多工况下防雷座椅防护性能研究

丁瑞阳，周云波，张 明

(南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

1 引言

军用车辆在战场上面临各式各样的威胁，除地雷爆炸威胁之外，还存在碰撞及滚翻损伤威胁，车内乘员座椅保护系统的研究，应保证车辆在这3种威胁下发挥综合最优效果。保障车内乘员安全已经成为一个多学科交叉前沿研究课题，具有重要的现实与安全意义[1]。

国内外许多学者针对不同的乘员约束系统做了大量研究，李昊[2]通过整车爆炸仿真与试验对标研究防雷座椅性能参数对座椅防护性能的影响；Cheng等[3]研究了防雷座椅在爆炸环境与冲击试验台试验中对乘员安全防护的差异性；Hu等[4]研究了正面碰撞过程中乘员座椅约束系统对军用车辆乘员运动学的影响；莫易敏等[5]研究了普通车辆滚翻中乘员约束系统对乘员安全性的关键防护作用，Nilakantan[6]通过座椅冲击试验台模拟爆炸环境，研究了座椅气囊坐垫对乘员胸腰椎的防护性能，但这些研究多针对某一类损伤工况进行，缺乏对多种威胁的综合研究。

根据车辆类型不同，座椅可以采用地板安装、天地安装、顶部安装和绳索悬挂4种方式。顶部安装方式，能够保证座椅受到的冲击输入最小，但由于底部缺少有效约束，造成不确定因素增多，尤其体现在乘员横向伤害增大和大腿力伤害异常；利用绳索与车体的柔性连接实现座椅与车体的相对分离，但缺乏在滚翻和碰撞中的横向约束，容易造成乘员较大的位移；底部安装方式虽然座椅的底部冲击输入较大，但可以有效节约车内空间和质量；座椅安装支架在乘员保护上有重要的作用；首先可以有效改变座椅冲击输入的大小，其次，座椅支架也可以作为一级吸能缓冲机构，增强对乘员的保护。目前国内外针对军用车辆单一工况下的座椅安全防护性能开展了较多的研究，对于乘员座椅约束系统在多工况下的综合性安全防护性能研究屈指可数。本研究通过建立驾驶室通用模型，在保持防雷座椅结构不变的情况下，分别采用底部、天地、绳索和顶部四种安装方式，利用LS-DYNA动态仿真计算软件模拟该类防雷座椅在爆炸、碰撞、滚翻环境下的座椅结构响应及乘员安全性，研究防雷座椅针对复杂工况下的最佳匹配方式。

2 分析模型与工况建立

2.1 台车及假人模型

本研究采用Hypermesh有限元建模软件建立了乘员约束系统及仿真台车有限元模型。如图1所示，采用10～15 mm网格单元尺寸划分网格，并检查模型质量。台车地板、侧围、顶盖采用6252防弹钢，内部主要支撑横、纵梁为700E高强钢材料，其余较小的梁以及板件采用Q235号钢材，台车底部加装有防雷组件，并对仿真台车进行配重使其满足最大质量8.5 t。乘员约束系统包括防雷座椅结构模型，安全带及假人模型，假人采用Hybrid III 50 th百分位男性假人模型，约束系统采用四点式安全带，安全带与假人接触部位采用2D壳单元模拟假人与安全带之间的滑动及嵌入效应，与座椅连接部分采用1D安全带单元模拟安全带的收缩及滑脱[7]。安全带织带刚度特性由图2的应力-应变关系曲线描述。

图1 乘员约束系统及仿真台车有限元模型示意图

图2 安全带应力-应变曲线

2.2 座椅分析模型

为研究不同安装方式对乘员座椅防护性能的影响，根据座椅骨架原有结构特点，通过改变座椅安装支架实现以下4种座椅安装结构：

1) 底部安装：如图3(a)所示座椅通过三角式加强支撑架直接固定于车身地板上；

2) 天地安装：如图3(b)所示，座椅通过靠背两侧的两根天地式支撑梁，直接固定于车辆地板与车顶之间；

3) 绳索安装：如图3(c)所示，座椅通过绳索、织带悬挂于车顶、侧壁及地板，利用绳索与车体的柔性连接实现座椅与车体的相对分离；

4) 顶部安装：如图3(d)所示，座椅支撑与天地式安装相似，靠背两侧具有2根支撑梁，上端固定于车顶，支撑梁下端为套管式设计，两根套管固定于地板上，座椅支撑梁下端插入套管内但未与套管和地板接触，实现上端吊挂，下部与车体脱离的设计。

图3 座椅安装方式示意图

座椅有限元模型中靠背两侧两根支撑梁采用硬铝合金材料，密度为2.77 g/cm3，泊松比为0.33，屈服应力为240 MPa。图4所示为座椅的吸能缓冲结构，描述其力与位移关系的加载曲线见图5。坐垫采用57号材料*MAT_LOW_DENSITY_FOAM，此材料具有线性拉伸行为，适用于高度可压缩泡沫材料，其压缩形变过程的应力-应变曲线如图6。

图4 座椅缓冲吸能元件示意图

图5 吸能结构加载曲线

图6 坐垫应力-应变曲线

通常采用DISCRETE一维离散单元来模拟座椅中的弹簧与阻尼单元，通过设置*MAT_SPRING_NONLINEAR_ELASTIC来模拟弹簧，通过设置*MAT_DAMPER_VISCOUS模拟阻尼。

2.3 仿真分析工况

2.3.1底部爆炸工况

模型中仿真6 kg的TNT炸药，高径比为1∶3，炸点位于台车底部中心位置，炸距为450 mm，炸药位置如图7所示。根据北约文件AEP-55标准[8]，放置标准Hybrid III 50th百分位男性假人(50M ATD)进行仿真模拟，对比分析不同座椅安装方式下乘员损伤及座椅结构响应。

在仿真模拟爆炸冲击问题中，主要有拉格朗日法、欧拉法、多物质流固耦合(ALE)3种方法。LS-DYNA软件中ALE算法的可靠性与准确性已被广泛接受，所以采用ALE算法进行爆炸仿真，其控制方程为：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ为质量密度；c为对流速度；v为材料速度矢量；σ为柯西应力张量；b为单位体积矢量；E为比总能量。

采用材料模型和JWL状态方程来描述炸药，其压力，体积和内能之间的关系为：

(4)

式中：P为压力；E0为初始内能密度；v为相对体积；A、B、R1、R2、ω为材料参数，其材料参数及状态方程参数见表1及表 2[9-11]。空气单元采用空材料模型，其线性状态方程为：

表1 TNT材料参数

表2 TNT炸药的JWL方程参数

(5)

式中：P为压力；μ为相对体积；E为单位体积内能；C0～C6为多项式方程系数，C=-0.1 MPa，C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4 MPa[12-13]。

2.3.2正面碰撞工况

根据NCAP汽车碰撞测试试验方法选取正面100%刚性壁碰撞试验方法对本研究采用的4种安装方式防雷座椅进行碰撞防护性能研究。改进NCAP中的碰撞刚性壁障，建立如图8所示的刚性壁障碰撞仿真模型，刚性壁与台车碰撞接触面覆以100 mm厚的蜂窝铝缓冲板，台车以50 km/h的速度与壁障发生碰撞。

图8 碰撞仿真模型示意图

2.3.3平台滚翻工况

采用FMVSS 208平台车侧翻试验方法建立台车滚翻仿真模型，如图9所示采用一个23°斜角的楔形平面作为滚翻台车运载装置，以50 km/h的速度平移，在不大于915 mm的距离内运载平台减速到零，减速度不小于20g且持续0.04 s以上。

图9 滚翻计算模型示意图

3 座椅及乘员响应分析

3.1 乘员动态响应

图10为底部爆炸仿真系列不同座椅安装方式下ATD动态位移响应分布云图，在爆炸冲击过程中乘员脚部及座椅支撑直接承受由地板传递的爆炸冲击加速度，继而通过腿部或者座椅结构传递到身体各个部位，4种座椅安装方式下ATD最大位移响应均出现在ATD脚部，分别为461.2、434.6、513.9、500.4 mm，其中天地安装座椅ATD腿部位移响应最小，反映出从地板传递给乘员脚部的冲击加速度相对较小。

图10 爆炸-ATD位移云图

图11为滚翻仿真系列ATD运动示例。当台车近地侧车顶与地面发生接触时，ATD头部受到离心力及惯性作用与车顶及顶部梁发生撞击，会使乘员产生较高的头部损伤指数(HIC)。由图11观察到天地安装座椅ATD头部与车顶的接触面积最小，在车辆滚翻过程中ATD身体的垂向位移量相对另外3种安装方式要小。

图11 ATD滚翻运动状态示意图

图12突出显示了碰撞仿真系列的ATD运动学示例，在所有碰撞测试中ATD髋关节均相对于肩膀发生过度向前偏移，ATD身体与仪表板发生接触，头部未发生与仪表板的接触但存在明显的鞭打动作，这是产生高HIC值和Nij的主要原因。此外不同座椅安装方式下其座椅支撑均存在一定程度的弯曲，绳索安装座椅的固定绳索会在座椅前冲的加速度作用下达到弹性极限从而张紧，这些因素都会增加ATD身体前移量，加大与仪表板碰撞的可能性。

图12 碰撞运动学示例图

3.2 座椅坐垫输入加速度

不同座椅安装方式其座椅支架吸收能量不同，传递的冲击加速度亦不同，坐垫作为座椅结构中直接与乘员接触的部件，对其输入加速度进行分析能够更直观准确地反映不同座椅安装方式对ATD冲击程度的影响。

图13为底部爆炸仿真系列不同座椅安装方式下坐垫输入加速度曲线，从坐垫输入加速度发生的时间来看，底部安装坐垫输入加速度最早开始增长，天地安装则晚0.5 ms，绳索和顶部安装方式均在2 ms之后开始发生加速度急剧增长。数据对比分析发现，顶部座椅安装方式得到的坐垫输入加速度最小为10.08g，加速度脉冲波动较大，相对来说天地座椅安装方式坐垫输入加速度与顶部座椅安装方式坐垫输入加速度仅相差3.4%，加速度脉冲曲线最为平稳。

图13 爆炸-坐垫输入加速度曲线

图14为正面碰撞仿真系列不同座椅安装方式下坐垫输入加速度曲线，其中天地与顶部安装座椅坐垫受冲击作用相差不大，底部安装座椅碰撞时受到的冲击力大且迅速，绳索安装座椅由于其绳索的柔性缓冲作用受到的冲击最小，且冲击到达坐垫的作用时间较长。图15为平台滚翻测试系列不同座椅安装方式下坐垫输入加速度曲线，可以看出在整个滚翻过程中具有刚性固定连接的底部、天地、顶部3种安装方式座椅受冲击加速度明显小于柔性连接的绳索安装方式，而且受到的加速度脉冲波动也比较平缓。

图14 碰撞-坐垫输入加速度曲线Fig.14 Collision-Cushion input acceleration

图15 滚翻-坐垫输入加速度曲线

3.3 乘员头部生存空间分析

图16显示了爆炸过程中不同座椅安装方式ATD头顶生存空间(即头顶与车顶的距离)曲线，其中数值越大则两者的距离越远，说明乘员头部的生存空间越大，头顶与车顶发生碰撞的可能性越小。ATD头顶与车顶的初始距离为110 mm，爆炸过程中绳索安装座椅固定绳索由于缺乏硬性支撑导致座椅和ATD整体垂向位移较大，造成乘员头部与车顶的碰撞。而天地安装座椅生存空间最大，说明天地安装座椅能够更好地对座椅和ATD的垂向位移量进行约束，保证乘员头部足够的生存空间。

图16 爆炸-ATD头顶生存空间曲线

图17为正面碰撞仿真系列ATD头顶生存空间(即头部与前方仪表板距离)曲线，用来反映本研究中乘员头部在正面碰撞过程中的生存空间是否充足。该曲线进一步证明碰撞过程中乘员头部未与车内仪表板发生碰撞，而且可以清晰地得出绳索安装座椅碰撞过程中乘员头部与仪表板撞击可能性最小，底部安装座椅碰撞可能性最大，从而说明碰撞损伤工况下绳索安装座椅乘员头部生存空间最充足。

图17 碰撞-ATD头顶生存空间曲线

滚翻仿真系列中4种座椅安装方式在车辆近地侧触地过程中乘员头部均与车顶发生不同程度的碰撞损伤，即滚翻损伤工况下乘员头部生存空间严重不足，所以此处不再进行数据曲线的对比分析。

4 车内乘员损伤评估

4.1 头部损伤评价

爆炸、碰撞及滚翻仿真系列假人损伤评价标准(IARV)各有不同，北约文件AEP-55规定爆炸损伤下假人头部损伤指数HIC-15不大于250，图18所示为底部爆炸仿真系列不同座椅安装方式ATD头部损伤指数，其中绳索安装座椅因爆炸过程中ATD头部与车顶碰撞造成HIC-15值明显偏高，其他3种座椅安装方式下ATD头部损伤指数相差不大，且天地安装座椅ATD头部损伤指数最小。

图18 爆炸-ATD头部损伤指数直方图

参考FMVSS 208乘员碰撞保护中Hybrid 50th百分比男性假人伤害评估参考值(IARV)确定碰撞及滚翻中每个测试的乘员损伤结果。图19显示了来自测试系列的ATD头部损伤指数(HIC)，其中实线表示IARV中头部损伤指数HIC-15的标准(700)，虚线表示HIC-36的标准(1000)。碰撞测试系列乘员头部生存空间充足，所有ATD头部损伤指数都低于HIC-15阈值；滚翻测试系列ATD头部损伤指数均高于HIC-15阈值，但天地和顶部安装座椅的ATD头部损伤指数低于HIC-36阈值，这证明头部与车体碰撞造成高HIC值。另外绳索安装座椅在车顶着地的过程中其座椅上部固定绳索缺乏刚性支撑作用使座椅朝向车顶移动是造成头部生存空间急剧减小的重要因素。

图19 碰撞/滚翻-ATD头部损伤指数直方图

4.2 颈部损伤评价

AEP-55规定爆炸损伤下假人颈部轴向力不大于4 000 N，大于1 100 N 的力不超过30 ms，由图20(a)可以得出爆炸工况下四种安装方式ATD颈部轴向力均小于IARV标准阈值，但绳索安装方式ATD颈部轴向力峰值明显偏大，且因头部与车顶碰撞造成ATD颈部二次损伤。FMVSS 208标准中规定ATD颈部轴向拉力要小于4 170 N，颈部轴向压力不大于4 000 N，由图20(b)和图20(c)可知碰撞仿真系列ATD颈部轴向力均符合标准，其中绳索安装座椅ATD颈部轴向力最大，而在滚翻仿真系列仅有天地安装座椅的ATD颈部轴向力符合标准阈值，这是由于颈部大幅度侧向鞭打动作及头部碰撞时的颈部压缩造成。

图20 ATD颈部轴向力曲线

FMVSS 208标准中还规定了ATD乘员颈部损伤指数Nij不大于1.0， 图21中的实线代表IARV标准的颈部损伤指数(Nij=1.0)，横坐标表示颈部载荷情况：张力-伸展(Nte)、张力-弯曲(Ntf)、压力-伸展(Nce)和压力-弯曲(Ncf)。通过图21的Nij对比分析发现碰撞仿真系列虽然颈部存在鞭打动作但Nij在标准阈值之内，滚翻仿真系列由于ATD头部的碰撞造成颈部损伤指数超过IARV标准阈值，致使颈部损伤过大。

图21 ATD颈部损伤指数直方图

4.3 胸腰椎损伤评价

对于乘员胸部损伤，AEP-55规定爆炸情况下假人胸部偏差不超过30 mm，胸腔压缩速度(VC)最大极限阈值为3.6 m/s，FMVSS 208标准中规定乘员胸部偏差要小于63 mm。图22为仿真系列ATD胸部偏差，可以发现爆炸仿真系列ATD胸部偏差均在3 mm以内，计算得出从底部到顶部座椅安装下ATD胸腔压缩速度依次为0.001、0.005、0.007、0.004 m/s，得证爆炸仿真系列乘员胸部损伤在标准规定范围内，无明显损伤；碰撞仿真系列测得ATD胸部偏差最大不超过30 mm，符合FMVSS 208标准；滚翻测试系列中绳索座椅安装由于其座椅和乘员运动的不稳定性造成其ATD胸部偏差明显大于其他工况，但偏差未超过20 mm，亦符合标准。

图22 ATD胸部偏差曲线

对于乘员胸部损伤，AEP-55规定了爆炸情况下假人胸腰椎动态响应指数(DRI<17.7)图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、绳索和顶部安装ATD的DRI值在25左右，底部座椅安装由于通过假人腿部及座椅骨架的碰撞冲击力全部传递到假人臀部使其DRI值较大。滚翻仿真系列中绳索座椅安装方式由于其座椅和假人受振动大幅度运动造成ATD的DRI值(32.3)接近另外3种安装方式的2倍。

图23 ATD胸腰椎动态响应指数曲线

4.4 腿部损伤评价

北约文件AEP-55对爆炸工况下ATD腿部损伤规定了明确的损伤阈值，即大腿股骨力不大于6 900 N，小腿胫骨力不大于5 400 N。碰撞和滚翻工况下ATD腿部损伤参照FMVSS 208标准，即大腿股骨力不超过10 000 N，小腿胫骨力无要求。

图24为仿真系列不同座椅安装方式下ATD大腿股骨力及小腿胫骨力的损伤数值对比，其中L代表左腿，R代表右腿，由图可以看出仿真系列ATD大腿力和小腿胫骨力均符合IARV的标准阈值。爆炸和滚翻损伤工况乘员腿部多发生垂向位移，损伤较小，但碰撞仿真系列由于膝盖部位缺乏支撑，腿部实现较大偏移并与仪表板下表面碰撞，造成ATD腿部损伤明显大于爆炸和滚翻仿真系列。

图24 ATD腿部损伤数值直方图

5 防雷座椅综合性能评估

为评估防雷座椅在不同损伤工况下的安全防护效果，通过对乘员头部损伤指数(头部)，颈部轴向力(颈部)，胸部偏差(胸部)及大腿股骨力(大腿)的数值分析，建立座椅安全系数指标对不同损伤工况下相同安装方式座椅进行综合性能评估，安全系数不超过1.0，在0到1之内数值越大安全防护性能越好，其中

另外将乘员头部生存空间也作为一项评估指标，其安全系数计算方法如下：

图25分别给出了4种安装座椅在3种不同损伤工况下的座椅防护安全系数，底部安装座椅爆炸安全防护性能良好，但滚翻工况下头部生存空间、头部、颈部3项安全系数趋向于零且碰撞安全系数较小。天地安装座椅具有良好的爆炸和碰撞安全性，但滚翻过程的头部生存空间明显不足。绳索安装座椅在爆炸、碰撞和滚翻3种工况下均存在安全系数为零的项目，其综合防护性能较差。顶部安装座椅滚翻安全系数为零的有头部生存空间和颈部两项，且头部安全系数小于0.1，其滚翻安全性较差，爆炸工况下头部生存空间的安全系数仅为0.2，但碰撞安全性相对较好。综合上述分析得出4种安装方式的座椅综合防护性能：天地安装座椅>顶部安装座椅>底部安装座椅>绳索安装座椅。

图25 座椅防护安全系数曲线

6 结论

1) 底部爆炸环境下底部安装座椅加速度传递迅速且波动大，天地安装座椅加速度传递波动较小且作用到乘员上的冲击最小，绳索及顶部安装座椅虽然初始阶段的爆炸冲击加速度传递较慢，但传递到座椅及假人的冲击波动依然不小。

2) 仿轻型战术车辆台车正面碰撞模拟测试表明乘员运动学特性与普通乘用车内乘员略有不同，膝盖部位缺乏支撑，可以实现较大的下肢偏移，由于没有安全气囊，其头部及胸部偏移也变大，导致与方向盘和仪表板接触的可能性增加。仿真中看到较高的颈部伤害是由于头部鞭打动作所致，这表明在碰撞工况下乘员颈部损伤是主要威胁之一。

3) 平台滚翻仿真系列结果表明乘员在滚翻过程中运动幅度较大，在模拟台车近地侧触地后乘员头部由于颈部较大幅度的鞭打动作与车顶发生碰撞，产生高HIC值，另外绳索安装座椅因其绳索的伸缩性导致座椅约束系统在滚翻过程中存在较大幅度运动，影响乘员的有效生存空间。

4) 分析爆炸、滚翻和碰撞3种工况不同安装方式下座椅综合防护性能，并考虑所有工况下4种座椅安装方式乘员损伤结果可知天地安装座椅乘员综合安全防护性能最为有效，但4种座椅都需要对乘员头部生存空间进行优化防护。