内含假人)的有限元模型

魏然等[9]对整车进行了爆炸仿真，李利莎等[10]利用拉格朗日算法、ALE算法和SPH算法对爆炸冲击的接触问题进行了研究，证明ALE算法能准确模拟车身及乘员损伤。ALE算法的可靠性与精确性已经被广泛接受[11]。该算法同时结合了拉格朗日算法和欧拉算法的优点，能够较为准确地模拟和描述结构的边界运动，所以这里采用该算法进行整车爆炸有限元仿真。

由于本文针对爆炸情况下乘员的小腿进行研究，因此整车仿真的结果只关注假人小腿力-下胫骨轴向力，有关曲线如图2。

图2 假人下胫骨轴向力曲线

1.2 局部等效模型的建立

整车仿真模型总计零部件part数量752个，单元数量280.5万，调整计算时间步长4e-7s，单个计算30 ms时长模型约需40～50 h。为了缩短计算时间，并且本文重点研究对象是假人小腿损伤情况，并不考虑车体的状况，在此提出局部等效模型。俞彤[12]对等效模型的可行性进行过探究，将整车地板划分成360块施加相应的加速度，慢慢缩小地板尺寸，最后发现赋予加速度的地板尺寸缩小到能够覆盖脚掌及座椅安装点时，即大约700 mm×700 mm的大小，得到的假人下胫骨轴向力与整车仿真的输出有较好的一致性。另外根据实际情况，防护车辆遭遇底部地雷爆炸时，车内乘员下肢受到的冲击作用仅来源于和脚底接触的车辆地板，所以可以从整车中提取地板，座椅及假人系统作为等效模型，如图3。

图3 提取的局部模型

等效模型边界为座椅的安装点加速度输入和地板的加速度输入。按照整车条件，输入应为地板处2 076个节点和座椅梁连接处96个节点的加速度或者速度历程，即需要2 172个曲线的输入。这样庞大的数据量输入既浪费时间也不够精简，很不现实。所以在这里从整车有限元仿真结果中提取地板part的平均加速度曲线，如图4。由于座椅安装点的加速度输入相较于地板加速度偏小，并且对本文关注点假人下肢胫骨轴向力影响不大，所以可以忽略不计。

图4 从整车提取的地板加速度曲线

因此对提取的局部模型施加的边界条件为：在地板处施加图4所示的从整车仿真中提取的地板平均加速度，在座椅安装点处施加六个自由度的约束，计算时长为30 ms，所需计算时间为5～6 h。局部模型假人下胫骨轴向力的计算曲线和与整车模型仿真曲线，如图5。

图5 局部模型与整车模型计算曲线

在图5中，整车模型与局部模型的假人左右下胫骨轴向力的时间历程都比较相近。其中整车有限元仿真的假人下胫骨轴向力峰值分别为左14 290 N和右16 030 N，局部模型有限元仿真的假人下胫骨轴向力峰值分别为左16 020 N和右16 070 N，两模型左右差距10.8%和0.25%，在合理的范围内。另外，整车模型中左右小腿力不完全一致是与炸点位置以及地板周围结构不对称有关，符合实际情况。因此，该模型可以作为有限元仿真中防护型车辆在爆炸环境下用于研究假人下胫骨轴向力的等效模型。

2 地板加速度对小腿力的影响

俞彤[12]研究了地板地板加速度特征参数对小腿力的影响，得出：

1)在保证地板动能相同且持续时间与峰值相同的前提下，加速度曲线的上升斜率对乘员小腿损伤影响不大。

2)在持续时间相等的前提下，随着加速度峰值的增大。

3)在保证地板动能相同的前提下，随着持续时间的增大，乘员小腿轴向力加速度峰值减小且响应时间推迟。但在其结论3)中持续时间即脉宽选的是10 ms，15 ms，20 ms，25 ms和30 ms，并没有选取到5 ms以内。这里同样保证地板动能相同的前提下，选取一系列的加速度脉宽，以三角波的标准形式(如图6，加速度300g，5 ms)加载到等效模型的地板加速度上，提取整理假人下胫骨轴向力，这里选取了两个不同数值的地板动能列成如表1、表2。

图6 300g 5 ms的等效三角波加速度

表1 动能相同不同脉宽的加速度下的小腿力峰值

表2 动能相同不同脉宽的加速度下的小腿力峰值

分析表1和表2可以发现，当地板动能相同时，在加速度脉宽小于6 ms时，假人下胫骨轴向力峰值基本保持在一定的大小，即不会随着加速度脉宽的增大而变化，在加速度脉宽大于6 ms时，随着加速度的脉宽增大，假人下胫骨轴向力峰值逐渐减小。

为了说明上述结论不是单单加速度脉宽作用的结果，前提需要保证动能相同。设置峰值300g一致，取不同脉宽的加速度施加在局部等效模型的地板上。同时，由上述表1和表2得出的结论可以引申为：对于该等效模型，一个脉宽小于6 ms的等效加速度三角波，都可以化为脉宽为任意小于6 ms的数值，但动能和原加速度一致的等效三角波。这里将部分加速度等效成脉宽为5 ms动能一致的加速度施加到等效模型地板上，输入的加速度和得出的假人下胫骨轴向力如表3所示。从表3中可以发现当加速度峰值一致都为300g时，随着加速度脉宽减小，假人下胫骨轴向力也相应地减小。

表3 不同加速度下的小腿力的影响

3 小腿损伤模拟试验台

前文在整车仿真中提取了等效模型，并验证了等效模型相对于整车仿真的一致性。在现实中，可以建立与等效模型相似的试验台用于模拟实车爆炸试验。因此参照等效模型的形式，小腿力试验台设计包含了试验假人，座椅约束系统和地板，另外需要一个加速度产生装置。考虑到制作成本及易用性，这里采用释放弹簧推动重物撞击地板的方式给予地板初始加速度。

3.1 试验台介绍

整体小腿损伤模拟试验台如图7，主体是由平板加圆柱状导向机构和下方底座连成的一个整体，底座两侧不密封，用于放置千斤顶。圆柱状导向机构内部装有弹簧，该弹簧的刚度系数为335.16 N/mm，直径为128 mm，高度为530 mm，可压缩量为170 mm。弹簧上端有一圆柱冲击块，冲击块上方有一锁止机构用于限制弹簧的位移。平板上方有双层地板，通过四个螺栓与平板相连，用于限位，防止地板受冲击后飞出。距主体约20 cm处有一长方体的架子，用于放置假人。通过千斤顶举升，压缩弹簧，压缩至一定程度后，打开锁止机构，弹簧向上运动带动冲击块撞击双层地板产生垂向冲击力，使假人小腿受到一个垂向载荷。冲击完成后卸载千斤顶，弹簧和冲击块以及锁止机构复原后，可再通过上述步骤进行多次试验，具有较好的重复性。

图7 小腿损伤模拟试验台

3.2 测试方法

作为对小腿的伤害评估，采用标准混合Ш型第50百分位男性拟人测试设备(试验假人)，主要用到的假人通道和测量项为左下胫骨Z向力和右下胫骨Z向力，假人数据由东华测试提供的DH5902采集，采样率为100 kHz。另外，在地板上放置了加速度传感器记录地板加速度历程，使用德维创DEWE43进行采集，采样率为200 kHz。使用NAC MemreCam GX-3高速摄像机记录试验过程中假人的运动状态，帧数为4 000帧。布置检查完各项装置到位后，先打开仪器采集数据，再释放锁止机构进行试验。

3.3 测试结果

在布置完试验装置后，将弹簧压缩至13 cm，进行了3次试验。其高速摄像截图(图8)，对比实车爆炸时车内高速摄像捕获的车内假人运动截图(图9)，发现假人下肢的运动方式较为一致。

图8 高速摄像截图

图9 实车爆炸车内高速摄像截图

3次测试结果的假人下肢胫骨轴向力曲线如图10。其中3次试验假人左下胫骨轴向力分别为6 976 N，6 956 N和6 798 N，3次试验假人右下胫骨轴向力分别为6 310 N，5 838 N和6 114 N，可见3次试验的假人下肢轴向胫骨力左右腿各自较为一致。最大值与最小值相差分别为2.6%和7.4%，两个腿之间有一定的差异性，考虑到制造公差以及中心点不准等因素，在合理的范围内。从该试验可得出小腿损伤模拟试验台有较好的一致性。

将试验台测得的地板加速度与整车仿真的地板加速度曲线如图11，发现试验台加速度相较于整车仿真加速度显得峰值大，脉宽小。

另外在研究加速度时一般会积分成速度后再等效成相应的三角波形状加速度，便于研究及评价加速度大小，主要参数为脉宽和峰值。积分后的速度曲线如图12，等效成三角波后，整车地板加速度为409.4g，5.34 ms，试验台地板加速度为7 316.7g，0.264 ms。

在上文地板加速度对小腿力的影响中，有当地板动能相同时，在加速度脉宽小于6 ms时，假人下胫骨轴向力峰值基本保持在一定的大小，即不会随着加速度脉宽的增大而变化，在加速度脉宽大于6 ms时，随着加速度的脉宽增大，假人下胫骨轴向力峰值逐渐减小。可将整车地板加速度409.4g，5.34 ms等效为437.24g，5 ms，将试验台地板加速度 7 316.7g，0.264 ms等效为386.32g，5 ms。可见两者加速度量级差别不大。

图10 假人下肢胫骨轴向力曲线

图11 整车与试验台的地板加速度曲线

图12 积分后整车与试验台的地板速度曲线

考虑双层地板减小了大量的冲击力，于是更换双层板为单层加强板，重复上述试验，假人下肢胫骨轴向力曲线如图13。其中左下胫骨轴向力为10 468 N，右下胫骨轴向力为10 105 N。所以该试验台能够产生至少一万牛大小的下肢胫骨轴向力。整车爆炸试验规范规范标准AEP-55中人体下肢轴向胫骨力限值为5 400 N，所以该小腿损伤模拟试验台能够用于车辆爆炸情况下乘员小腿受损状态的模拟。

图13 假人下肢胫骨轴向力试验曲线

4 试验台结果有限元仿真验证

通过第一节的研究对比验证了等效模型的准确性。该等效模型通过输入地板加速度，能够输出假人下胫骨轴向力。而第二节的小腿损伤模拟试验台中不仅能够采集到假人下胫骨轴向力数据，还能采集到地板加速度。因此可以用试验台采集到的加速度曲线赋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胫骨轴向力，与试验采集到的假人数据相比较，再次验证局部等效模型有限元仿真的准确性。提取小腿损伤模拟试验台前3次试验中第3次试验的地板加速度曲线，如图14。将它加载到有限元仿真等效模型的地板强制加速度上，调整假人坐姿及腿部摆放位置与角度和试验情况一致。计算得到的假人下胫骨轴向曲线与试验曲线如图15。仿真结果假人左右小腿力分别为6 581 N与6 343 N，与试验结果假人左右小腿力6 798 N，6 114 N差3.2%和3.6%，并且曲线走势也较为一致，在合理的误差范围内。

图14 小腿损伤模拟试验台地板加速度曲线

图15 等效模型曲线与试验曲线

5 结论

1)提出了爆炸情况下乘员小腿损伤局部等效模型，并通过整车有限元仿真验证其准确性；

2)设计制造了小腿损伤模拟试验台，验证了其可行性；

3)通过仿真对标证实了等效模型与试验台实际情况的一致性，从作用机理、小腿运动过程及小腿力和地板产生加速度四个方面说明了小腿损伤模拟试验台能够用于模拟整车爆炸试验中乘员小腿的损伤情况；

4)当地板动能相同，加速度脉宽小于6 ms时，假人下胫骨轴向力峰值基本不变，在加速度脉宽大于6 ms时，随着加速度脉宽增大，假人下胫骨轴向力峰值逐渐减小。