0 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[1-2]。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[3]。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[4]。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Bosch等[5]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;Clendening[6]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;Cheng等[7]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[8]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[9]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。
1 冲击波形模拟和底部爆炸试验
1.1 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[10-12]。
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[13-14],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。
1.2 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Gpeak和速度变化量ΔV两个爆炸参数来进行等效衡量[15]。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AEP-55标准2b级实施[16]。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V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6 kg TNT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1和图2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11 cm。
图1 试验前防雷座椅状态
Fig.1 Anti-shock seat status before test
图2 试验后防雷座椅状态及吸能行程变化
Fig.2 Changes of anti-shock seat status and energy absorption stroke after test
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3和图4所示。
图3 座椅安装点加速度曲线
Fig.3 Acceleration curve of seat mounting point
图4 座椅安装点积分速度曲线
Fig.4 Integral speed curve of seat mounting point
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[17]。根据图4,座椅安装点积分速度在13.5 ms前和18.6 ms后数值存在明显的突变,故截取13.5～18.6 ms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5和图6所示。可见,速度从零到最大值的时间约为5.1 ms,加速度脉宽约为5.1 ms,速度变化量约为7.13 m/s。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[8],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224g,如图7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7.13 m/s,脉宽约为5.1 ms,加速度峰值约为224g。
图5 截取的脉宽内加速度曲线
Fig.5 Acceleration curve in pulse width intercepted
图6 截取的脉宽内速度曲线
Fig.6 Cut-off velocity curve in pulse width
图7 等效半正弦波形
Fig.7 Equivalent half-sinusoidal waveform
2 跌落试验台总体结构设计
跌落试验台的结构简图如图8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8 跌落试验台三维图
Fig.8 Three-dimensional picture of drop test stand
图8中阴影区域为跌落试验台地基,该部分材质采用4 m×4 m×2 m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7.8 m,最大跌落高度可达4.5 m,最大跌落高度产生的自由落体速度可达9.3 m/s。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28CrNiMoV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H型钢、横梁采用槽钢,竖直梁和横梁采用焊接方式连接,H型钢底部与底座通过螺栓进行连接。H型钢和槽钢材料为Q235A,强度极限为390 MPa,屈服强度为235 MPa。跌落试验台导轨数为4根,导轨采用SF60系列光轴,材料为45#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1所示,三维模型及尺寸如图9所示。
表1 橡胶脉冲调整器参数
Table 1 Rubber pulse regulator parameters
参数数值有效接触面积/m30.096肖式硬度Hs55厚度/mm20静刚度/(N·m-1)1.43×108动刚度/(N·m-1)1.86×108
图9 橡胶脉冲调整器三维模型及其尺寸
Fig.9 Three-dimensional model and dimensions of rubber pulse regulator
跌落试验中采用高g值的压阻式加速度传感器,型号为Endevco 727-20k。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0.01 mV/g,测量的线性范围20 000g,冲击极限30 000g,在0～50 000 Hz范围精度可达到±5%,适用温度0～70 ℃,质量为0.3 g。
搭建的跌落试验台,如图10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10 搭建的跌落试验台
Fig.10 Drop test stand built
3 模拟爆炸的跌落试验及结果分析
3.1 模拟爆炸的跌落试验
由于跌落试验高度为1.46～1.67 m,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1.4～1.7 m,每次试验跌落高度递增0.1 m,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500 kg。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2所示。
表2 冲击载荷参数
Table 2 Impact load parameters
跌落高度/m速度变化量/(m·s-1)等效半正弦加速度峰值/g脉宽/T1.46.981985.51.57.242145.41.67.472265.31.77.712345.3爆炸试验7.132245.1
可见,在进行跌落高度为1.4 m的预先试验中,跌落冲击产生的速度变化量为6.98 m/s,没有达到爆炸试验的速度变化量7.13 m/s;在进行跌落高度为1.5 m的预先试验中,跌落冲击产生的速度变化量为7.24 m/s,大于爆炸试验的速度变化量7.13 m/s,且该两次试验的峰值加速度十分接近,误差为仅为4%,容差在15%范围内,脉宽在5.1±0.5 ms内;在进行跌落高度为1.6 m和1.7 m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1.5 m。
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平台上,并通过举升装置将跌落平台升至1.5 m的跌落高度,完成跌落试验,如图11所示。
图11 防雷座椅跌落试验图
Fig.11 Lightning protection seat drop test drawing
3.2 加速度响应分析
根据采集的1.5 m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12所示。
图12 跌落试验曲线
Fig.12 Drop test curve
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3所示。可见,跌落试验中的速度变化量为7.21 m/s,脉宽为5.4 ms,等效半正弦加速度峰值为214g,即各参数均贴近底部爆炸试验的各参数结果。
表3 跌落与爆炸试验冲击载荷对比
Table 3 Comparison of impact load between drop test and explosion test
等效半正弦加速度峰值/g脉宽/ms速度变化量/(m·s-1)跌落试验2145.47.21爆炸试验2245.17.13
3.3 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12.3 cm,略大于在实车底部爆炸冲击作用下的缓冲吸能行程11 cm,两者误差为10.5%,如图13所示。
图13 吸能行程对比
Fig.13 Comparison of energy absorption stroke
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DRIZ、头部合成加速度和HIC15、颈部轴向力3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14和图15所示。
图14 盆骨加速度曲线对比
Fig.14 Comparison of pelvic acceleration curves
图15 盆骨DRIZ曲线对比
Fig.15 Comparison of DRIZ curve of pelvis
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28.9g,跌落工况的加速度峰值为30.6g,误差为5.6%;根据乘员损伤DRIZ计算公式[16],求得爆炸工况和跌落工况中假人DRIZ值分别为15.2和16.2,误差为6.1%。
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16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29g和27.2g,两者峰值误差为4.8%。根据乘员头部损伤标准HIC15计算公式,将两条曲线积分得到HIC15,实车底部爆炸工况下试验值为41.6,跌落工况下试验值为38.8,误差为6.7%。
图16 头部合成加速度曲线对比
Fig.16 Comparison of head synthetic acceleration curve
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17所示。由图17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-1 722 N,跌落试验峰值为-1 805 N,峰值误差为4.6%。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17 颈部轴向力对比
Fig.17 Comparison of axial force of neck
由图14—图17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。
4 结论
1) 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。
2) 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。
3) 通过对1.5 m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。
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