裝甲車防爆座椅抗爆指標(biāo)合理性研究與建議(軍用車輛乘載員防地雷爆炸減振抗爆座椅設(shè)計(jì)研究系列二)

汪國(guó)勝,曹 宇,張偉杰,周少峰,劉亞青

(1.中國(guó)北方車輛研究所 推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)部, 北京 100072; 2.湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201; 3.中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 太原 030051)

1 引言

地雷與簡(jiǎn)易爆炸物是坦克裝甲車輛的主要威脅之一，隨著對(duì)戰(zhàn)斗人員生命重視程度的提高，裝甲車輛乘載員防地雷爆炸防護(hù)座椅(下文簡(jiǎn)稱防爆座椅)設(shè)計(jì)成為坦克裝甲車輛設(shè)計(jì)中越來越重要的工作[1-4]。

國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及專家學(xué)者針對(duì)防爆座椅開展了大量研究[5-7]。Tabiei等[8]設(shè)計(jì)了一款防爆座椅，該座椅可通過彈簧減振器和吸能元件吸收爆炸沖擊能量，保護(hù)乘載員生命安全，并通過有限元仿真分析了座椅的防護(hù)性能。張強(qiáng)等[9]分析了裝甲車輛懸吊式防爆座椅的各項(xiàng)性能，提出了懸吊式防爆座椅的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。李成西等[10]對(duì)減振防爆座椅懸架和安全氣囊防護(hù)性能進(jìn)行了仿真分析，并對(duì)座椅進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)一步減小了爆炸沖擊對(duì)軍用車輛承載員帶來的損傷。徐博等[11]對(duì)兩級(jí)防爆座椅懸架開展參數(shù)優(yōu)化，利用PID控制算法實(shí)現(xiàn)座椅懸架控制，并通過動(dòng)力學(xué)仿真分析了懸架座椅的防護(hù)性能。磁流變減振器具備優(yōu)良快速的變阻尼與易可控性能，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)軍用車輛乘員磁流變體隔振器及座椅設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化、控制算法等方面進(jìn)行了深入研究，取得了較為理想的研究成果[12-14]。

近十年來，隨著對(duì)裝甲車輛人機(jī)環(huán)境的逐漸重視，國(guó)內(nèi)也結(jié)合新型號(hào)車輛的研制，首次開展了防爆座椅研制工作，并針對(duì)某些重點(diǎn)型號(hào)車輛開展了競(jìng)標(biāo)優(yōu)選工作[15-16]。但由于國(guó)內(nèi)在防爆炸座椅方面的研究基礎(chǔ)極其薄弱，防爆座椅抗爆指標(biāo)確定缺乏同類產(chǎn)品指標(biāo)參考依據(jù)，只能借鑒其他裝備座椅指標(biāo)，導(dǎo)致在首次開展的某型裝甲車防爆座椅二輪競(jìng)標(biāo)均未達(dá)到理想結(jié)果。針對(duì)國(guó)內(nèi)某型裝甲車輛防爆座椅競(jìng)標(biāo)結(jié)果不理想問題，我們開展了相關(guān)的防爆座椅抗爆指標(biāo)研究，提出基于最小抗爆行程逆向設(shè)計(jì)方法，對(duì)該型車輛防爆座椅指標(biāo)合理性進(jìn)行了分析，得到了該型車輛防爆座椅二輪競(jìng)標(biāo)結(jié)果不理想的技術(shù)原因。再結(jié)合人體坐姿耐沖擊限值，提出在保證人體處于安全的前提下，可以適應(yīng)增大座椅耐沖擊限值的防爆座椅抗爆指標(biāo)的優(yōu)化建議，為國(guó)內(nèi)軍用車輛防爆座椅工程設(shè)計(jì)提供了方向性指導(dǎo)。

2 某型裝甲車防地雷爆炸防護(hù)座椅設(shè)計(jì)指標(biāo)

由于國(guó)內(nèi)是首次對(duì)裝甲車輛防地雷爆炸防護(hù)座椅提出設(shè)計(jì)要求，限于國(guó)內(nèi)在裝甲車輛防爆座椅防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的研究基礎(chǔ)空白，國(guó)內(nèi)某單位參考國(guó)內(nèi)外航空抗墜毀座椅設(shè)計(jì)指標(biāo)，按照沖擊能量相等的原則，提出了下述裝甲車輛乘載員座椅防地雷爆炸抗爆防護(hù)指標(biāo)：

1) 乘載員座椅緩沖行程≤100 mm；

2) 座椅經(jīng)過垂直跌落臺(tái)架試驗(yàn)，能夠承受輸入加速度脈沖幅值200～230g、脈沖寬度5～7 ms的三角波(用于模擬爆炸沖擊波對(duì)座椅的沖擊)沖擊載荷，模擬假人(Hybrid Ⅲ假人)腰椎部位加速度值≤18g或假人替代物動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算值DRIz≤17.7[15]；

3) 座椅主結(jié)構(gòu)無坍塌、不斷裂，安全帶及卡扣無破壞，沖擊緩沖裝置不發(fā)生危害乘載員安全的現(xiàn)象。

3 裝甲車防地雷爆炸防護(hù)座椅典型抗爆結(jié)構(gòu)及抗爆力學(xué)性能

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外坦克裝甲車輛防地雷爆炸座椅有2種典型抗爆結(jié)構(gòu)。一種是如圖1所示的吊帶式座椅，它懸吊于車體頂甲板上，依靠車體與吊帶對(duì)沖擊的緩沖作用防止地雷爆炸導(dǎo)致的瞬態(tài)巨幅沖擊對(duì)承載員造成傷害；另一種是如圖2所示的依靠專用吸能部件吸收爆炸沖擊能量實(shí)現(xiàn)緩沖瞬態(tài)巨幅沖擊。

圖1 吊帶式座椅圖Fig.1 Strap seat

圖2 基于翻轉(zhuǎn)管吸能型防爆座椅圖Fig.2 Anti-explosion seat based on flip tube energy absorption

試驗(yàn)表明，圖1所示的吊帶式防爆座椅適應(yīng)于對(duì)操作方便性要求不高的載員，對(duì)于操作便捷性要求較高的乘員大多采用圖2所示帶有專用吸能結(jié)構(gòu)的防爆座椅?；诜D(zhuǎn)管吸能型防爆座椅就是在安裝座與座椅之間安裝了1～2個(gè)如圖3所示的能正負(fù)翻轉(zhuǎn)的翻轉(zhuǎn)管關(guān)鍵部件。其工作原理如圖4所示，它依靠翻轉(zhuǎn)管翻轉(zhuǎn)過程中的破壞力實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)沖擊能量的耗散。

圖3 翻轉(zhuǎn)管吸能器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Flip tube energy absorber structure

圖4 吸能工作原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of energy absorption

從圖5翻轉(zhuǎn)管拉伸載荷曲線可知，其在拉伸翻轉(zhuǎn)過程中，阻抗力近似為恒定，這能使吸能器在抗爆過程中提供平穩(wěn)的阻抗力，能可靠地防止人體承受的沖擊加速度超限；還可在保證人體安全的前提下，使吸能器行程最短。這種基于恒力吸能的最小行程抗爆運(yùn)動(dòng)規(guī)律在坦克艙室有限行程內(nèi)能最大程度上避免座椅抗爆觸底而使人體受到二次沖擊損傷。這也是國(guó)內(nèi)外大量的直升機(jī)抗墜毀座椅采用翻轉(zhuǎn)管作為恒力吸能關(guān)鍵器件的原因?；诖藘?yōu)點(diǎn)，本文采用這種基于恒力吸能的空間檢驗(yàn)第二節(jié)中國(guó)內(nèi)某單位提出的防地雷爆炸防護(hù)座椅設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理性與科學(xué)性。

4 人體沖擊防護(hù)安全空間的估算

4.1 基本假設(shè)

在進(jìn)行人體沖擊防護(hù)安全空間的估算前首先進(jìn)行如下假設(shè)：

1) 座椅及人體由于安全帶可靠約束，可視為做一體同步運(yùn)動(dòng)，其質(zhì)量均可計(jì)入m中;

2) 車輛遭遇地雷爆炸后，車輛垂直炸飛并垂直降落，在此過程中人體保持垂直坐姿；

3) 選取上述基于恒力吸能的最小行程抗爆運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并確定其抗爆指標(biāo)為模擬假人腰椎部位加速度值≤18g；

4) 遭遇地雷爆炸后，防爆座椅主結(jié)構(gòu)及安裝部位在遭遇地雷爆炸時(shí)未被損壞，地雷爆炸過程中，座椅所有結(jié)構(gòu)(坐墊及座椅骨架)吸收的沖擊能量太小，可忽略不計(jì)。

圖5 靜力拉伸載荷曲線Fig.5 Static tensile load curve

4.2 乘員座椅的抗爆物理模型

參考第2節(jié)提出的座椅抗爆指標(biāo)，先按沖擊輸入的中位值(即加速度脈沖幅值215 g、脈沖寬度6 ms的三角波)確定座椅的抗爆行程。沖擊輸入時(shí)間歷程變化見式(1)，其近似曲線如圖6。

(1)

式中:ai為座椅安裝座部位沖擊波加速度；t為三角波脈沖時(shí)間歷程。

圖6 地雷爆炸時(shí)座椅安裝座部位沖擊波曲線Fig.6 Shock wave curve of seat mounting part during mine explosion

坦克裝甲車輛座椅系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)系統(tǒng)，在初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行全尺寸仿真分析存在較大困難。為了簡(jiǎn)化分析模型，把座椅系統(tǒng)簡(jiǎn)化為如圖7所示的簡(jiǎn)單抗爆系統(tǒng)，則座椅及人體受力F及加速度a關(guān)系如式(2)所示:

ma=F

(2)

式中:m為座椅及人體的質(zhì)量和，其中人體質(zhì)量m1≈75 kg，座椅質(zhì)量m2≈15 kg，兩者共計(jì)m=m1+m2≈90 kg；F為車體通過抗爆吸能器傳遞至座椅的垂直作用力，N；a為座椅(人體)的沖擊加速度，m/s2。

圖7 座椅抗爆系統(tǒng)物理模型示意圖Fig.7 Physical model of seat anti-explosion system

4.3 抗爆過程中座椅與人體運(yùn)動(dòng)過程分析

以技術(shù)指標(biāo)中的座椅加速度18g為安全限值，分析第一波沖擊時(shí)間歷程內(nèi)車體與人體加速度、速度與位移的變化規(guī)律、達(dá)到的行程與歷程時(shí)間。

1) 第一階段(0≤t≤t1=18g/71.667g=0.251 2 ms)，同步運(yùn)動(dòng)

如圖8所示。地雷爆炸后，車體加速度在瞬間內(nèi)劇增，但座椅(人體)加速度還沒有加速到吸能器的啟動(dòng)載荷(設(shè)置吸能器啟動(dòng)載荷為人體與座椅達(dá)到18g加速度值時(shí)吸能器承受的值)對(duì)應(yīng)加速度值(18g)，其所受的載荷小于吸能裝置啟動(dòng)載荷，吸能裝置不啟動(dòng)，車體與座椅之間沒有發(fā)生相對(duì)位移，車體與座椅(人體)的加速度(ac1,ay1)、速度(vc1,vy1)與位移(sc1,sy1)的運(yùn)動(dòng)方程如式(3)所示：

(3)

圖8 第一與第二階段地雷爆炸座椅(人體) 與車體相對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線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

其曲線如圖8中的虛線第一截，此時(shí)座椅(人體)隨車體一起同步運(yùn)動(dòng)階段，兩者加速度相同，這一過程持續(xù)時(shí)間約為0.251 2 ms，座椅(人體)與車體地起運(yùn)動(dòng)的位移約為0.001 86 mm。

2) 第二階段(t1=0.251 2 ms≤t≤t2=3.0 ms)，吸能器啟動(dòng)

地雷爆炸后，車體加速度在瞬間內(nèi)劇增至最大值215g，座椅(人體)經(jīng)過瞬態(tài)加速后其加速度逐步增大至吸能器的啟動(dòng)載荷對(duì)應(yīng)的加速度值(18g)，其所受的載荷達(dá)到吸能裝置啟動(dòng)載荷，吸能裝置啟動(dòng)。此時(shí)車體加速度繼續(xù)上升至215g，但這時(shí)座椅(人體)由于吸能器作用加速度仍保持為18g，座椅(人體)運(yùn)動(dòng)滯后于車體，車體與座椅(人體)發(fā)生相對(duì)位移，這時(shí)車體與座椅(人體)的加速度(ac2,ay2)、速度(vc2,vy2)與位移(sc2,sy2)的運(yùn)動(dòng)方程如式(4)所示：

(4)

如圖8中的虛線第二截。這一過程約2.75 ms時(shí)間，座椅在第一階段與第二階段由于初速為零，雖然加速度很大，但時(shí)間極短，其總運(yùn)動(dòng)位移約為3.16 mm。

3) 第三階段(t2=3.0 ms≤t≤t3=6.0 ms)，吸能器持續(xù)擴(kuò)展，沖擊波消失階段

在第三階段，車體加速度由最大值215g逐漸下降至0g，但車體與座椅(人體)速度繼續(xù)增加，座椅(人體)速度達(dá)到最大值。車體與座椅(人體)的加速度(ac3,ay3)、速度(vc3,vy3)與位移(sc3,sy3)的運(yùn)動(dòng)方程如式(5)所示，其運(yùn)動(dòng)曲線見圖9中3.0～5.748 ms階段部分曲線。

(5)

從圖9中可見，此時(shí)車體運(yùn)動(dòng)的速度達(dá)到6.33 m/s，座椅(人體)的速度達(dá)到0.793 m/s，兩者之間的相對(duì)速度達(dá)到最大值；車體與座椅(人體)的相對(duì)位移達(dá)到16.7 mm。

圖9 第三階段地雷爆炸座椅(人體)與 車體相對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線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) 第四階段(t3=6.0 ms≤t≤t4=35.7 ms)，車體做自由落體減速運(yùn)動(dòng)至與座椅運(yùn)動(dòng)同步

此階段車體加速度為-g，在第三階段末，車體以6.33 m/s的初速度繼續(xù)上沖，但座椅(人體)與車體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)繼續(xù)，兩者之間的相對(duì)速度不斷減小，但兩者之間的距離仍不斷拉大，當(dāng)t=t4=35.7 ms時(shí)，當(dāng)兩者速度相等時(shí)，吸能器吸能結(jié)束，此時(shí)兩者同步速度為6.03 m/s，距離將達(dá)到98.8 mm，并將繼續(xù)保持此恒定值。此階段車體與座椅(人體)加速度(ac4,ay4)、速度(vc4,vy4)與位移(sc4,sy4)的運(yùn)動(dòng)方程如式(6)所示，其曲線如圖10。

(6)

圖10 第四階段地雷爆炸座椅或人體 與車體相對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線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) 第五階段(t4=35.7 ms≤t≤t5=651 ms)，座椅與車體速度相等時(shí)刻同步運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)

在第五階段，座椅(人體)與車體以相等速度6.03 m/s的初速繼續(xù)上沖，當(dāng)t=t4=651 ms時(shí)，車體與座椅(人體)兩者同步運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)，此時(shí)兩者速度均降為零，車體飛離地面最高高度Hmax=2.06 m，座椅(人體)與車體之間的距離仍保持98.8 mm。此時(shí)車體與座椅(人體)的加速度(ac4,ay4)、速度(vc4,vy4)與位移(sc4,sy4)的運(yùn)動(dòng)方程如式(7)所示，第五階段座椅(人體)與車體相對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線見圖11中t4=35.7 ms≤t≤t5=651 ms時(shí)間段部分。

(7)

圖11 第五階段地雷爆炸座椅(人體) 與車體相對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線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

此階段車體加速度為-g，但車體與座椅(人體)以0初速度做自由落體運(yùn)動(dòng)，乘員與座椅相對(duì)車體無運(yùn)動(dòng)，兩者繼續(xù)保持98.8 mm相對(duì)位移，同步運(yùn)動(dòng)至t6時(shí)刻，車體或車輪落地，進(jìn)入第二波跌落沖擊過程。車體與座椅(人體)的運(yùn)動(dòng)方程如式(8)所示：

(8)

相應(yīng)曲線見圖12中651 ms≤t≤1.299 s時(shí)間段內(nèi)的曲線。

圖12 第六階段地雷爆炸座椅(人體) 與車體相對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線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 抗爆效果評(píng)價(jià)及優(yōu)化建議

從上述分析可見，當(dāng)取技術(shù)指標(biāo)中的沖擊峰值與脈沖時(shí)間的中位值作為沖擊輸入值時(shí)，抗爆行程基本滿足100 mm的抗爆行程要求。但當(dāng)沖擊輸入取指標(biāo)的高位值(即加速度脈沖幅值230g、脈沖寬度7 ms的三角波)時(shí)，按上述同樣方法計(jì)算其抗爆行程為154.3 mm，其結(jié)果將發(fā)生座椅直接觸底，引起座椅的二次沖擊，導(dǎo)致人體的二次沖擊受傷。事實(shí)表明，第二次沖擊引起的二次效應(yīng)是美伊戰(zhàn)斗中導(dǎo)致美軍士兵傷亡的主要因素[17]，

實(shí)際上，從圖13所示的人體坐姿著陸沖擊載荷的耐受曲線[18]與第2節(jié)提出的防爆座椅耐沖擊三角脈沖時(shí)間(7 ms)的沖擊來看，座椅及人體承受的沖擊峰值處于35g以下時(shí)，均處于安全區(qū)，而該型車輛提出的座椅抗爆指標(biāo)為18g，不僅明顯過于保守，還會(huì)因此造成座椅在抗爆過程中直接觸底，導(dǎo)致更大的二次沖擊損傷。因此，該型車輛防爆座椅指標(biāo)設(shè)計(jì)既不合理、也不科學(xué)。因此，建議適當(dāng)提高座椅及人體的耐沖擊限值，不僅能在保證安全的情況下，有效改善座椅觸底的不利狀況，還給第二波沖擊留出部分抗爆行程，提高防爆座椅的綜合防護(hù)效果。

圖13 人體對(duì)坐姿著陸沖擊過載(+g)的耐受曲線Fig.13 Tolerance curve of human body to impact overload (+g) of sitting landing

因篇幅有限，坦克裝甲車輛防爆座椅抗爆標(biāo)準(zhǔn)及具體的指標(biāo)優(yōu)化方法將另文闡述。

6 結(jié)論

研究表明，該單位提出的某型裝甲車輛乘載員座椅防地雷爆炸抗爆防護(hù)指標(biāo)只能滿足中位沖擊輸入的抗爆要求，但當(dāng)沖擊輸入取沖擊輸入的高位值時(shí)，座椅將會(huì)發(fā)生觸底，這將引起二次效應(yīng)與更大的傷亡。建議適當(dāng)提高座椅及人體的耐沖擊限值，這樣不僅能在保證安全的情況下有效克服座椅觸底的不利狀況，并能給第二波沖擊留出部分抗爆行程，提高防爆座椅的綜合防地雷爆炸防護(hù)效果。