装甲车防爆座椅抗爆指标合理性研究与建议(军用车辆乘载员防地雷爆炸减振抗爆座椅设计研究系列二)

汪国胜,曹 宇,张伟杰,周少峰,刘亚青

(1.中国北方车辆研究所 推进系统技术部, 北京 100072; 2.湖南科技大学 机电工程学院, 湖南 湘潭 411201; 3.中北大学 材料科学与工程学院, 太原 030051)

1 引言

地雷与简易爆炸物是坦克装甲车辆的主要威胁之一，随着对战斗人员生命重视程度的提高，装甲车辆乘载员防地雷爆炸防护座椅(下文简称防爆座椅)设计成为坦克装甲车辆设计中越来越重要的工作[1-4]。

国内外研究机构及专家学者针对防爆座椅开展了大量研究[5-7]。Tabiei等[8]设计了一款防爆座椅，该座椅可通过弹簧减振器和吸能元件吸收爆炸冲击能量，保护乘载员生命安全，并通过有限元仿真分析了座椅的防护性能。张强等[9]分析了装甲车辆悬吊式防爆座椅的各项性能，提出了悬吊式防爆座椅的特点与设计准则。李成西等[10]对减振防爆座椅悬架和安全气囊防护性能进行了仿真分析，并对座椅进行参数优化，进一步减小了爆炸冲击对军用车辆承载员带来的损伤。徐博等[11]对两级防爆座椅悬架开展参数优化，利用PID控制算法实现座椅悬架控制，并通过动力学仿真分析了悬架座椅的防护性能。磁流变减振器具备优良快速的变阻尼与易可控性能，国内外很多学者对军用车辆乘员磁流变体隔振器及座椅设计、参数优化、控制算法等方面进行了深入研究，取得了较为理想的研究成果[12-14]。

近十年来，随着对装甲车辆人机环境的逐渐重视，国内也结合新型号车辆的研制，首次开展了防爆座椅研制工作，并针对某些重点型号车辆开展了竞标优选工作[15-16]。但由于国内在防爆炸座椅方面的研究基础极其薄弱，防爆座椅抗爆指标确定缺乏同类产品指标参考依据，只能借鉴其他装备座椅指标，导致在首次开展的某型装甲车防爆座椅二轮竞标均未达到理想结果。针对国内某型装甲车辆防爆座椅竞标结果不理想问题，我们开展了相关的防爆座椅抗爆指标研究，提出基于最小抗爆行程逆向设计方法，对该型车辆防爆座椅指标合理性进行了分析，得到了该型车辆防爆座椅二轮竞标结果不理想的技术原因。再结合人体坐姿耐冲击限值，提出在保证人体处于安全的前提下，可以适应增大座椅耐冲击限值的防爆座椅抗爆指标的优化建议，为国内军用车辆防爆座椅工程设计提供了方向性指导。

2 某型装甲车防地雷爆炸防护座椅设计指标

由于国内是首次对装甲车辆防地雷爆炸防护座椅提出设计要求，限于国内在装甲车辆防爆座椅防护标准的研究基础空白，国内某单位参考国内外航空抗坠毁座椅设计指标，按照冲击能量相等的原则，提出了下述装甲车辆乘载员座椅防地雷爆炸抗爆防护指标：

1) 乘载员座椅缓冲行程≤100 mm；

2) 座椅经过垂直跌落台架试验，能够承受输入加速度脉冲幅值200～230g、脉冲宽度5～7 ms的三角波(用于模拟爆炸冲击波对座椅的冲击)冲击载荷，模拟假人(Hybrid Ⅲ假人)腰椎部位加速度值≤18g或假人替代物动态响应计算值DRIz≤17.7[15]；

3) 座椅主结构无坍塌、不断裂，安全带及卡扣无破坏，冲击缓冲装置不发生危害乘载员安全的现象。

3 装甲车防地雷爆炸防护座椅典型抗爆结构及抗爆力学性能

当前国内外坦克装甲车辆防地雷爆炸座椅有2种典型抗爆结构。一种是如图1所示的吊带式座椅，它悬吊于车体顶甲板上，依靠车体与吊带对冲击的缓冲作用防止地雷爆炸导致的瞬态巨幅冲击对承载员造成伤害；另一种是如图2所示的依靠专用吸能部件吸收爆炸冲击能量实现缓冲瞬态巨幅冲击。

图1 吊带式座椅图Fig.1 Strap seat

图2 基于翻转管吸能型防爆座椅图Fig.2 Anti-explosion seat based on flip tube energy absorption

试验表明，图1所示的吊带式防爆座椅适应于对操作方便性要求不高的载员，对于操作便捷性要求较高的乘员大多采用图2所示带有专用吸能结构的防爆座椅。基于翻转管吸能型防爆座椅就是在安装座与座椅之间安装了1～2个如图3所示的能正负翻转的翻转管关键部件。其工作原理如图4所示，它依靠翻转管翻转过程中的破坏力实现瞬态冲击能量的耗散。

图3 翻转管吸能器结构示意图Fig.3 Flip tube energy absorber structure

图4 吸能工作原理示意图Fig.4 Schematic diagram of energy absorption

从图5翻转管拉伸载荷曲线可知，其在拉伸翻转过程中，阻抗力近似为恒定，这能使吸能器在抗爆过程中提供平稳的阻抗力，能可靠地防止人体承受的冲击加速度超限；还可在保证人体安全的前提下，使吸能器行程最短。这种基于恒力吸能的最小行程抗爆运动规律在坦克舱室有限行程内能最大程度上避免座椅抗爆触底而使人体受到二次冲击损伤。这也是国内外大量的直升机抗坠毁座椅采用翻转管作为恒力吸能关键器件的原因。基于此优点，本文采用这种基于恒力吸能的空间检验第二节中国内某单位提出的防地雷爆炸防护座椅设计指标的合理性与科学性。

4 人体冲击防护安全空间的估算

4.1 基本假设

在进行人体冲击防护安全空间的估算前首先进行如下假设：

1) 座椅及人体由于安全带可靠约束，可视为做一体同步运动，其质量均可计入m中;

2) 车辆遭遇地雷爆炸后，车辆垂直炸飞并垂直降落，在此过程中人体保持垂直坐姿；

3) 选取上述基于恒力吸能的最小行程抗爆运动规律，并确定其抗爆指标为模拟假人腰椎部位加速度值≤18g；

4) 遭遇地雷爆炸后，防爆座椅主结构及安装部位在遭遇地雷爆炸时未被损坏，地雷爆炸过程中，座椅所有结构(坐垫及座椅骨架)吸收的冲击能量太小，可忽略不计。

图5 静力拉伸载荷曲线Fig.5 Static tensile load curve

4.2 乘员座椅的抗爆物理模型

参考第2节提出的座椅抗爆指标，先按冲击输入的中位值(即加速度脉冲幅值215 g、脉冲宽度6 ms的三角波)确定座椅的抗爆行程。冲击输入时间历程变化见式(1)，其近似曲线如图6。

(1)

式中:ai为座椅安装座部位冲击波加速度；t为三角波脉冲时间历程。

图6 地雷爆炸时座椅安装座部位冲击波曲线Fig.6 Shock wave curve of seat mounting part during mine explosion

坦克装甲车辆座椅系统是一个复杂的力学系统，在初步设计阶段进行全尺寸仿真分析存在较大困难。为了简化分析模型，把座椅系统简化为如图7所示的简单抗爆系统，则座椅及人体受力F及加速度a关系如式(2)所示:

ma=F

(2)

式中:m为座椅及人体的质量和，其中人体质量m1≈75 kg，座椅质量m2≈15 kg，两者共计m=m1+m2≈90 kg；F为车体通过抗爆吸能器传递至座椅的垂直作用力，N；a为座椅(人体)的冲击加速度，m/s2。

图7 座椅抗爆系统物理模型示意图Fig.7 Physical model of seat anti-explosion system

4.3 抗爆过程中座椅与人体运动过程分析

以技术指标中的座椅加速度18g为安全限值，分析第一波冲击时间历程内车体与人体加速度、速度与位移的变化规律、达到的行程与历程时间。

1) 第一阶段(0≤t≤t1=18g/71.667g=0.251 2 ms)，同步运动

如图8所示。地雷爆炸后，车体加速度在瞬间内剧增，但座椅(人体)加速度还没有加速到吸能器的启动载荷(设置吸能器启动载荷为人体与座椅达到18g加速度值时吸能器承受的值)对应加速度值(18g)，其所受的载荷小于吸能装置启动载荷，吸能装置不启动，车体与座椅之间没有发生相对位移，车体与座椅(人体)的加速度(ac1,ay1)、速度(vc1,vy1)与位移(sc1,sy1)的运动方程如式(3)所示：

(3)

图8 第一与第二阶段地雷爆炸座椅(人体) 与车体相对运动曲线Fig.8 Curve of the first and second stages of the relative motion between the seat (human body) and the vehicle body when a mine explodes

其曲线如图8中的虚线第一截，此时座椅(人体)随车体一起同步运动阶段，两者加速度相同，这一过程持续时间约为0.251 2 ms，座椅(人体)与车体地起运动的位移约为0.001 86 mm。

2) 第二阶段(t1=0.251 2 ms≤t≤t2=3.0 ms)，吸能器启动

地雷爆炸后，车体加速度在瞬间内剧增至最大值215g，座椅(人体)经过瞬态加速后其加速度逐步增大至吸能器的启动载荷对应的加速度值(18g)，其所受的载荷达到吸能装置启动载荷，吸能装置启动。此时车体加速度继续上升至215g，但这时座椅(人体)由于吸能器作用加速度仍保持为18g，座椅(人体)运动滞后于车体，车体与座椅(人体)发生相对位移，这时车体与座椅(人体)的加速度(ac2,ay2)、速度(vc2,vy2)与位移(sc2,sy2)的运动方程如式(4)所示：

(4)

如图8中的虚线第二截。这一过程约2.75 ms时间，座椅在第一阶段与第二阶段由于初速为零，虽然加速度很大，但时间极短，其总运动位移约为3.16 mm。

3) 第三阶段(t2=3.0 ms≤t≤t3=6.0 ms)，吸能器持续扩展，冲击波消失阶段

在第三阶段，车体加速度由最大值215g逐渐下降至0g，但车体与座椅(人体)速度继续增加，座椅(人体)速度达到最大值。车体与座椅(人体)的加速度(ac3,ay3)、速度(vc3,vy3)与位移(sc3,sy3)的运动方程如式(5)所示，其运动曲线见图9中3.0～5.748 ms阶段部分曲线。

(5)

从图9中可见，此时车体运动的速度达到6.33 m/s，座椅(人体)的速度达到0.793 m/s，两者之间的相对速度达到最大值；车体与座椅(人体)的相对位移达到16.7 mm。

图9 第三阶段地雷爆炸座椅(人体)与 车体相对运动曲线Fig.9 Curve of the third stage curve of the relative motion between the seat (human body) and the vehicle body when a mine explodes

4) 第四阶段(t3=6.0 ms≤t≤t4=35.7 ms)，车体做自由落体减速运动至与座椅运动同步

此阶段车体加速度为-g，在第三阶段末，车体以6.33 m/s的初速度继续上冲，但座椅(人体)与车体之间相对运动继续，两者之间的相对速度不断减小，但两者之间的距离仍不断拉大，当t=t4=35.7 ms时，当两者速度相等时，吸能器吸能结束，此时两者同步速度为6.03 m/s，距离将达到98.8 mm，并将继续保持此恒定值。此阶段车体与座椅(人体)加速度(ac4,ay4)、速度(vc4,vy4)与位移(sc4,sy4)的运动方程如式(6)所示，其曲线如图10。

(6)

图10 第四阶段地雷爆炸座椅或人体 与车体相对运动曲线Fig.10 Curve of the fourth stage curve of the relative motion between the seat (human body) and the vehicle body when a mine explodes

5) 第五阶段(t4=35.7 ms≤t≤t5=651 ms)，座椅与车体速度相等时刻同步运动至最高点

在第五阶段，座椅(人体)与车体以相等速度6.03 m/s的初速继续上冲，当t=t4=651 ms时，车体与座椅(人体)两者同步运动至最高点，此时两者速度均降为零，车体飞离地面最高高度Hmax=2.06 m，座椅(人体)与车体之间的距离仍保持98.8 mm。此时车体与座椅(人体)的加速度(ac4,ay4)、速度(vc4,vy4)与位移(sc4,sy4)的运动方程如式(7)所示，第五阶段座椅(人体)与车体相对运动曲线见图11中t4=35.7 ms≤t≤t5=651 ms时间段部分。

(7)

图11 第五阶段地雷爆炸座椅(人体) 与车体相对运动曲线Fig.11 Curve of the fifth stage curve of the relative motion between the seat (human body) and the vehicle body when a mine explodes

此阶段车体加速度为-g，但车体与座椅(人体)以0初速度做自由落体运动，乘员与座椅相对车体无运动，两者继续保持98.8 mm相对位移，同步运动至t6时刻，车体或车轮落地，进入第二波跌落冲击过程。车体与座椅(人体)的运动方程如式(8)所示：

(8)

相应曲线见图12中651 ms≤t≤1.299 s时间段内的曲线。

图12 第六阶段地雷爆炸座椅(人体) 与车体相对运动曲线Fig.12 Curve of the sixth stage curve of the relative motion between the seat (human body) and the vehicle body when a mine explodes

5 抗爆效果评价及优化建议

从上述分析可见，当取技术指标中的冲击峰值与脉冲时间的中位值作为冲击输入值时，抗爆行程基本满足100 mm的抗爆行程要求。但当冲击输入取指标的高位值(即加速度脉冲幅值230g、脉冲宽度7 ms的三角波)时，按上述同样方法计算其抗爆行程为154.3 mm，其结果将发生座椅直接触底，引起座椅的二次冲击，导致人体的二次冲击受伤。事实表明，第二次冲击引起的二次效应是美伊战斗中导致美军士兵伤亡的主要因素[17]，

实际上，从图13所示的人体坐姿着陆冲击载荷的耐受曲线[18]与第2节提出的防爆座椅耐冲击三角脉冲时间(7 ms)的冲击来看，座椅及人体承受的冲击峰值处于35g以下时，均处于安全区，而该型车辆提出的座椅抗爆指标为18g，不仅明显过于保守，还会因此造成座椅在抗爆过程中直接触底，导致更大的二次冲击损伤。因此，该型车辆防爆座椅指标设计既不合理、也不科学。因此，建议适当提高座椅及人体的耐冲击限值，不仅能在保证安全的情况下，有效改善座椅触底的不利状况，还给第二波冲击留出部分抗爆行程，提高防爆座椅的综合防护效果。

图13 人体对坐姿着陆冲击过载(+g)的耐受曲线Fig.13 Tolerance curve of human body to impact overload (+g) of sitting landing

因篇幅有限，坦克装甲车辆防爆座椅抗爆标准及具体的指标优化方法将另文阐述。

6 结论

研究表明，该单位提出的某型装甲车辆乘载员座椅防地雷爆炸抗爆防护指标只能满足中位冲击输入的抗爆要求，但当冲击输入取冲击输入的高位值时，座椅将会发生触底，这将引起二次效应与更大的伤亡。建议适当提高座椅及人体的耐冲击限值，这样不仅能在保证安全的情况下有效克服座椅触底的不利状况，并能给第二波冲击留出部分抗爆行程，提高防爆座椅的综合防地雷爆炸防护效果。