爆炸环境下乘员约束系统参数分析及优化

龚李施,皮大伟,钱明军,田达笠,周云波

(1.南京理工大学，南京 210094; 2.中国人民解放军第63969部队,南京 210028;3.中国汽车技术研究中心天津汽车检测中心,天津 300300)

【装备理论与装备技术】

爆炸环境下乘员约束系统参数分析及优化

龚李施1,皮大伟1,钱明军2,田达笠3,周云波1

(1.南京理工大学，南京 210094; 2.中国人民解放军第63969部队,南京 210028;3.中国汽车技术研究中心天津汽车检测中心,天津 300300)

针对特种车辆在底部爆炸环境下乘员座椅受到瞬时高强度冲击时的防护性能进行研究，建立整车爆炸环境，利用仿真计算与试验所得座椅底座加速度进行乘员约束系统冲击输入验证，借鉴普通乘用车加权伤害准则，对乘员约束系统中弹簧刚度、黏性阻尼系数、坐垫刚度与安全带刚度四因素运用试验设计、响应面技术进行相关参数灵敏度分析，并通过遗传算法对代理模型完成参数优化工作，研究发现：优化后的乘员约束系统参数相对初始值达到10.5%的综合防护性能提升。

乘员约束系统；底部防护；代理模型；参数优化

在目前的反恐战争和未来的武装冲突中，军用高机动车辆面临主要威胁形态为非对称威胁，其中最具代表性的是地雷、简易爆炸装置(IED)[1]，美国为应对作战部队在伊拉克和阿富汗所遭遇的地雷与IED威胁，广泛开展防地雷反伏击车(mine resistant ambush protected，MARP)底部防护技术研究，如何保障车内人员的安全，已经作为一个多学科交叉前沿研究课题受到日益关注[2]。

由于车辆底部爆炸环境的特殊性，因此，乘员约束系统尤其乘员座椅都与普通乘员约束座椅有所不同，国内外学者都对垂直强冲击乘员防护技术展开相应研究。董彦鹏[3]研究了垂直强冲击下不同形式安全带对于乘员防护的影响，Ming Cheng等[4]将防雷座椅与垂直冲击试验台试验与爆炸环境结果差异性进行了数值分析探讨，Nilakantan[5]通过座椅垂直冲击试验台模拟爆炸冲击环境，研究了座椅气囊坐垫以期提高乘员胸腰椎的防护性能。

总之，目前这一领域的研究国内侧重于底部吸能装甲防护与垂直冲击试验研究，较少涉及具有底部爆炸防护系统设计的乘员约束系统分析。本文主要通过LS-DYNA软件环境建立某特种车辆的整车全要素爆炸仿真环境，通过整车爆炸试验得到座椅底座加速度与假人损伤值，以此对有限元模型参数进行校对调整，完成乘员座椅的人员防护参数分析，通过正交试验设计完成乘员约束系统设计参数灵敏度分析，利用遗传算法模型完成座椅结构参数优化并达到良好的人员防护性能。

1 乘员-座椅-整车爆炸环境建立

以国内某特种车辆为试炸车型，取右后乘员位座椅约束系统为主要研究模型，并通过整车爆炸试验检验仿真有限元模型的正确性，为后续系统参数优化奠定基础。

1.1 乘员约束系统模型的建立

建立的缓冲座椅-乘员系统的有限元模型如图1所示，包括防护座椅结构模型、安全带与乘员假人模型，对于乘员座椅中的薄壳单元采用壳单元，对于实体部分采用常积分单元，单元尺寸分别为10 mm和15 mm；安全带织带也采用2D壳单元与1D安全带单元模拟，其单元采用直角三角形单元，尺寸为10 mm，坐垫及靠背泡沫均利用实体单元进行模拟，整车有限元模型反映了整车环境下乘员座椅与整车位置关系以及座椅自身背部缓冲机构的运动关系。

图1 座椅-乘员系统位置与座椅背部结构示意

该防雷座椅主要利用背部的弹簧阻尼减震机构达到地雷冲击时缓冲作用。现有的汽车碰撞用的数字化假人模型主要针对汽车碰撞安全分析，对于垂直工况缺乏标定，假人模型选用LSTC公司的HYBRID III 50分位可变形假人，文献[5]中验证该型号假人于垂直冲击载荷作用下与试验结果有着良好的吻合度，因此采用此款假人进行仿真分析，能够较为准确地评价乘员损伤值。

坐垫采用57号材料*MAT_LOW_ DENSITY_FOAM，此材料适用于高度可压缩泡沫材料，主要用来专门模拟相应的座椅坐垫材料，弹性模量为7.8 MPa，相应的工程应力应变曲线如图2所示。

图2 坐垫泡沫加载曲线

安全带模型中2D单元材料采用34号材料*MAT_FABRIC，这个材料模型是专门为安全气囊开发的织带材料，也可以应用在安全带，三向弹性模量设置为2 200 MPa，泊松比设置为0.3，对于其安全带长度方向输入其工程应力应变曲线，安全带拉伸力与延伸率关系曲线如图3，加载力与安全带截面积之比可以得到安全带工程应力，安全带1D安全带单元由LS-DYNA专门开发的材料*MAT_SEATBELT，输入拉伸力位移关系曲线即完成建模工作。

图3 安全带工程拉伸曲线

1.2 爆炸冲击流场模拟模型

爆炸模拟采用任意拉格朗日欧拉算法(arbitrary lagrange-euler,ALE)，该方法于20世纪80年代以来广泛应用于爆炸流固耦合问题研究。

爆炸环境分别建立空气场与炸药模型，其中，炸药材料采用的是8号炸药材料*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，高能炸药爆轰产物压力-体积关系采用JWL状态方程模拟，整车爆炸环境模型基本如图4所示，为比较验证冲击加速度输入，于座椅背部骨架上梁设置加速度计，以确定座椅靠背区域的加速度输入。

1.3 仿真结果与试验验证

为验证整车爆炸试验模型准确性，按照有限元模型要求放置座椅假人模型以及加速度计，如图5所示。通过ALE爆炸环境的仿真输入，得到整车爆炸试验中加速度计曲线与仿真中加速度输入较为吻合，如图6所示，脉冲峰值与历程较为接近，可以验证爆炸冲击环境乘员冲击输入的准确性。

图4 整车爆炸环境模型

图5 实爆试验加速度测量与假人位置示意

图6 试验与仿真座椅底座加速度对比

2 乘员伤害评价指标

爆炸环境下的乘员损伤有别于传统评价标准，本文评价指标主要来源于北约文件AEP-55[6]，主要选取其中相应的评价指标：小腿受力、腰椎受力以及上颈部受力峰值，爆炸环境中的小腿、腰椎、颈部都为易受损伤部位。

伤害评价加权：1990年通用公司的Viano和Arepally[7]引入加权因子，将各项伤害指标用加权的方法综合到一起评价人体损伤程度，即采用加权伤害准则WIC(weight injury criterion)，借鉴其定义规则。对于爆炸环境，依据美军阿富汗战争与伊拉克战争人员损伤报告[8-9]对各项指标加以标准化权重，确定其综合伤害评价指标

(1)

其中：Ftmax为小腿下端胫骨受力峰值，受力极限为5.4 kN，此值代表能够有10%的风险致AIS2+伤害。DRIz为胸腰椎的动态响应评价指标[10]，主要以盆骨加速度为输入得到相应的伤害评价指标,耐受极限为DRIz响应值为17.7，此值能够有10%的风险致AIS2+伤害。Fnmax为颈部垂向压缩力最大值，受力峰值极限为4 kN，同时受到1.1 kN的持续受力不能超过30 ms，低于此耐受度，不大可能发生AIS3级以上伤害。

3 系统参数灵敏度分析与优化

3.1 乘员约束系统参数灵敏度分析

乘员约束系统相对于传统前碰和侧撞工况并未有相应的安全气囊，爆炸环境主要考虑的冲击来自于座椅的底部。主要考虑的设计对象为安全带、座椅坐垫、座椅悬置减震器。

由于采用4点固定式安全带(安装点未配备卷收器)，因此安全带主要设计变量在于刚度。对于座椅悬置匹配方面，主要考虑座椅悬置弹簧刚度及阻尼系数匹配，坐垫主要考虑坐垫刚度，安全带与坐垫刚度变化通过掌握其应力应变曲线系数实现。

表1 初始设计变量及其相应的变化范围

本次正交试验设计选取4因素，5水平进行正交试验设计，正交试验表选取L25(56)，总共进行了25次试验，本文所采用的评价指标主要采用上颈部垂向受力峰值Fnmax、小腿垂向受力峰值Ftmax以及相应的腰椎动态响应系数DRIz，采用上述伤害标准化权重指标WIC进行后续伤害评价优化工作。

由所得的正交试验设计结果分析，通过参数拟合，分别对其4个参数主效应相对综合评价指标变化关系如图7所示，由各参数WIC变化趋势看，由图7(a)、图7(b)所示，伤害标准化权重指标WIC与弹簧刚度和座椅阻尼系数基本呈一定正相关效应，由7(d)所示，与坐垫刚度呈负相关效应，而图7 (c)中安全带刚度结果响应最为平缓，可以判定安全带于底部爆炸冲击过程中对于降低乘员伤害作用方面影响呈现非显著性。

图7 因素主效应

3.2 乘员约束系统参数优化

在中心复合设计得到的25组试验数据的基础上，采用Kriging代理模型构建数学代理模型，展开相应的系统参数优化工作。根据由战场损伤比例得到的标准化权重指标为相应的优化目标，依据AEP-55中所明确提出的假人上颈部受力、小腿受力以及腰椎动态响应指数的约束条件，定义相应的参数优化表达式如式(2)与式(3)所示：

(2)

(3)

本研究运用Hyperstudty中优化模块进行优化计算，主要选择其中单目标优化中的遗传优化算法进行最优解的搜寻，种群数量设置为1 024，突变率设置为0.01，种群精英比率为10%，总共进行了2 244次采样计算，得到最终遗传进化最优解，得到的结果与初始值的比较如表2所示。

将所得到的最优解参数解返回输入到LS-DYNA中进行求解计算，将仿真结果与代理模型优化结果进行对比如表3所示，模型响应误差都在5%以内，满足工程设计误差的允许范围，代理模型的优化结果精度得到保证。

表2 结构参数初始值与优化结果

表3 有限元结果与代理模型结果对比

通过后处理分别输出相应优化前后的小腿胫骨Z向受力曲线、上颈部Z向受力曲线与盆骨加速度曲线，分别如图8～图10所示，假人前后优化损伤结果如表4所示，小腿力峰值由3.8 kN降至2.45 kN，小腿受力峰值同比降低35.5%，盆骨加速度峰值由16.4g降至15.9g，盆骨加速度峰值同比降低6.3%，颈部受力峰值同比上升15%，颈部受力增长了0.16 kN，仍然远低于损伤极限，综合评价指标由0.481降为0.431，同比降低10.5%，从优化结果发现，在其余伤害允许值范围内，小腿受力峰值得到显著降低，降低了乘员损伤综合值。

表4 优化前后结果对比

损伤指标初始值优化结果优化效率小腿受力峰值3.8kN2.45kN35.5%上颈部受力峰值0.991kN1.147kN-15%盆骨加速度峰值16.4g15.9g6.3%标准化权重WIC0.4820.43110.5%

图8 小腿胫骨Z向受力

图9 上颈部Z向受力

图10 盆骨加速度

4 结论

1) 通过建立整车爆炸环境下的乘员约束系统与Kring代理模型拟合的响应面，进行乘员伤害防护指标优化，得到在特定爆炸当量下相应乘员约束系统最优的参数匹配值，使乘员能够在底部爆炸环境下得到良好的保护效果。

2) 通过正交试验设计，分析相应结构参数对防护性能的影响，分析其因素灵敏度，为后续爆炸环境下防雷座椅底部防护提供设计参考。

3) 在底部爆炸环境下，经过试验分析表明，座椅底部防护结构参数、坐垫刚度影响为主要因素， 安全带对于乘员损伤指标无显著效应，安全带主要作用为约束乘员位移。

[1] 王显会,佘磊,郭启涛,等.基于抗冲击波响应的新型蜂窝夹层结构多目标优化设计[J].车辆与动力技术,2014(4):25-30.

[2] 张钱城,郝方楠,李裕春.爆炸冲击载荷作用下车辆和人员的损伤与防护[J].力学与实践,2014(5):527-539.

[3] CHENG MING,DIONNE,JEAN-PHILIPPE,et al.On drop-tower test methodology for blast mitigation seat evaluation[J].International Journal of Impact Engineering,2010,37:1180-1187.

[4] NILAKANTAN G.Design and development of an energy absorbing seat and ballixtic fabric material material model to reduce crew injury caused by acceleration from mine/IED blast[D].Ohio:University of Cincinnati,2006.

[5] MING CHENG,DOUG BUELEY,LOCK-SUI CHIN,el al.evaluation of ATD models for simulating occupant responses under vertical impact[C]//13th International LS-DYNA User Conference.Session :Occupant Safety,2011.

[6] NATO.Procedures for evaluating the protection level of logistic and light armored vehicles[R].Brussels:Allied Engineering Publication,2011.

[7] VIANO D C,AREPALLY S.Assessing the safety performance of occupant restraint systems[C]//SAE Technical Paper 902328.[S.l.]:[s.n.],1990.

[8] CHAMPION H R,HOLCOMB J B,YOUNG L A.Injuries from explosions:physics,biophysics,pathology,and required research focus[J].Journal of Trauma,2009,66(5):1468-1477.

[9] RAMASAMY A,MASOUROS S D,NEWELL N,et al.In-vehicle extremity injuries from improvised explosive devices:current and future foci[J].Philosophical Transactions of the Royal Society B Biological Sciences,2011,366(1562):160-170.

[10]North Atlantic Treaty Organization.Test methodology for protection of vehicle occupants against anti-vehicular landmine effects[R].[S.l.]:[s.n.],2007:11-12.

(责任编辑 周江川)

Analysis and Optimization of Occupant Resistant System Under Mine Blast Environment

GONG Li-shi1, PI Da-wei1, QIAN Ming-jun2, TIAN Da-li3, ZHOU Yun-bo1

(1.Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2.The No. 63969thTroop of PLA, Nanjing 210028, China; 3.Tianjin Auto Test Center of China Automotive Technology & Research Center, Tianjin 300300 China)

This paper is aimed at studying protection efficacy of occupant resistant system in military vehicle under mine blast environment. For this purpose, a whole vehicle finite model along with blast simulation environment was built, which was validated by comparing shock acceleration curve of anti-blast seat base with actual mine blast test acceleration data. Referring to ordinary weight injury criterion, four factors: spring stiffness, viscous damping coefficient, foam stiffness, seatbelt stiffness, were selected for sensitivity analysis and parameter optimization, by means of using experiment design and response surface method. Finally, using genetic algorithm accomplish optimization task based on Kriging agent model, it turns out that the optimized occupant protection ability is promoted by 10.5% than initial parameter set.

occupant resistant system; underbody protection; agent model; parameter optimization

2016-10-21；

2016-11-26 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51405232)

龚李施(1992—)，男，硕士研究生，主要从事特种车辆防护技术。

皮大伟(1983—)，男，博士，副教授，主要从事整车主动安全技术与被动安全技术研究。

10.11809/scbgxb2017.03.011

龚李施,皮大伟,钱明军,等.爆炸环境下乘员约束系统参数分析及优化[J].兵器装备工程学报，2017(3):46-50.

format:GONG Li-shi, PI Da-wei, QIAN Ming-jun,et al.Analysis and Optimization of Occupant Resistant System Under Mine Blast Environment[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):46-50.

TJ81+0.3

A

2096-2304(2017)03-0046-05