垂向冲击下穿戴装备对乘员损伤影响研究*

尹 宁，王洪亮，张进成，彭 兵，叶龙学

（南京理工大学机械工程学院，江苏 南京210094）

在当前各国的武装冲突和反恐战争中，地雷和简易爆炸装置（improvised explosive device,IED）是军用车辆面临的巨大威胁[1]。车辆结构在爆炸冲击下遭受到极大的垂向负荷，进而导致乘员伤亡[2]。近些年来，很多研究者对于改善装甲车辆在遭受地雷和简易爆炸装置的威胁时所提供的保护已经做出重大努力。目前已有众多方案解决车辆装甲穿透带来的伤害，但是车辆底部爆炸引起的车辆垂直瞬时加速度造成的冲击还没有很好的解决方法。爆炸事件中乘员的胸、腰、盆骨和下胫骨等部位均会受到严重损伤。

车辆投入使用前需要经过整车抗爆炸试验，但是由于整车爆炸试验成本高、偶然性大且可重复性差，一般通过有限元方法虚拟分析整车防护性能，配合垂向冲击座椅跌落试验验证车内乘员保护系统性能，以缩短前期研发周期和降低研发成本。座椅跌落试验虽然无法完全模拟车辆底部爆炸事件，但在试验过程中，速度的总绝对变化与真实爆炸情况下的速度变化十分相似[3]。吕平华[4]根据设计和研制的工作实践，对100 kg 冲击试验机进行了设计和计算，根据跌落原理分析并构建了试验机的力学模型，研究了跌落高度和脉冲持续时间与加速度峰值的经验公式。于治会对跌落试验台的结构特点进行研究，认为不同产品的冲击装置技术要求存在差异，同时提出了小型跌落试验台结构上应具有的特点，从工作原理和脉冲发生器波形特点两方面进行了研究[5]。这些研究都帮助我们发现可以通过座椅跌落试验来模拟实际车辆底部爆炸事件。

军事人员在战斗中需要穿戴一定质量的装备，以便为突然出现的紧急情况做出应对。人员的装备一般都放置在背心，并将其穿在衣服外面，该背心主要分布在人体躯干部位。然而在底部爆炸事件发生时，该部分载荷的分布以及它如何影响战士的损伤情况，目前在很大程度上还是未知的。不过，对于该方面的研究已经存在。Zhang 等[6]使用LS-DYNA 来模拟盆骨在低加速析进行了仿真，并没有试验验证。Cheng 等[7]仅使用理论模型探究了装备质量对动态响应指数（dynamic response index,DRI）的影响，而对腰椎等其他部位的影响并未涉及。

本文通过垂向冲击试验和有限元仿真分析，研究乘员分布在躯干部位的装备质量、具体位置、松紧程度分别是如何对于乘员的损伤产生影响的。

1 垂向冲击试验

此次垂向冲击试验为刚性座椅跌落试验，在刚性座椅上放置拟人测试装备（下文简称假人）为Hybrid Ⅲ50百分位假人。利用背心和条形配重块来模拟乘员执行任务时所穿戴装备，进行同一高度不同装备质量下的座椅跌落试验，通过采集并对比不同工况下假人损伤响应数据，研究乘员穿戴的装备质量对于乘员躯干损伤的影响。

1.1 座椅跌落试验台介绍

座椅跌落试验台系统如图1所示，包括跌落平台举升机构、跌落平台、电动释放锁、悬挂带、吊带、刚性座椅、假人以及底部的橡胶垫。试验时利用举升机构将跌落平台（包含平台上的刚性座椅和假人）举升到某一高度后释放，冲击时，橡胶垫提供一个接触缓冲，以控制施加在工作台上的力，从而使平台减速。跌落平台与带有橡胶垫的底部支座碰撞产生加速度信号，来实现加载加速度冲击载荷。

图1 跌落冲击试验台总体结构Fig.1 Overall structure of drop impact test stand

座椅跌落试验布置如图2所示，采用刚性座椅，以尽量减少试验中的可变性。然而，在撞击过程中假人骨盆和刚性座椅底座之间会产生高脉冲，为避免假人损伤严重，采用100 mm 泡沫坐垫提供保护。跌落高度和波形发生器的选择共同影响加速度脉冲的形状和特性。图3为平台中央测得的加速度脉冲。加速度脉冲由跌落高度决定，以模拟真实地面爆炸过程中车体所经历的加速度脉冲。每次平台以同一高度下落，且脉冲发生器不变，另外每次试验假人坐姿相同，并通过四点式安全带将其与刚性座椅固定，保证刚性座椅边界条件的统一。

图2 座椅跌落试验布置Fig.2 Seat drop test arrangement

图3 跌落试验过程中平台中央加速度Fig.3 Central acceleration of the platform during the drop test

1.2 假人损伤指标说明

试验中考虑假人穿戴装备质量主要集中在躯干部分，且结合北约AEP55卷2[8]底部爆炸工况下假人损伤评判标准，选择假人腰椎力和DRI作为研究指标。

DRI是应用最广泛的与盆骨z向加速度和脊柱压缩相关的损伤标准。DRI 用于量化基于腰椎压缩的脊柱损伤概率[9]，盆骨z向加速度是求解DRI 的必要输入，而腰椎力与DRI不存在正相关关系。DRI的计算包括求解以骨盆z向加速度为激励的二阶微分方程的强迫响应。DRI模型是一个代表乘员躯干的质量-弹簧-阻尼器系统，结构如图4所示。

图4 应用DRI损伤标准的脊柱压缩模型Fig.4 Spinal compression model using DRIinjury standard

该单质量弹簧-阻尼器系统的运动方程可表示为：

用η 表示DRI，其计算公式为：

式中：ymax为最大的相对位移， ωn为固有频率，g为重力加速度。在AEP55中规定DRI 的安全阈值为17.7。低于该值时乘员发生AIS2+级别伤害的概率小于10%。目前Hybrid Ⅲ50th 假人腰椎并不具备较好的生物逼真度[10]，碰撞和冲击环境的标准和法规也没有关于腰椎的损伤准则，国外生物力学工作者在重力跌落测试平台中得到的腰椎力耐受极限值为5.2～7.8 kN。

1.3 试验设置

本次试验穿戴装备通过织布材料背心和条形配重块模拟，如图5所示。通过增减条形配重块数量来调节模拟重量，其中条形配重块每一块质量为0.5 kg，背心质量约为1 kg。

图5 座椅跌落试验中模拟穿戴装备Fig.5 Simulated wearable equipment in a seat drop test

如表1所示，本次试验进行了500 mm 高度的座椅跌落试验，配重情况分别为无配重、11 kg 配重、16 kg 配重和21 kg 配重。为避免试验偶然性导致的误差，每种工况试验进行三次。

表1 不同配重下的座椅跌落试验Table1 Seat drop test under different weights

每次试验记录假人数据，拍照记录试验前后状态并通过高速摄像记录试验过程。试验结束后收集所有试验数据，其中假人的相关损伤数据在AEP55中被规定为乘员安全性的重要评价指标，严格参照相关标准对试验数据进行处理。

1.4 试验结果分析

为了更清晰地从试验数据中得到规律性,选择无配重、11 kg 配重和21 kg 配重三组试验数据进行讨论。

图6(a)比较了不同配重下假人腰椎力的曲线，可以看到，随着穿戴装备质量的增加，腰椎力有变大趋势，峰值依次为5525、5640、5779 N。说明穿戴装备质量的增加会加重乘员腰椎的轴向负荷，从而使得乘员腰椎损伤的概率更大。

经过处理后的DRI，如图6(b)所示，随着穿戴装备质量的增加，假人DRI 逐渐变小，依次为18.9、16.6、15.5；结合DRI 的定义，说明穿戴装备质量的增加减小了乘员脊柱压缩损伤的概率，尤其是18.9超过安全阈值，通过改变穿戴装备质量使得DRI处于安全范围内。DRI 与盆骨z向加速度曲线历程相关，图6(c)显示了不同穿戴装备质量下的假人盆骨z向加速度，当增加穿戴装备的质量时，盆骨加速度脉宽无明显变化，峰值略有减小，整体曲线面积减小。

图6 座椅跌落试验中不同配重下假人损伤值曲线Fig.6 Dummy damage value curve under different weights in the seat drop test

据图7和表2所示，根据四组数据拟合得到曲线，可以看出随着质量的增加，腰椎力峰值呈现增大趋势，且变化速度逐渐变大，而DRI峰值呈现减小趋势，变化速度逐渐变小；其中相比没有穿戴装备的情况，21 kg 质量的增加最大导致腰椎力变大4.4%，DRI减小17.9%

表2 座椅跌落试验中不同配重下假人损伤对比Table 2 Comparison of dummy damage under different weightsin the seat drop test

图7 座椅跌落试验中不同重量下假人损伤峰值拟合曲线Fig.7 Fitting curve of the peak value of dummy damageunder different weightsin the seat drop test

2 有限元仿真与试验验证

虽然相比较整车爆炸，垂向冲击试验已经方便了很多，但是仍然耗费较多时间和精力，因此在探究过程中不可能总是通过试验进行，而有限元仿真技术可以高度还原真实情况且效率高、重复性好，因此有限元仿真成为重要手段。

2.1 有限元模型的建立

为了避免重复性建模，对跌落试验台关键部分、刚性座椅及假人进行模块化建模，在未来的设计和改进过程中只需要对子模块进行相应的改动即可。每个模块根据相应的CAD模型进行建模，模型中包括各个零件的单元、节点信息，不同模块之间的单元、节点编号不能出现重复，否则会造成节点信息混乱，计算报错。

准确的材料参数是有限元仿真的关键因素，直接影响仿真计算结果的准确性。跌落试验台中，底部支座和跌落平台在试验中不允许出现变形，两个部件体积大，且刚度和强度较大，因此材料模型选用LSDYNA 中的20号刚体材料*MAT_RIGID。脉冲发生器为橡胶材料，脚垫，座椅部件也均按照实际试验情况赋予相应的材料属性，包括密度、弹性模量、泊松比、屈服强度、应力-应变曲线等。

仿真中考虑焊点失效，采用beam 模拟；另外在primer 中进行假人与座椅系统的预压，安全带建模，安全带与座椅骨架连接处采用1D单元模拟，安全带主体使用2D壳单元建模，采用织布材料*MAT_FABRIC_TITLE 模拟。对于座椅骨架结构采用2D壳单元建模，选用3号材料*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，座椅坐垫用LS-DYNA 中的57号材料*MAT_LOW_DENSITY_FOAM，该材料为可以恢复到原始形状的低密度泡沫，座椅坐垫和跌落平台等采用六面体实体单元建模。仿真中使用的假人为LSTC公司的HybridⅢ型50百分位的男性假人模型，该假人已被Lou 等[11]验证在垂向冲击环境中与试验数据具有良好吻合度。整个模型单元总数为250738，节点总数为253051，网格单元的尺寸为10 mm，翘曲度、雅格比参数等均符合质量检验标准。

在仿真过程中，为了节省时间简化了实际的跌落台试验装置的辅助机构，最终只保留跌落试验台中跌落平台、底部支座和橡胶垫部分；将跌落实际过程简化为瞬间过程，根据500 mm 跌落的高度等效计算得到跌落台与底部支座碰撞一瞬间的速度为3.13 m/s，计算公式为

式中：v为平台接触到支座的速度，h为跌落高度。

考虑到座椅跌落的边界条件，使用关键字“INITIAL_VELOCITY_GENERATION”对跌落台、座椅和乘员系统施加跌落后的触地速度使得跌落过程瞬间发生。具体构建的模型如图8所示。

图8 跌落台-座椅-乘员系统有限元模型Fig.8 FEM model of drop table-seat-occupant system

2.2 试验与仿真结果对比

通过将实验与仿真中采集到的数据进行对比，来验证仿真建模的准确性，以便进行接下来的研究。目前用于评价乘员腰椎损伤准则有两项指标，分别是动态响应指数DRI和腰椎轴向力，这两种指标主要用于预测乘员在垂直冲击环境中的损伤。

图9为腰椎力和盆骨加速度历程曲线，从图中可以看出两种情况下乘员响应几乎一致。从表3看到仿真得到的腰椎力峰值约为5299 N，试验得到的腰椎力峰值约为5525 N，相对误差为4.1%；仿真得到的盆骨加速度峰值约为28.7g，试验得到的盆骨加速度峰值约为27.3g，相对误差为4.9%。

表3 座椅跌落试验与仿真中的假人损伤对比Table 3 Comparison of dummy injury in seat drop test and simulation

图9 座椅跌落试验与仿真中的假人损伤值对比曲线Fig.9 Comparison curve of dummy damage value in seat drop test and simulation

给简化后的跌落试验台及座椅和假人等加载一个初速度3.13 m/s进行仿真来模拟500 mm 高度垂向冲击试验，很好的模拟了试验中的乘员损伤，验证了仿真得到的结论。

3 装备分布位置及松紧度对乘员损伤影响研究

通过试验已经得到在垂向冲击工况下不同质量的穿戴装备对于乘员损伤的影响。下面通过仿真探究装备在躯干的分布位置以及装备在乘员身上的松紧程度对于乘员损伤的影响。此时乘员穿戴背心通过2D壳单元表示，赋予实际的材料属性参数；其他装备质量通过给节点加载的方式配重，并通过调节背心与身体的接触参数来还原实际情况。在假人胸前与背后选取相应位置节点赋予总质量10 kg 进行研究，具体模型如图10所示。其中绿色为背心，红色为配重点；共选中1023个节点，每个节点质量为0.0097 kg。

图10 仿真中躯干部配重背心有限元模型Fig.10 Thefinite element model of the torso weight vest in the simulation

3.1 配重位置研究

Richards等[12]在研究中对于国外士兵穿戴装备分布进行了详细的描述，包括头盔、急救包、弹药匣、枪、气瓶等多种装备，其分布位置也不统一，有的在躯干上部，有的在躯干下部。考虑到在作战时，军事人员穿戴装备位置可能会有所差异，并结合爆炸事件中乘员上半身损伤部位多为腰部和脊柱，因此希望通过研究探索在垂向冲击工况下穿戴装备重量集中在躯干上部和下部对于乘员损伤是否存在影响以及如何影响。

如图11(a)所示仿真中将背心的配重点集中在躯干的上部，以此来模拟穿戴装备重量集中在上部的情况，共选中506个节点进行加载重量，每个节点赋予0.0198 kg 重量；如图11(b)所示选中下部的506个节点进行配重加载，以此来模拟穿戴装备重量集中在下部的情况。其中假人中心位置的z向坐标为684，上部配重点相对应质心位置z向坐标为981，下部配重点相对应质心位置z向坐标为855。

图11 躯干不同位置配重背心有限元模型Fig.11 The finite element model of the weight vest at different positions on the torso

根据历程曲线图12和表4可以看出，穿戴装备重量集中在躯干上部位置时，腰椎力峰值为5938 N，盆骨加速度峰值为29.7g；穿戴装备重量集中在躯干下部位置时，腰椎力峰值为5708 N，盆骨加速度峰值为28.4g。分布位置位于躯干上部相对于下部腰椎力峰值和盆骨加速度峰值均略有增加，相对差值为3.9%和4.3%。该分析表明，当穿戴装备质量集中在躯干上部时，乘员会产生较高腰椎负荷与盆骨加速度峰值，此时乘员危险概率增大。

图12 仿真中穿戴装备不同分布位置假人损伤值曲线Fig.12 Dummy damagevalue curves of different distribution positions of wearable equipment in the simulation

表4 仿真中穿戴装备不同分布位置假人损伤对比Table4 Comparison of dummy damagein different distribution positionsof wearableequipment in simulation

3.2 装备松紧度

由于每一个军事人员身形不完全一样，所以在穿戴装备时难免松紧程度有所差异，而松紧度是通过摩擦因数来表征的，背心与身体之间的摩擦因数对测量的损伤标准会有影响[13]。因此通过改变仿真中背心与假人躯干接触的摩擦因数，来研究穿戴装备的松紧程度对于乘员损伤的影响。

之前通过仿真与试验验证的过程得到摩擦因数为0.4，现在通过增加计算0.2、0.6和0.8三种摩擦因数的情况进行探索，参考损伤指标不变。

对于不同摩擦因数下的腰椎力和盆骨加速度历程曲线如图13所示，其中在摩擦因数为0.2情况下，腰椎力峰值为5831 N，骨加速度峰值为29.2g；在摩擦因数0.8情况下，腰椎力峰值为5484 N，盆骨加速度峰值为28.7g。另外据表5可以看出，随着摩擦因数的增大，腰椎力峰值呈现减小趋势，变化速度逐渐变大，盆骨加速度峰值呈减小趋势，但腰椎力最大相对差值为5.9%，而盆骨加速度只有1.7%。因此摩擦因数的变化对于结果影响较小。

图13 仿真中穿戴装备与身体接触不同摩擦系数假人损伤值曲线Fig.13 Dummy damage valuecurve of different friction coefficients between the wearing equipment and the body in the simulation

表5 仿真中穿戴装备与身体接触不同摩擦系数假人损伤对比Table 5 Comparison of dummy damage with different friction coefficients between the wearing equipment and the body in the simulation

试验过程中安全带带动身体下落，穿戴装备由于惯性向上滑动，当穿戴装备摩擦因数变大时，装备不易向上滑，导致装备质量主要由躯干下半部承载，此时腰椎力峰值和盆骨加速度峰值均有降低，其中盆骨加速度峰值减小不明显。说明随着穿戴装备的紧固减缓了乘员脊柱与腰椎的损伤，同时再一次验证了由于配重位置的不同对于乘员损伤带来的影响。

4 结论

以垂向冲击下的刚性座椅为研究对象，验证了仿真模型的准确性。同时通过试验与仿真探究了穿戴装备对于乘员盆骨加速度及腰椎力损伤的影响，有如下结论。

（1）在垂向冲击试验中，随着穿戴装备质量的增加，乘员盆骨Z向加速度峰值有减小趋势，积分得到的DRI 明显减小，当重量相差21 kg 时，最大相差17.9%，而腰椎力峰值逐渐增大，最大相差4.4%。说明穿戴装备质量增加会减缓乘员盆骨以及脊柱的损伤概率，但会加剧腰椎的损伤概率；且DRI相对变化值比腰椎力大很多。

（2）在垂向冲击条件下，装备分布位置位于躯干上部相较于下部会加重乘员在跌落工况下腰椎和脊柱损伤发生的几率；其中腰椎力峰值最大相对差值为3.9%，盆骨加速度峰值最大相对差值为4.3%。

（3）在垂向冲击条件下，通过研究承载装备的背心与身体接触的摩擦因数来表征穿戴装备松紧度，发现当摩擦因数变小时乘员的最大腰椎负荷更大，而盆骨加速度峰值也有变大趋势，但影响不明显。