0 引言
防雷座椅作为装甲车整车综合防地雷功能设计的重要组成部分,在车辆受到地雷和简易爆炸装置(improvised explosive device,IED)威胁时,为乘载员提供最直接的防护。基于人机工程学理论,强调人-机-环境的相互关系,人作为最重要的一个方面,防雷座椅研究目的为最大化地保证人的安全性、舒适性和工作效率[1],所以针对防雷座椅的抗冲击性能研究对减少爆炸冲击对人体损伤进而提高乘载员的生存率有着重要的意义[2]。因此,各国相继开展防雷座椅的设计和研究工作,也形成了一定的产品,如Autoflug公司的动态悬挂座椅、简科(Jankel)公司的爆炸衰减座椅、创造(Creation)公司的Blastech座椅等。在需求引导下,国内各单位也逐步开展防雷座椅的研究与设计,但研究基础还比较薄弱,仍处于设计指标探索与样机研制试验阶段,未形成成熟的产品。
对于尚处于样机研制与性能优化阶段的防雷座椅,需要形成一种有效、直观、可靠的试验方法,这对于我国防雷座椅动态性能测试与优化具有重要意义。结合国外研究经验,通过台架试验模拟爆炸冲击过程得到的结果与实爆试验结果非常接近[3-5]。在此基础上,国内一些机构建立了带导轨和机械波形发生器的台架试验设备,通过台架试验的方法代替实爆试验开展防雷座椅抗冲击性能的研究,并进行相关研究性试验。
防雷座椅抗冲击试验目的是检验防雷座椅在模拟冲击载荷作用下系统的工作能力,为座椅系统的研发、优化设计以及可靠性研究提供依据[6]。目前,试验参照北约军事组织制定的AEP-55[7]标准和美国汽车工程师学会制定的SAE J211-1-2003[8]标准开展,尚未形成完备的标准与规范,对于座椅动态性能的测量和评估方法仍处于试验与探索阶段,未形成完整的数据测试与处理方法。对于防雷座椅抗冲击试验,准确测量防雷座椅的动态性能参数,真实有效地反映座椅抗冲击性能,对于防雷座椅的性能研究具有重要的意义,为座椅的性能分析和优化提供前提条件。
因此,本研究中提出一种用于装甲车防雷座椅抗冲击试验的座椅性能参数测试与数据分析方法,并对方法的有效性和可行性进行论证。将该方法应用于多型号防雷座椅的具体的试验过程,以证明该方法的有效性。
1 防雷座椅抗冲击试验方法
由于跌落式冲击试验机的结构设计更适用于座椅抗爆炸冲击模拟试验[9-10],建立专用的跌落冲击试验台,通过波形发生器,以自由跌落的方式模拟爆轰波产生的冲击载荷,测试座椅产生的响应和人体的损伤程度,试验台的设计原理图如图1所示。
图1 试验系统原理图
Fig.1 Schematic diagram of test system
以带导轮的试验件固定安装框架与波形发生器碰撞产生的冲击加速度为系统输入,模拟爆轰波对防雷座椅的加载作用。综合AEP-55[7]试验标准与爆破试验中座椅系统的实测数据,将防雷座椅系统的输入冲击加速度确定为脉冲幅值190～210 g(以往试验采用210～230 g)、宽度5～7 ms的三角波形加速度脉冲,此时与地雷爆炸冲击波经装甲车车体和底板减振后加载于座椅系统的能量相当。根据爆轰波的特点以及受试系统与波形发生器碰撞接触的减速作用,采用半正弦波对爆轰波进行模拟,标准[11-12]中给出模拟波形的容差要求,如图2所示。
说明:A为冲击加速度峰值,D为冲击持续时间。
图2 脉冲波形及合格判据
Fig.2 Pulse waveform and acceptance criteria
按照图1所示的试验系统原理图,构建防雷抗冲击试验系统,简化原理模型,可得到碰撞冲击过程的力学模型简图,如图3所示。
图3 试验系统简化原理图
Fig.3 Simplified schematic of test system
图3中,m为落体系统(包括固定安装框架、导轮系统、座椅系统、连接接头、假人等)的总质量;H为跌落高度;k为波形发生器的刚度;c为波形发生器的阻尼;X(t)为波形发生器的形变;v0为落体系统与波形发生器碰撞时的瞬时速度。试验件落体系统在重力作用下从高度H下落,以一定跌落速度与波形发生器发生弹性碰撞达到最大响应。因为该过程在瞬间发生,在达到最大响应的过程中阻尼力不足以从结构中吸收能量,对结构响应的影响忽略不计,冲击力学模型可简化为单自由度振动系统。
假设波形发生器的刚度k是线性的,系统的动力学方程表达为
由初始条件t=0时,
求解微分方程可得
式中:
为系统固有频率; φ0=-arctg(g/ωv0)为初始相位角;
所以,冲击脉冲的加速度幅值可表示为
忽略初始相位φ0,可得冲击波形的脉冲宽度,即冲击加速度为零的值之间的冲击持续时间τ为
通过防雷座椅抗冲击试验方法的说明,可以看出,准确测量输入的冲击波形是试验的关键,在准确测量波形的基础上,形成座椅系统动态性能的测试与分析方法。
2 防雷座椅抗冲击试验测试系统
防雷座椅按照真实的装甲车舱内安装状态安装于固定安装框架内,固定安装框架冲击波形发生器后,产生冲击加速度,座椅系统产生响应,针对座椅动态性能参数,建立相关参数的测试方法,并根据测试需求构建试验测试系统。
2.1 防雷座椅性能参数
在装甲车遇到地雷爆炸时,防雷座椅在有限空间内需实现能量缓冲,避免人体撞击装甲车壁板,减小人体脊柱损伤,有效保护乘员的安全[13]。在给定的输入冲击载荷下,防雷座椅的抗冲击性能参数主要包括座椅缓冲行程和人体骨盆处的动态响应指数DRIz,通过测量结果分析防雷座椅的抗冲击性能。
此外,结合实际需求和车体内部空间,给出了防雷座椅抗冲击性能的试验合格判据,若不满足判据要求,乘载员在爆炸冲击过程中,身体可能会撞击装甲车的顶部、底板,脱离座椅保护,或造成严重的脊柱伤害,甚至危及生命安全。
防雷座椅能够承载输入加速度脉冲幅值190～210 g、脉冲宽度5～7 ms的三角波形冲击载荷,在此输入冲击载荷下,座椅的性能参数如表1所示。
表1 座椅试验合格判据
Table 1 Seat test qualification criteria
序号指标判据要求1缓冲行程不大于60 mm2假人动态响应计算值DRIz不大于17.73升降锁紧机构不失效4座椅主结构不坍塌、不断裂5安全带安全带及卡扣无破坏6冲击缓冲装置不危害乘载员安全
表1中,第1、2项为判定座椅抗冲击性能的量化分析力学指标,体现了座椅对乘载员的防护能力和人体损伤程度;第3～6项为结构设计的刚度及强度指标,反映了座椅在限制质量范围内的结构刚度/强度是否满足使用要求。
2.2 试验测试系统组成
通过对防雷座椅抗冲击性能参数的分析,可以获得防雷座椅抗冲击试验的测试参数。试验中,除了对两个重要性能参数的测量外,还需要测量输入冲击加速度,作为试验考核到位的依据。
因此,可以得到防雷座椅抗冲击试验的测量参数及测量方法,包括以下方面:
座椅缓冲行程:采用高速摄像系统拍摄的视频图像辅助计算,记录座椅座面骨架垂直方向的缓冲行程。
假人动态响应DRIz值:通过加速度传感器测量假人骨盆处的加速度值间接测量,加速度传感器安装于骨盆骨架处。
输入冲击加速度:通过加速度传感器直接测量,传感器粘贴在座椅安装框架底板上表面的中心位置
座椅安装框架跌落高度:通过安装在连接导向架/座椅安装框架与地面之间的位移传感器测量,以保证座椅安装框架具有相应的冲击初速度。
可以搭建防雷座椅抗冲击试验的测试系统,如图4所示。
图4 测试系统硬件构成
Fig.4 Hardware composition of test system
系统硬件主要包括位移传感器、加速度传感器、信号放大器、数据采集器、高速摄像机以及计算机等,测试系统硬件的具体规格和安装位置如表2所示。
表2 测试系统构成及安装
Table 2 Test system construction and installation
序号名称规格测量项目安装位置1加速度计750 g,符合JJG233—2008测量波形输入座椅安装框架底板中心位置2加速度计200 g,符合JJG233—2008测量假人骨盆处加速度假人骨盆钢架处3位移传感器量程:3 m精度:0.1%F.S测量落体系统高度导向装置与地面之间4高速摄像机10 000帧/s观测冲击作用下座椅和假人的行程座椅安装框架侧面位置5数据采集器采样率:100 kHz精度:0.5%F.S.数据采集/
3 试验测试与数据处理方法
通过构建的防雷座椅抗冲击试验测试系统,对试验输入冲击加速度及防雷座椅抗冲击动态性能参数进行测试,给出具体的测试方法和数据处理方法。
3.1 输入冲击加速度测试与处理
输入冲击加速度的测试结果直接反映出输入冲击波形,是试验数据合格有效的判据,相关标准中给出图2的情况作为输入要求,结合试验条件和实际情况,常取峰值±20 g和脉宽±1ms为试验容差要求。
输入冲击加速度测试时,将测试点选取为座椅安装框架底板上表面的中心位置,而且要避免座椅的主体结构触底造成传感器损坏,如图5所示。
图5 加速度计安装位置
Fig.5 Position of accelerometer
根据SAE J211-1-2003[8]标准要求,输入冲击加速度数据至少采用10 kHz的采样率获得(试验中采用100 kHz),并通过CFC1000对数据进行滤波,截止频率1 650 Hz。
调试时,通过在不同位置均安装传感器作为测试结果对比,测试结果一致性较好。此外,座椅安装框架在设计时考虑试验结果一致性问题,框架底板为厚度80 mm的钢板,其余为方管/方矩管结构,其重量主要集中在底板,以减小座椅安装后重心变化对试验结果造成的影响,保证测试的一致性和重复性。通过某型座椅试验,更换6台座椅进行试验,从同一高度跌落,加速度计安装位置不变,采集输入加速度结果,所有数据均采用100 kHz的采样率,根据标准均采用CFC1000进行滤波,其输入加速度波形重复性较好,如图6所示。
图6 输入加速度对比
Fig.6 Comparison of input accelerometer
如图6标注,选取每组数据极值的绝对值为输入加速度峰值,每组数据第一个波峰(最大波峰)的宽度为加速度脉宽。统计6次试验输入加速度的峰值与脉宽结果如表3所示,可以看出,在相同的投放条件下,所有数据结果均满足试验要求范围,峰值平均为197.5 g,脉宽平均为5.48 ms。
表3 冲击波形模拟结果
Table 3 Simulation results of impact waveform
项目峰值/g脉宽/ms1205.35.642199.65.363199.75.274193.45.475186.55.776200.45.38
3.2 座椅缓冲行程的测试与计算
防雷座椅的缓冲行程测试是反映座椅性能的重要参数,行程过小不能有效吸收冲击载荷产生的能量,行程过大则会造成座椅面触地,造成人员的二次损伤。
座椅缓冲行程采用高速摄像系统拍摄的视频图像辅助计算,记录座椅椅面骨架处在垂直方向的缓冲行程。高速摄像的座椅缓冲行程测试方式见图7。在座椅安装框架上选取刚性位置粘贴MARK标识作为参考点,在座椅椅面骨架上粘贴MARK标识作为跟踪点,通过图像计算跟踪点与参考点的相对位移,作为缓冲行程的测量结果。考虑椅面变形对测试结果的影响,跟踪点位置选取为乘载员臀部下方的位置,一般距离座面与靠背交点向前150 mm的位置。
图7 高速摄像测量位置
Fig.7 Measurement location of high-speed camera
获得位移视频图像后,通过专用的处理软件(处理界面如图8所示)可以实现相对位移数据在垂直方向和水平方向的输出,通过最低位置和起始位置求差值即可得到座椅缓冲行程。某型防雷座椅的缓冲行程求解曲线如图9所示。
图8 TIMA处理界面
Fig.8 GUI of TIMA
图9 缓冲行程求解曲线
Fig.9 Data curve of cushion
通过图9可以看出,在座椅安装框架接触波形发生器后,在假人和座椅主体的重力作用下,防雷座椅的缓冲器开始压缩,当达到最大行程后会出现反弹,通过反弹后的位移最高位置与最低位置求差值即可获得其反弹行程。正常情况下,由于能量的耗散反弹行程小于缓冲行程,现阶段对防雷座椅的考核时只考虑缓冲行程。
但是对于某些防雷座椅吸能装置设计与冲击能量不匹配的情况,如缓冲器设计刚度过大、缓冲器卡滞、椅面触地、椅面刚度过弱等,均会造成椅面反弹,使得反弹行程大于缓冲行程,如某型座椅的垂向位移曲线如图10所示。
图10 某座椅垂向位移曲线
Fig.10 Vertical displacement curve of a seat
通过图10可以看出,该型座椅在压缩过程中由于能量没有完全耗散为产生较大的反弹行程,明显大于缓冲行程。当反弹行程较大时,可能会产生乘载员头部触顶、身体撞击车内设计及二次冲击的情况,需要结合反弹行程进行座椅缓冲能力的评估。
3.3 DRIz值的测试与计算
动态响应指数(DRIz)通过建立垂直方向的腰椎伤害风险模型,对装甲车辆在受到地雷爆炸冲击后乘载员的伤害要概率进行评估,是考察防雷座椅抗爆炸冲击性能的关键参数,直接反映了防雷座椅对人体保护的情况。
DRIz通过加速度传感器测量假人骨盆处的垂向加速度值间接测量。试验中采用50分位Hybrid Ⅲ男性假人,加速度传感器安装于假人的骨盆骨架处。建立DRIz模型的运动方程为如式(4)所示[14-15];
式中:δ为脊柱相对于座椅的压缩位移;ζ=0.224为阻尼系数;ωn=52.9 rad/s人体纵轴向固有角速度;
为测量点的垂向冲击加速度。
通过式(4)计算脊柱相对于座椅的最大压缩位移δmax,进而根据式(5)求解DRIz值。
式中:g=9.8 m/s2为重力加速度;δmax为脊柱相对于座椅的最大压缩位移。
在获得垂向冲击加速度时,要对通过骨盆骨架处加速度计测得的加速度原始信号进行角度换算。因为座椅靠背调节设计和假人乘坐姿态,会造成骨盆骨架处加速度测量结果并非垂直方向加速度。若下落过程(下落过程认为是框架触及橡胶块前100 ms的自由落体过程)中骨盆骨架处测量加速度明显小于框架垂向加速度(约1 g),说明假人坐姿不处于垂直状态,通过将下落过程的加速度值换算成框架垂向加速度的方法,取下落过程的假人骨盆处加速度测量值的平均值为基准,认为是假人坐姿的夹角三角函数值,以此为基准对加速度数据进行角度换算处理,示意图如图11所示。
图11 假人坐姿垂直加速度换算示意图
Fig.11 Schematic diagram of sitting position vertical acceleration
可以看出,在通过求解式(4)的二阶微分方程获得δmax,进而求解DRIz值的过程中,加速度计获得的骨盆骨架处的加速度值作为方程的激励项,对DRIz计算非常重要。其滤波频率参照SAE J211-1-2003[8]标准中对试验信号采集与滤波的规定,国内未见相关滤波频率的讨论。在此,通过比较与分析对滤波频率对DRIz值计算结果的影响进行讨论。
在二阶微分方程的δ求解时,采用数值解法[16](Runge-Kutta法或Newmark-β法)进行,将加速度信号
分解为高频部分与低频部分,如式(6)所示,低通滤波可以认为是将截止频率以上的高频部分去掉,滤波频率的研究则是对高频信号与低频信号区分方法的讨论。
(6)
式中:aH为垂向冲击加速度的高频部分;aL为垂向冲击加速度的低频部分。
根据线性微分方程的叠加原理,分别通过高频部分aH和低频部分aL求解微分方程,进而求解DRIz值。当取截止频率FC=50 Hz时,通过高频信号和低频信号求解DRIz的结果如图12所示,能看出数据滤波频率的选取会影响DRIz的计算结果。
图12 高低频信号求解DRIz结果
Fig.12 DRIz solution under high and low frequency signals
根据香农采样定理[17],数据的采样频率需大于系统固有频率的2倍以上,考虑抗混叠滤波,工程上采样频率则要大于的固有频率的2.56倍,所以对于DRIz的求解,数据采样率(10 kHz)远大于采样定理的规定采样频率,滤波时FC≥135.424 Hz即可满足。分别选择率波频率为150、500、1 000和1 650 Hz,对比不同滤波频率对计算结果的影响,可得如图13所示的结果,可看出不同滤波频率得到的计算结果重合度较好。
图13 不同滤波频率求解DRIz结果
Fig.13 DRIz solution under different frequency signals
通过对图13的DRIz曲线极值部分局部放大,可以得到如图14所示的结果,不同滤波频率得到的DRIz曲线存在微小的相位移动,其峰值基本一致,计算结果如表4所示。滤波频率在150 Hz时,其DRIz计算加误差小于0.01%。
表4 不同滤波频率的DRIz结果
Table 4 Results of DRIz under different frequency
序号频率HzDRIz1150-21.346 82500-21.348 831 000-21.348 941 650-21.348 95未滤波-21.348 9
图14 不同滤波频率求解DRIz结果(极值放大)
Fig.14 DRIz solution under different frequency signals (amplify extreme value)
所以,求解DRIz时,假人骨盆骨架处的加速度在测量时,其采样率需满足采样定理要求,不需对原始数据进行滤波。
4 结论
本文根据装甲车防雷座椅的抗冲击试验需求,在已有台架试验方法的基础上,对试验测试方法及数据处理准则进行了完善与提升,提出了用于装甲车防雷座椅抗冲击试验的座椅性能参数测试与数据分析方法,提升了试验测试的准确性,提升了对防雷座椅抗冲击性能参数分析的准确性,并为多型号防雷座椅的研究提供了数据支撑。本文得出的结论如下:
1) 可通过台架试验获得防雷座椅的抗冲击性能,其座椅安装框架测得的加速度波形作为试验的输入,对试验的有效性和准确性非常关键,座椅缓冲行程和假人的DRIz值作为关键输出,对座椅的性能评估非常重要。
2) 输入冲击加速度,通过安装在座椅安装框架上表面的加速度计进行测量,并需要按照标准进行CFC1000滤波,以滤波后的数据作为冲击波形评估的依据,为了保证测试的结果的一致性,需尽可能增加框架底板的厚度。
3) 座椅缓冲行程测量时,通过高速摄像系统拍摄视频,再通过处理软件跟踪MARK标移动来辅助计算,MARK标位于假人乘坐位置正下方的座椅骨架处,其压缩行程和反弹行程对于座椅性能的评估均具有重要意义。
4) 假人DRIz值通过安装在假人骨盆骨架处的加速计测量值间接计算获得,加速度信号在测量时,需考虑假人坐姿对测试结果的影响,通过夹角换算获得垂直方向的加速度,在满足采样定理相关要求的采样率条件下,不需要对原始数据进行滤波。
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