乘员—座椅系统坠落冲击实验平台设计分析

李毅+王学友+柴渭莉+刘晓峰

摘 要：文章针对乘员-座椅系统着落瞬间人体承受的冲击过载的情况，设计搭建了一个适用于乘员-座椅系统安全性试验的坠落冲击模拟实验平台，并提出了相关的技术指标和性能要求，为在实验室条件下开展人体着陆冲击安全防护技术研究提供条件支撑。

关键词：乘员-座椅系统；坠落冲击；落震实验台；模拟人系统

中图分类号：U463.83+6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）23-0095-02

引言

国外针对乘员冲击防护及吸能缓冲设计技术进行了大量研究和技术应用，如俄罗斯的BMD系列伞兵战车、英国BAE系统公司的防地雷反伏击车、德国Autoflug公司的动态座椅系统等，国内一些研究机构围绕某些特殊装备也开展了一些针对乘员冲击防护及吸能缓冲设计技术的研究，取得了部分研究成果[1-3]。装备着落瞬间撞击地面过程为典型的冲击过程，内部乘员会承受一定的冲击过载，为保证着落过程的短暂时间内乘员可以承受该过载并保持战斗力，必须开展以座椅和乘员为研究对象的着陆冲击试验研究，以确定乘员能承受的最大冲击过载、对应的落地速度、着陆角度、头部与肢体摆动空间、座椅结构的动态响应、座椅结构变形情况等，为空投装备的空投系统、座椅系统以及车内防护设施的设计提供数据支撑和改进建议。本文针对乘员座椅系统进行坠落冲击模拟实验平台设计，以自由落震的方式模拟座椅乘员系统的着陆撞击过程，以期为装备空降安全性防护技术研究的搭建实验室研究平台。

1 乘员-座椅系统坠落情况分析

根据装备空投系统中伞降系统的特点，装备在伞具打开后近似为匀速下落，着陆速度在一定范围内。而装备着落瞬间撞击地面过程为典型的冲击过程，车内乘员座椅系统会承受一定的冲击过载[4]。乘员与座椅之间通过约束系统连接，冲击载荷通过座椅传递至人体，瞬间撞击的持续时间通常在200ms以内[5]。由于人体的器官、组织等生物力学特性存在差異，故在短时间内冲击载荷对人体各部位造成的病理损伤也存在差异。一旦传递至人体的冲击载荷超出人体某个组织或器官的安全耐受限值，将威胁到乘员的人身安全。人体属于粘弹性体，座椅作为其中的传递介质也会存在超调现象，冲击载荷输入量值到输出量值可能存在放大现象。为辅助乘员-座椅系统的安全性设计，本文基于装备着陆过程的特点，设计了一种适用于装备坠落冲击安全性研究的实验平台。

2 乘员-座椅系统坠落冲击实验平台设计

2.1 落震实验台

落震实验台为该坠落冲击实验平台的主体结构，主要用于搭载试验件开展实验室条件下的坠落冲击实验。落震实验台由实验台架、辅助投放框架、提升机构/姿态调节装置、释放机构、座椅、地面模拟物六部分构成。

实验台架最大承力≥15t，辅助投放框架使用轻质材料制造，实验座椅、假人、缓冲装置、姿态调节装置安装在框架上，提升机构/姿态调节装置使用液压伺服提升机构，提升重量5t，最大提升高度9m，提升高度误差小于2%。根据实验系统的惯量分布对起吊位置和起吊姿态进行调节，确保起吊点与实验系统的重心处于相同垂直面内，且起吊点与实验系统的重心的连线与水平参考面垂直，保证投放过程中实验系统姿态不发生变化。

考虑到实验台能起吊重量范围和响应时间，释放机构锁舌最大承力应不小于5t，投放响应时间≤100ms。座椅应具有缓冲功能，座椅可承受120kg重量、20g加速度冲击，座椅应配备有安全装置，座椅靠背角度可调。设计单人座椅3个，三人排椅1个，以满足三人同时着陆冲击和单人着陆冲击的实验需求。地面模拟物设计尺寸为2.5m×2.0m×0.2m（长×宽×高），可模拟混凝土地面、沙土地面、硬泥地面，放置在钢槽内，与测力平台相连。

2.2 模拟人系统

本文设计的乘员-座椅系统坠落冲击实验平台的试验对象为乘员-座椅系统。研究表明，坐姿状态的乘员胸-背向冲击耐受性最好，侧向次之，盆-头向冲击耐受性最差。故按照坐姿状态着陆的乘员比较安全的着陆体位应为半卧姿。且考虑到实验过程需要对乘员坐姿角度进行调节，故需选用可与后倾座椅匹配的模拟人系统。本实验室现有的Hybrid Ⅲ型50百分位模拟假人是针对普通直立座椅设计的，其髋部为一体式坐姿结构，髋部模块分为外表皮肤和内部骨骼两部分，由于一体式的外部皮肤限制了连接盆骨与股骨间的髋关节的旋转。设计使用行人髋部模块替换Hybrid Ⅲ型50百分位模拟假人髋部，实现对模拟人前后坐姿角度的调整[5]。

模拟人系统包括内置数据采集器、内置传感器以及假人结构模型组成。模拟人与真人在人体生物特性方面的吻合程度决定了实验数据的可靠性。模拟人系统通过安放在模拟假人身上的各种力、位移、加速度传感器及数据采集器将假人接收到的各种信号传输至计算机进行处理。系统参照FMVSS、ECE、GB、NCAP、FAA等相应试验标准的要求设计，模拟人内置头部加速度、颈部载荷及弯矩、胸部加速度及位移、腰椎载荷和弯矩、骨盆加速度、股骨载荷、膝部位移、胫骨载荷等测试传感器，实现对人体多个部位的运动学和动力学参数的监测。

2.3 控制系统

控制系统是整个实验平台的控制中枢，能实现实验件的起吊高度设置、自动起吊、释放、撞击速度测量、数据同步触发及保存、应急保护、视频监控等。控制系统包括控制软件、高速相机和辅助设备。控制系统配置3台高速相机，配套相应的图像处理软件，用于记录撞击过程和评估人体受力后躯干与四肢的运动包络，为乘员的安全性防护设计提供可视化的数据参考。图像分析软件可分析获得标记点的三维变形、速度、加速度信息，分析精度0.01%。

2.4 测试分析系统

设计的测试分析系统由三向测力平台、数据采集系统、激光测距仪和人体力学分析软件构成。

2.4.1 测试系统

测试系统采集的对象包括测力平台的撞击力、模拟人的响应（头部加速度、颈部载荷、腰椎载荷等）、结构响应（加速度、动态应变、变形等）。设计的三向测力平台由活动台面、上固定台面、下固定台面、底座、三向测力传感器、放大器、加法器及电缆等组成，三向测力平台的尺寸为2.5m×2.0m（长×宽），如图1所示。endprint

测力平台系统设计量程50t（包含9只三向测力传感器），超载能力150%，重复性≤1.5%F·S，工作温度为-20℃～60℃，交叉干扰误差（通道间的串扰）≤±2%F·S，测力平台精度要求为≤±3.0%F·S。

2.4.2 后处理评价系统

由于模拟人系统内置的传感器能检测的部位有限，要对对乘员-座椅系统的着陆冲击响应进行全面分析还需结合模拟仿真软件进行后处理分析评价，同时也是将实物仿真与虚拟仿真相结合进行仿真结果印证的常用手段。

MADYMO是模拟物理系统动力学响应的计算程序，重点应用在车辆碰撞和乘员损伤分析。MADYMO适用于研究汽车碰撞过程中乘员的响应，评价各种约束系统的设计参数的影响，如座椅、安全带和安全气囊；而且也广泛用于分析其他交通工具的碰撞，如火车、飞机、摩托车、自行车。故本设计选用该软件进行人体-座椅系统着陆冲击响应分析，进行乘员冲击伤害分析。在进行坠落冲击对人体伤害的分析中，运用的伤害评价准则包括Gadd强度指数、头部损伤准则（HIC）、颈部损伤准则-前向（NIC_FORWARD）、生物力学颈部损伤预测（Nij）、胸部损伤指数（TTI）、粘性损伤响应（VC）、胸部总指数（CTI）、大腿力指标（FFC）、小腿指标（TI）、小腿壓缩力指标（TCFC）、腹部受力峰值（APF）、头部接触时期（HCD）、有利的HIC指标、枕骨合力矩（MOC）、后向-颈部损伤指标（NIC_REARWARD）、颈部损伤预测（Nkm）、下颈部载荷指数（LNL）等。

3 坠落冲击模拟实验系统工作原理

坠落冲击实验中，将模拟人和座椅组成的乘员-座椅系统作为实验件。实验前，座椅底部和靠背固定于辅助投放框架上，测试用模拟人按乘坐姿势固定于座椅上，通过控制系统设定实验件的投放高度、投放姿态、释放锁的释放时刻等参数。实验中控制系统控制实验件的提升、投放、测速以及实验过程监控，测力平台用于测试实验件受到的冲击载荷。通过设定投放高度和投放姿态参数进行多组实验，从大样本的实验数据中获取重装载人空降车着陆瞬间人体多个部位承受的冲击载荷，对座椅着陆瞬间的受力、模拟人主要关节受力、躯干和四肢受冲击后的甩动范围进行测试和拍摄，获得模拟人坠落过程中的肢体甩动包络，对照人体各部位伤害评价准则，提出装备空降的着陆速度、角度、姿态、座椅抗冲减振以及人体安全空间等设计要求。

4 结束语

乘员-座椅系统的安全性关系到装备效能能否正常发挥。对于空投装备而言，无论是乘员安全防护抑或座椅的安全性设计，都需要接受严苛条件下的性能验证。本文设计的乘员-座椅坠落冲击实验平台可为实验室条件下开展乘员-座椅系统安全性研究提供条件支撑，该实验平台的搭建使得大样本量的高g值着陆冲击实验研究成为可能。且较之装备实车空投试验，该实验平台可大幅降低着陆冲击安全性试验研究的成本，缩短研究周期，具有重要的现实意义。基于该平台还可开展其他与着陆冲击相关的研究工作，实验平台具有较好的通用性。

参考文献：

[1]国耀宇，谈诚，刘炳坤，等.着陆冲击对人体影响及医学评价问题评述[J].航天医学与医学工程，2002，15（6）：455-459.

[2]成自龙，韩延方，曾文艺，等.人体坐姿着陆冲击（+Gz）耐限区间的研究[J].航天医学与医学工程，1997，10（5）：340-343.

[3]颜 娟，杨智春，罗亨存.坐姿人体的冲击动力学响应分析[J].振动与冲击，2010，29（9）：151-154.

[4]柯鹏，杨春信，杨雪松，等.重型货物空投系统过程仿真及特性分析[J].航空学报，2006，27（5）：856-859.

[5]刘炳坤，马红磊，姜世忠.人体对冲击加速度耐受限度研究进展[J].生物医学工程学杂志，2010，27（2）：444-447.

[6]余新刚，刘华，杨嘉陵.人体冲撞耐受性分析中的数值模型[J].航空学报，2008，29（2）：373-377.endprint