模拟爆炸冲击载荷的防雷座椅跌落试验研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:作者简介:傅耀宇()男(蒙古)硕士高级工程师:.通信作者:周云波()男博士副教授:.:./.模拟爆炸冲击载荷的防雷座椅跌落试验研究傅耀宇牛善田闫际宇周云波张 明(.部队南京.南京理工大学 南京)摘要:为提升乘员防护水平解决实车爆炸防护试验存在的不足探讨了通过跌落试验模拟评估防雷座椅性能的方法 利用近似半正弦脉冲模拟爆炸冲击载荷借助加速度峰值和速度变化量与假人损伤之间的相关性分析了车辆底部爆炸冲击载荷的影响程度完成了模拟爆炸跌落试验台的总体设计通过.跌落试验与特定爆炸冲击的对比验证了防雷座椅吸能行程和假人盆骨加速度、头部合成加速度、颈部轴向力等响应的吻合性 结果表明:跌落试验在误差允许范围内可以较好实现对车辆底部爆炸工况下防雷座椅运动响应和假人损伤响应的模拟关键词:防雷座椅爆炸冲击波形模拟跌落试验乘员防护本文引用格式:傅耀宇牛善田闫际宇等.模拟爆炸冲击载荷的防雷座椅跌落试验研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引言车辆底部爆炸所产生的巨大爆炸冲击载荷将导致车体瞬态垂向加速和主要结构变形易造成车内乘员盆骨和脊柱等部位损伤威胁乘员生命安全已成为战场上导致车内乘员伤亡的主要因素 为有效解决和减少车辆底部爆炸冲击造成的伤害车内配备具有缓冲吸能作用的防雷座椅已成为提升车内乘员生存能力的重要措施 因此加强车辆底部爆炸环境下的防雷座椅试验研究对于提升车辆装备乘员防护水平具有重要意义车辆底部爆炸冲击的实装试验虽具有真实再现贴合实际的优点但实装试验存在成本高、偶然性大以及难以重复的缺点 为解决这一问题国外相关专家学者率先开展了构建垂直跌落试验装置模拟爆炸冲击的相关研究如 等通过构建特定的跌落试验台完成了多型防雷座椅的乘员防护性能试验与数据分析但是测试设置较为复杂使试验数据具有一定的局限性对跌落试验台的脉冲调整器进行了研究分析发现利用橡胶弹性体作为脉冲调整器可有效降低试验成本但是没有进行大量重复试验来确定材料的使用寿命 等评价了跌落试验与爆炸环境下防雷座椅对人员防护的异同点指出了跌落试验方法评估防雷座椅的固有局限性 国内对防雷座椅的跌落试验也开展了一定研究任佳等提出了装甲车座椅模拟防雷冲击的跌落试验方法并针对性提出了适用于防雷座椅台架试验的波形模拟方法但跌落姿态的变化会造成冲击波形脉宽的变化影响试验结果王国江等探究了隔断型军用车辆防雷座椅的跌落试验总体上国内对防雷座椅的跌落试验研究还处于起步阶段缺乏相关的标准和规范在防雷座椅跌落试验中如何模拟和实现冲击仍一个有待研究解决的现实问题为提升乘员防护水平解决实车爆炸防护试验存在的不足探讨了通过跌落试验模拟评估防雷座椅性能的方法提出了将实际爆炸冲击载荷的影响程度转化为加速度峰值和速度变化量与假人损伤之间相关性的观点设计了跌落试验台并系统总结了模拟爆炸冲击载荷的防雷座椅跌落试验方法为防雷座椅爆炸跌落试验与实车爆炸冲击下各响应参数的比较验证提供了可行性借鉴 冲击波形模拟和底部爆炸试验.冲击波形的模拟鉴于冲击引起系统振动的时域波形是十分复杂且不规则的为便于研究和分析在工程实践中通常将其视为规则波形的有效组合并通过适用的规则波形来模拟特定的冲击 鉴于此通过跌落试验获取规则的波形来模拟爆炸冲击载荷的是可行的 结合现有研究情况跌落试验台的脉冲调整器多采用蜂窝铝、橡胶或其他的弹性体 跌落冲击中易产生近似半正弦波且半正弦波形具有易于实现和控制的优点故采用近似半正弦脉冲来实现对爆炸冲击载荷的模拟.底部爆炸试验在如何表征和预测车辆底部爆炸冲击的影响程度和车内乘员的损伤程度方面通过采用加速度峰值 和速度变化量 两个爆炸参数来进行等效衡量 因此对于设定的任何爆炸工况其爆炸冲击均可以通过爆炸产生的加速度峰值和速度变化量来进行表征 进而车辆底部爆炸冲击载荷对乘员的影响分析可以转化为加速度峰值和速度变化量与假人损伤之间的相关性车辆底部爆炸试验流程规范和乘员损伤指标测量参考 标准 级实施 试验车辆的结构形式由某战术车辆车身及车架组成其底部左右两侧分别安装 型防雷组件并通过高强螺栓进行连接固定爆炸物地雷通过 炸药代替炸点位于试验车辆底部中心位置车辆底部爆炸试验前后防雷座椅状态分别如图 和图 所示 由图可见爆炸试验后防雷座椅骨架未发生外观变形、结构断裂以及功能失效等异常情况且在爆炸冲击载荷作用下缓冲元件的缓冲吸能行程约为 图 试验前防雷座椅状态.图 试验后防雷座椅状态及吸能行程变化.滤波后座椅安装点处的加速度曲线和积分速度信号曲线分别如图 和图 所示 鉴于爆炸冲击过程中一直存在应力波的影响故分析座椅安装点速度突增前后的加速度值不具有意义且座椅安装点加速度波形存在若干个波峰及波谷直接依据加速度传感器输出信号中的峰值来计算试验对象的整体加速度值通常是不可行的 根据图 座椅安装点积分速度在.傅耀宇等:模拟爆炸冲击载荷的防雷座椅跌落试验研究前和.后数值存在明显的突变故截取.期间的加速度和速度信号进行分析并去除其他时段信号截取后生成的曲线图像分别如图 和图 所示 可见速度从零到最大值的时间约为.加速度脉宽约为.速度变化量约为./由于从加速度曲线上无法确定一个加速度峰值大小根据速度变化量相同情况下的波形等效损伤理论将爆炸加速度等效成完全规则的半正弦波形并取其峰值作为爆炸冲击载荷的加速度峰值等效半正弦曲线的加速度峰值约为 如图 所示 根据截取后的加速度信号分析确定了车身传递给防雷座椅的输入载荷速度变化量约为./脉宽约为.加速度峰值约为 图 座椅安装点加速度曲线.图 座椅安装点积分速度曲线.图 截取的脉宽内加速度曲线.图 截取的脉宽内速度曲线.图 等效半正弦波形.跌落试验台总体结构设计跌落试验台的结构简图如图 所示其结构主要由跌落平台举升机构、跌落平台、防雷座椅及座椅安装架、假人及底部脉冲调整器等多个部件组成 其工作原理为通过机械、液压、电动等动力机构将固定有跌落试件的跌落平台举升至试验预设高度然后通过电动控制进行释放释放后跌落平台与跌落试件近似自由落体垂直向下跌落当其底部与脉冲调整器碰撞后在短时间内受到一个向上的冲击载荷并通过信号采集系统测试其承受的冲击载荷图 跌落试验台三维图.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 中阴影区域为跌落试验台地基该部分材质采用 的钢筋混凝土具有良好的整体稳定性 根据功能需求跌落试验台整体高度为.最大跌落高度可达.最大跌落高度产生的自由落体速度可达./底部支座通过螺栓固定在地面的钢板上底部支座上放置脉冲调整器跌落质量通过冲击脉冲调整器作用于底部支座上底部支座的材料同样为 合金工具钢 支撑台架顶部需放置举升机构举升机构需能够承载跌落质量 支撑台架的竖直梁采用 型钢、横梁采用槽钢竖直梁和横梁采用焊接方式连接 型钢底部与底座通过螺栓进行连接 型钢和槽钢材料为 强度极限为 屈服强度为 跌落试验台导轨数为 根导轨采用 系列光轴材料为 钢导套与光轴接触部件直接接触应具有一定的长度以防止跌落反弹中跌落平台发生非垂向位移从而引起较大的偏转力橡胶脉冲调整器参数如表 所示三维模型及尺寸如图 所示表 橡胶脉冲调整器参数 参数数值有效接触面积/.肖式硬度厚度/静刚度/().动刚度/().图 橡胶脉冲调整器三维模型及其尺寸.跌落试验中采用高 值的压阻式加速度传感器型号为 该传感器具有较好的频响范围且对安装和测量环境的要求不高 主要技术参数具体为灵敏度./测量的线性范围 冲击极限 在 范围精度可达到 适用温度 质量为.搭建的跌落试验台如图 所示 跌落试验中通过举升装置将跌落平台、假人及座椅系统从底部吊起至设定高度图 搭建的跌落试验台.模拟爆炸的跌落试验及结果分析.模拟爆炸的跌落试验由于跌落试验高度为.故先进行模拟爆炸冲击载荷的预先试验预先试验的跌落高度为.每次试验跌落高度递增.跌落质量依据跌落平台、假人座椅系统和相关连接件的总质量进行配重得到配重质量为 预先试验中不同跌落高度产生的速度变化量、等效半正弦加速度峰值、脉宽与爆炸试验响应值的对比情况如表 所示表 冲击载荷参数 跌落高度/速度变化量/()等效半正弦加速度峰值/脉宽/.爆炸试验.可见在进行跌落高度为.的预先试验中跌落冲击产生的速度变化量为./没有达到爆炸试验的速度变化量./在进行跌落高度为.的预先试验中跌落冲击产生的速度变化量为./大于爆炸试验的速度变化量./且该两次试验的峰值加速度十分接近误差为仅为 容差在 范围内脉宽在.内在进行跌落高度为.和.的预先试验中速度变化量相比爆炸冲击过大因此在实际防雷座椅和假人跌落试验中采用的跌落高度为.为真实模拟防雷座椅在在跌落冲击作用下的效果将防雷座椅按照与实车爆炸试验中相同的安装方式固定在跌落傅耀宇等:模拟爆炸冲击载荷的防雷座椅跌落试验研究平台上并通过举升装置将跌落平台升至.的跌落高度完成跌落试验如图 所示图 防雷座椅跌落试验图.加速度响应分析根据采集的.跌落试验加速度信号将其低通滤波并消除温度效应实测加速度曲线、积分速度曲线以及等效半正弦曲线如图 所示图 跌落试验曲线.跌落试验的冲击载荷参数(等效半正弦加速度峰值、脉宽和速度变化量)与底部爆炸试验冲击载荷的对比结果如表 所示 可见跌落试验中的速度变化量为./脉宽为.等效半正弦加速度峰值为 即各参数均贴近底部爆炸试验的各参数结果表 跌落与爆炸试验冲击载荷对比 等效半正弦加速度峰值/脉宽/速度变化量/()跌落试验.爆炸试验.防雷座椅和假人响应分析跌落试验后防雷座椅状态与车辆底部爆炸试验后防雷座椅状态一致其骨架未发生外观变形、结构断裂以及功能失效等异常情况 其中跌落冲击作用下防雷座椅缓冲元件的缓冲吸能行程约为.略大于在实车底部爆炸冲击作用下的缓冲吸能行程 两者误差为.如图 所示图 吸能行程对比.无论实车底部爆炸工况还是跌落工况作用于防雷座椅的冲击载荷均主要为垂向冲击因此假人损伤响应主要从盆骨加速度和、头部合成加速度和、颈部轴向力 个参数进行对比分析盆骨加速度在实车底部爆炸工况和跌落工况下的脉冲历程分别如图 和图 所示图 盆骨加速度曲线对比.图 盆骨 曲线对比.根据数据可见盆骨加速度的爆炸工况试验曲线与跌落工况试验曲线吻合性较好爆炸工况的加速度峰值为.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./跌落工况的加速度峰值为.误差为.根据乘员损伤 计算公式求得爆炸工况和跌落工况中假人 值分别为.和.误差为.实车底部爆炸试验与跌落试验中假人头部三向合成加速度曲线如图 所示 由图可知爆炸试验和跌落试验所得的头部合成加速度曲线吻合性较好爆炸试验和跌落试验且测得的头部合成加速度峰值分别为 和.两者峰值误差为.根据乘员头部损伤标准 计算公式将两条曲线积分得到 实车底部爆炸工况下试验值为.跌落工况下试验值为.误差为.图 头部合成加速度曲线对比.实车底部爆炸试验与跌落试验中假人颈部轴向力的对比结果如图 所示 由图 可得颈部轴向力爆炸试验曲线与跌落试验曲线趋势吻合性较好实车爆炸试验峰值为 跌落试验峰值为 峰值误差为.可见跌落试验中假人颈部轴向力结果与爆炸试验中的结果基本吻合图 颈部轴向力对比.由图 图 可以得出跌落过程存在多次回弹但与峰值相比其影响可不用考虑综上所述基于跌落试验台系统的防雷座椅跌落试验在一定误差允许范围内较好实现了跌落试验对爆炸试验下防雷座椅运动响应和假人的损伤响应的模拟 结论)提出了将实际爆炸冲击载荷的影响程度转化为加速度峰值和速度变化量与假人损伤之间相关性的观点确定了在跌落试验中利用脉冲调整器产生近似半正弦波形实现对爆炸载荷的模拟)设计了跌落试验台并总结了模拟爆炸冲击载荷的防雷座椅跌落试验方法)通过对.的跌落试验与爆炸试验等效半正弦加速度峰值对比分析以及假人损伤的响应对比分析验证了跌落试验台可以有效模拟爆炸冲击载荷参考文献:.():.罗鸣周云波张进成等.爆炸冲击作用时间差对盆骨和腰椎的损伤研究.爆炸与冲击():.():.李昊李大禹鲁超等.爆炸冲击下座椅底部防护性能改进及参数分析.科学技术与工程():.():.龚李施.爆炸环境下车内乘员约束系统分析与优化设计.南京:南京理工大学.: