某抗冲椅冲击响应计算及试验分析

茹嘉良，李志刚，赖庆鑫，辛龙，张金换

（清华大学汽车安全与节能国家重点试验室，北京 100084）

舰船抗冲击研究是海军现代化建设的一个重要课题。随着导弹。激光炸弹和水中兵器等先进武器的快速发展，现代战争中舰船的冲击环境更加恶劣，冲击载荷对舰船的影响越来越大。在水下非接触爆炸的冲击环境下，爆炸引发的冲击波通过船体结构作用到设备和人员，使其承受过大的冲击力、冲击加速度或者位移，引起破坏和损伤。尤其是人员作为舰船操控和设备维修的主体，如果在冲击中丧失战斗力和活动力，会直接威胁到整个舰船的运行，所以进行舰船人员的冲击防护研究是加强舰船生命力和战斗力的核心要求。

由于实船爆炸试验耗资巨大，试验周期较长，不易进行大量试验，且由于试验条件复杂，不具备可重复性，通过分析建模、仿真预测冲击响应，结合部分的冲击试验进行校核已经成为当今此类研究的重要方法。

潜艇遭受水下兵器非接触爆炸冲击作用时，对艇员造成的损伤包括使人体骨折、体内出血和器官破裂等直接冲击损伤，以及使艇员因失稳或抛离而发生的碰撞伤。潜艇三向抗冲椅是针对坐姿艇员进行冲击防护的有效手段。抗冲椅冲击模拟试验和冲击响应数值计算是进行潜艇三向抗冲椅研制的重要工具和必要手段。

1 抗冲椅冲击试验

1.1 试验环境

试验用测试系统包括电测量系统和假人系统等。试验中使用的MDR—32为专门针对严酷工作环境而开发的移动数据采集系统，通道数为32，采样频率达到10 kHz，采样精度12 bit，自带电源可保证测量时间2 h，三方向耐±200 G冲击，可实现人工多通道同步触发测量。试验假人为Hybrid III 50th国际标准男性假人，质量为78 kg，坐高88 cm，站立高度175 cm，试验测试前加速度传感器、力传感器、假人系统均经过了标定，以确保试验结果的准确性。试验结果采用2阶Butterworth低通滤波器，消除高频噪声信号。根据应用范围和信号种类，采取不同的截止频率。对于头部加速度通常使用CFC 1000，胸部加速度CFC 180，胸部挤压变形CFC 600，大腿力CFC 600，小腿力及力矩CFC 600［2］。

为了全面考察抗冲椅的防护性能，分别在如下两种冲击环境下进行试验。

水平方向冲击试验使用清华大学碰撞试验室的台车系统进行，垂向冲击试验使用上海交大的双波冲击机进行。水平台车系统通过由液压系统驱动的钢丝绳牵引，可以实现水平方向速度2 m/s到15 m/s的大范围可调，轨道末端的碰撞壁上装有方型钢管，对台车系统进行缓冲，通过前期调研已证明其可以很好地满足试验需求。垂向冲击机可以实现最大5 m/s冲击速度输出、正波冲击时间可在2 ms～10 ms之间进行调节，可以满足试验冲击输入需求［3］。

试验对象为下图所示的两种座椅。

座椅A即为抗冲椅，为比对其中钢丝绳缓冲器的效果，将弹簧缓冲器去掉，而将上下两部分直接刚性联接，则形成座椅B。

根据评价指标，结合座椅情况，进行了不同冲击方向、不同冲击强度的共计27次试验。坐姿假人测量参数包括假人头部三向加速度，颈部三向力，颈部力矩M y、M x，胸椎三向加速度，骨盆三向加速度，坐垫三向加速度共17个通道。冲击环境测量台面单向加速度，共2个通道，根据不同的试验工况，选配相关的通道进行测量。

图1 试验冲击环境Fig 1 Impact environment in the test

图2 试验对象Fig.2 Test subjects

1.2 试验结果

通过对比试验台冲击输入峰值与坐垫加速度峰值即可评价抗冲椅的隔冲性能，而不同方向的冲击下人椅系统的响应又各具特点。

图3 隔冲效果对比Fig.3 Comparison of cushioning performance

抗冲椅对乘员的正面冲击防护是非常有效的，对假人各部位的响应进行分析，加速度均在10 g以下，可知乘员无任何损伤。这也是因为座椅缓冲器的变形给予了乘员足够大的缓冲空间，安全带的约束很好地保证了乘员的腰臀部在座椅上的位置稳定。通过高速录像分析表明，正向冲击中假人的头部位移较大，在实际应用中应考虑乘员与工作台的二次碰撞。

背向冲击中，由于该座椅没有头枕，在后向冲击中假人头颈部的挥鞭状运动非常明显，对颈部力矩进行分析，发现已接近受伤阈值。

在进行侧向试验的过程中，明显可知座椅扶手的刚度不够，经过几次试验后均有较大变形。假人腹部无法使用传感器进行测量，但是在实际试验中，假人腹部的“肌肉”在座椅扶手的挤压下出现了较大变形，根据扶手的高度，恰好处在骨盆以上，肋骨以下，极有可能对乘员腹部造成损伤。

垂向冲击中，抗冲椅的防护效果良好，同时也可知有钢丝绳缓冲器的座椅A要明显优于无钢丝绳缓冲器的座椅B。

2 抗冲椅数值仿真

2.1 抗冲椅的有限元建模

抗冲椅平面设计结构示意图如图4。

其中1为座椅背部及底部骨架钢板，2为椅背，5为椅面，3和4分别为扶手的木质结构部分和钢结构部分，6为上联接板，7为钢丝绳缓冲器，8为支撑脚。

在有限元建模过程中，进行了一些简化，把在仿真计算中对假人—座椅系统的影响可以忽略的部分进行简化，包括简化支撑脚，简化模型倒角，填平螺孔等，钢丝绳缓冲器部分由于结构复杂，同时缺少材料属性、装配关系等详细资料，无法依照原结构进行建模。参考缓冲器宏观参数，将其简化成复合弹簧系统。安全带部分参考汽车安全带进行建模。

图4 抗冲椅平面设计示意图Fig.4 Design schematic diagram of chair

单元划分过程中，采取了Hypermesh软件中Automesh功能和手动调整功能相配合的方法，保证了整个模型的网格质量，整个座椅模型中包含有108 596个基本单元，包含100 199个结点。

2.2 耦合模型建立

近年来，LS-DYNA/MADYMO耦合分析方法在汽车碰撞分析领域中得到了广泛的应用。耦合功能结合了LS-DYNA和MADYMO两种分析软件各自的长处，通过一个包含有DYNA和MADYMO代码的二进制程序，同时运行LS-DYNA和MADYMO两个软件，计算过程中，DYNA格式的有限元部分和MADYMO格式的假人共同进行计算，并在两个程序间实时交换响应的接触和计算所需的支持信息。

在MADYMO软件的Coupling Assistant功能模块中导入上述调试通过的有限元抗冲椅模型和多刚体假人模型，如图5所示。

图5 耦合计算模型Fig.5 Coupling calculated model

在软件中对有限元模型与多刚体模型之间的接触进行定义，同时对耦合计算的积分步长、输出步长、计算时间等基本参数进行设定。在Linux操作系统下，提交耦合计算文件进行计算，计算结果以LS-DYNA的D3plot文件形式和MADYMO的kn 3文件形式表达[5]。

2.3 模拟计算结果对比与分析

模拟计算输入的冲击加速度波形即为冲击试验中实测得到的冲击波形，如图6。

将不同工况下试验中实测得到的假人响应数据与模拟计算的结果对比，初步验证了模型的有效性，如表1。

图6 冲击加速度波形Fig.6 Impact acceleration waveform

表1.试验与仿真响应峰值对比Tab.1 Comparison of impact response of test and simulation单位：m s-2

上述对比可以看出有一定误差，这是由于缺少座椅各部分，尤其是缓冲原件部分的材料属性、装配关系等详细资料，需要在下一步的工作中继续完善。

3 结语

抗冲椅对乘员的冲击防护是非常有效的，在不同方向不同强度的冲击下能够很好地保证乘员的安全。部分工况下，乘员头部位移较大，在实际应用中应考虑乘员与工作台的二次碰撞问题。使用精细划分的有限元座椅模型和多刚体假人，采用耦合计算方法得到的仿真分析结果与实际试验结果对应较好，试验中假人典型部位响应与仿真模型中多刚体假人对应位置的响应均非常接近。

结合试验结果与仿真结果的分析，建议对座椅的以下部位进行改进：

加装头枕。通过试验分析可知，无头枕情况下假人颈部变形较大，容易受伤，加装头枕可以很好地保护乘员颈部；

增强弹簧缓冲器的扭转刚度及水平刚度。通过高速录像分析可知，由于扭转刚度不足，椅面椅背部分转动量过大，椅面椅背及头枕不能充分发挥其缓冲作用，同时由于水平刚度不足，假人位移量过大，容易造成二次碰撞受伤；

提高扶手与座椅连接处的强度，同时在扶手与乘员接触部分的表面增加弹性（粘弹性）材料。试验过程中，抗冲椅扶手部位残余变形较大，其木质表面与乘员腹部的直接接触可能导致乘员腹部受伤。

[1]许英博.垂直冲击载荷下人体安全防护研究[A].汪玉.舰艇水下爆炸试验及冲击分析技术[C].北京：国防工业出版社.2007.258-262.

［2］Il-Kwon Park.Measurement of naval ship responses tounderwater explosion shock loadings[J].Shock and vibration,10(2003):365-377.

[3]Z.Zong.Biodynamic response of shipboard sitting subject to ship shock motion[J].Journal of Biomechanics,35(2002):35-43.

[4]郭磊，王大志.整车侧面移动壁障碰撞的耦合仿真计算[J].上海汽车，2010(08)：22-25.

[5]张金换.舰艇人员典型姿态建模分析探讨[A].汪玉.实船水下爆炸冲击试验及防护技术[C].北京：国防工业出版社，2010，542-545.