战车载人空投着陆缓冲过程仿真模型研究

2022-01-04付新华陈雪阳

振动与冲击 2021年24期

付新华，汪君，陈勇，陈雪阳

(1.空降兵训练基地，广西桂林 541003；2.中航工业航宇救生装备有限公司，湖北襄阳 441003)

战车载人空投是各国空降兵装备重要的发展方向，它解决了人和装备快速结合的问题。这种伞兵全副武装坐在战车内，人和车一块从空中投下的高难空降技术，既节省了作战人员在空降后寻找自己车辆的宝贵时间，同时也增强了空降人员在伞降阶段的装甲保护，对提高空降兵部队的战斗力具有重要意义。目前，只有俄罗斯实现了战车载人空投。要实现战车载人空投，着陆缓冲适应性是必须要解决的关键技术之一。俄罗斯战车载人空投主要采用两种方式进行缓冲：一种是火箭缓冲方式，在BMD-2伞兵战车上曾使用过；另一种是气囊缓冲方式，BMD-3伞兵战车和BMD-4伞兵战车均正在使用。由于火箭缓冲方式存在成本高、设备复杂、保管维修困难等问题，而气囊缓冲装置具有结构简单、使用方便、缓冲效果好、成本低等特点，所以目前俄罗斯战车载人空投主要采用气囊缓冲方式。国内外在气囊缓冲研究中建立了很多特性仿真模型，主要分为热力学方法[1]和有限元法(finite element method，FEM)[2-3]两大类，但对战车载人空投研究相对较少。柯鹏等[4]引入多体系统动力学方法对载人空投的降落伞系统进行了动力学建模与仿真，分析了舱体运动轨迹、速度等特性。谭军等[5]设计出一种可对载人空投过程中乘员人体进行防护的缓冲气囊座椅，并采用MADYMO软件对缓冲气囊座椅进行了数值仿真。刘鑫等[6]基于气囊缓冲原理设计一种全新的气囊缓冲座椅和仿生气囊护颈，并运用多目标遗传算法对气囊装置的动态特性参数进行优化。针对战车载人空投着陆缓冲适应性问题，基于我空降兵现有装备，同时借鉴俄罗斯战车载人空投和我国载人航天的成功经验，以某型伞兵战车为基础，加装俄罗斯战车载人空投采用的“卡兹别克”空投座椅，使用美国LSTC公司开发并验证过的Hybrid Ⅲ假人有限元模型，以某型空投系统气囊缓冲为缓冲方式，基于ANSYS系列软件采用数值仿真技术建立战车载人空投着陆缓冲过程仿真模型，对战车载人空投系统空投着陆缓冲过程中的车体-人的动力学特性进行计算和仿真，全面定量分析空投系统缓冲特性和舱内乘员反应，为战车载人空投系统的论证、研制、后续改进和作战使用等提供理论依据和仿真试验支持。

1 有限元模型的建立

1.1 车体建模

为提高仿真计算效率，建立车体有限元模型时，在保证计算精度的前提下对结构进行必要简化，省略非承载件，去除细小结构特征，对构件表面进行圆整光滑处理，一些质量较大但不承载的部件以质量点的形式进行配置[7]，如炮塔、发动机、变速箱、传动装置等。伞兵战车车体装甲板较薄，采用壳单元进行网格划分，部分实体结构如炮塔座圈、立柱、支座等采用体单元进行网格划分。车体材料本构模型采用Johnson-Cook模型[8]，损伤开始时的塑性应变εD取值为3.81×10-4，材料断裂时的塑性应变εR取值为8.34×10-2，材料断裂时的损伤值DR取值为0.304 4。建立的车体三维几何模型及有限元模型，如图1所示。整个车体模型由98 643个单元和105 509个节点组成。

图1 车体三维模型及有限元模型

1.2 缓冲气囊系统建模

1.2.1 气囊系统有限元模型

缓冲气囊系统由8个独立气囊和底板组成。由于只对着陆缓冲过程进行研究，空降前气囊的折叠与空降过程中气囊的展开不予考虑，故气囊模型为展开后的状态。气囊采用壳单元进行网格划分。基于理想气体均匀压力模型，采用控制体积法建立缓冲气囊模型。气囊在着陆缓冲过程中会产生较大的压缩变形。气囊自接触模型，气囊与地面、车体以及底板的接触模型，均采用罚函数法进行求解。气囊系统三维模型及有限元模型，如图2所示。

图2 气囊系统三维模型及有限元模型

1.2.2 气囊的控制方程[9]

建立气囊缓冲系统模型采用以下假设：①囊内气体是理想气体；②忽略系统着陆过程中的气动阻力；③囊内空气均从排气孔排出；④气囊内部气压是均匀的；⑤认为缓冲过程为绝热过程。于是可以得到

(1)

式中：P为气囊内气体压力；P0为气囊内气体的初始压强；m为气囊内气体的质量；m0为气囊内气体的初始质量；V为气囊内气体体积；V0为气囊内气体的初始体积。

气囊的控制体积模型将气囊看成是不断变化的控制体积。在有限元计算中，气囊内气体体积可以通过式(2)计算

(2)

气囊内气体质量变化率是由进入和排出气囊的气体质量流量决定的。

(3)

在实际中，缓冲气囊在着陆之前已完全充满，其充气过程不影响着陆缓冲过程，因此仅需考虑排出气囊的气体质量流量。排出气囊的气体质量流量可通过式(4)计算

(4)

式中：K为流量系数；A为排气孔面积；R为气体常数；T为气囊内气体的温度；Pe为大气环境压强；γ为空气的绝热指数，取值为1.4。

在计算中每一步首先基于给定的热力学气囊模型计算出气囊内部的气体压力，然后将气囊内部压力作为载荷施加到气囊上来求解气囊下一步的形状。

1.3 乘员人体建模

根据战车载人空投实际，乘员人体采用美国LSTC公司开发并验证过的Hybrid Ⅲ躯干假人有限元模型。该组假人模型经过标准碰撞试验验证，包括刚体假人和黏弹性体假人，被广泛应用于乘员防护问题的研究。选择Hybrid Ⅲ中的50分位男性假人模型，假人载荷物理特性参数如表1所示[10]，该假人模型身体各部位由黏弹性体部件组成，可以更好的模拟战车载人空投着陆冲击过程中人体各部位的动力学响应。参考人体关节角度调节范围表，调整Hybrid Ⅲ假人姿势，使各肢体关节的角度满足人体舒适性和空投座椅总体尺寸要求。

表1 假人载荷物理特性参数

1.4 空投座椅及安全保护设施建模

借鉴俄罗斯战车载人空投成功经验，为保护车内乘员，战车内需加装空投座椅，它与载人飞船上使用的宇航员座椅相似，乘员呈仰卧状，座椅头部有减震器。空投着陆过程中，乘员用腰部安全带加双肩带固定，并戴有安全头盔。俄罗斯战车载人空投采用的“卡兹别克”空投座椅，如图3所示。乘员安全保护设施包括头盔、头罩内部和椅盆内部的缓冲泡沫、“五点式”安全带及左、右护膝等。为减少计算量，在保证模型精度的前提下对空投座椅及安全保护设施模型进行了一定程度的简化。将调整好姿态的Hybrid Ⅲ假人模型加载到空投座椅中，装配成人体-空投座椅有限元模型，如图4所示。

图3 “卡兹别克”空投座椅

图4 人体-空投座椅有限元模型

1.5 战车载人空投有限元模型

基于建立的车体有限元模型、气囊系统有限元模型、人体有限元模型、空投座椅有限元模型以及安全保护设施有限元模型等进行模型装配，形成战车载人空投系统有限元模型，如图5所示。

图5 战车载人空投有限元模型

2 有限元模型的试验验证

以某型战车气囊缓冲系统实际空投对建立的有限元模型进行验证，试验情况如图6所示。对钢车配重使之达到Xt，将过载传感器装在钢车下底板的前后轴线中心。按照空投状态将缓冲气囊系统与钢车相应接口连接，利用自由落体公式(h=V2/2g)换算8 m/s落速条件下对应的冲程。所有准备工作完毕后，利用25 t吊车将钢车提升至预定冲程，通过控制脱离装置释放钢车，钢车在重力作用下自由下落至地面完成一次冲击。对气囊的3个工作状态按8 m/s进行冲击。利用普通摄像机拍摄试验全过程。高速摄像机拍摄动态试验图片，并从图片中判读钢车标记点的位移曲线。测试过程中，利用多路按钮开关实现光电测同步测试。测点过载峰值和反弹位移仿真值与试验结果对比，如表2所示。加速度、位移对比曲线如图7所示。

图6 试验情况

表2 过载峰值和反弹位移对比

图7 加速度曲线和位移曲线对比

从结果表及曲线图可以看出，过载仿真值与试验值相对误差较小，过载曲线虽不完全重合，但变化趋势相同。过载曲线不完全重合的主要原因是过载传感器测量过程中存在信号杂波导致过载曲线有较大波动。反弹位移仿真值与试验值相对误差稍大一些，主要原因在于试验中通过判读图片的方式来确定位移本身就存在误差。去掉位移基点不同造成的位移偏移后，两者位移曲线吻合度较高。综上分析，建立的着陆缓冲模型是可行的，具有较高的可信度，可用于战车载人空投着陆缓冲过程仿真分析。

3 人体损伤评价指标

3.1 头部损伤评价

着陆冲击下的头部伤害属于闭合性脑损伤，主要有头骨骨折和脑损伤(脑震荡和脑挫裂伤)等。采用国际上最为广泛使用的头部伤害标准HIC进行评价。HIC是由在某段时间内，头部质心合成加速度的积分获得，其定义如下

(5)

式中：T0为碰撞起始时刻；TE为碰撞终止时刻；α(t)为T0≤t≤TE碰撞过程中头部质心合成加速度，g；t1，t2为使HIC达到最大值的起始、终止时刻，ms。对t1，t2的确定有不同的方法，美国FMVSS先后采用了HIC36≤1 000和HIC15≤700进行人体伤害评价。由于战车空投着陆中头部没有和舱内尖锐部件发生强烈撞击，故采用HIC36≤1 000评价标准。

3.2 颈部损伤评价

因颈部损伤准则NIC主要采用加速度信号，较易受碰撞中非颈部向后运动信息的干扰，Nij准则在低速尾撞中不适合使用，根据战车载人空投实际，采用Schmitt等提出的NKM对颈部损伤进行评价。NKM是上颈部剪切力和弯矩的线性和。根据剪切力和弯矩的不同方向，NKM分成4个部分，如表3所示，最终的颈部损伤NKM是根据这4个值中最大值来确定。NKM的主要优点是直接和力矩相关，可以直接从碰撞数据中获得，对颈部发生S形损伤能够较好的预测。FMVSS规范中要求NKM不应超过1.4。

表3 NKM的组成部分

NKM计算公式为

Fint=845 N

Myoc>0⟹Mint=88.1 N·m

Myoc<0⟹Mint=47.5 N·m

(6)

式中，Myoc为弯矩。

3.3 胸部损伤评价

根据战车载人空投实际，胸部损伤评价采用胸部伤度指数CSI、胸部压缩量和胸部加速度峰值准则。

(1)胸部伤度指数CSI

(7)

式中：ac(t)为胸部合成加速度，g；t为撞击胸部的作用时间；CSI不应超过700。

(2)胸部压缩量和胸部加速度峰值准则。在着陆冲击过程中，假人胸部压缩量(躯干和肋骨的最大压缩量，用来表明胸部的骨折情况)最大值和胸部加速度峰值(Clip3m)都不得大于法规规定的极限值。利用胸骨后部的胸部电位测量计，可以获得假人的胸部压缩量。利用上胸部的三轴加速度计可以测量胸部承受的峰值加速度。考虑胸部压缩量和加速度过载，3 ms的冲击作用下，假人胸部压缩量应不超过76 mm，加速度过载不超过60g。

4 乘员损伤计算与分析

4.1 不同垂直着陆速度时

战车在平原地区(海拔为0)以水平姿态在水平地面以不同垂直着陆速度(横向纵向着陆速度均为0)载人空投着陆时，对应的乘员损伤评估值如表4所示。

表4 不同垂直着陆速度时乘员损伤评估

(1)垂直着陆速度越小，战车冲击过载越小，反弹越小，着陆过程越平缓，乘员头部、胸部和颈部各项伤害指标值越小。

(2)气囊缓冲系统可实现伞兵战车载人空投垂直着陆速度小于9 m/s时的有效缓冲，乘员头部、胸部和颈部各项伤害指标值均较小，头部损伤HIC36<190，胸部损伤CSI<66，胸部损伤连续3 ms Clip3m<18.42g，胸部压缩量小于4.4 mm，颈部损伤NKM<0.47，各数值均小于人体耐受限值，载人空投是安全的。

(3)垂直着陆速度为10 m/s时，头部损伤HIC36为410.1，小于耐受限值1 000，胸部损伤CSI为550.7，小于耐受限值700，胸部压缩量为14.37 mm，小于耐受限值76 mm，但Clip3m为88.04g，大于耐受限值60g，颈部损伤NKM为2.17，大于耐受限值1.4，说明垂直着陆速度超过安全门限时，乘员的胸部和颈部首先受到伤害。

4.2 不同水平着陆速度时

战车在平原地区以水平姿态在水平地面以不同水平着陆速度(垂直着陆速度8 m/s)载人空投着陆时，对应的乘员损伤评估值如表5所示。实际空投着陆时，战车因地锚的作用一般只会产生水平纵向向前和横向速度，故只针对水平纵向向前和横向速度变化情况进行仿真。

表5 不同水平着陆速度时乘员损伤评估

(1)气囊缓冲系统可实现伞兵战车载人空投纵向水平着陆速度小于8 m/s，横向水平着陆速度小于6 m/s时的有效缓冲，乘员头部、胸部和颈部各项伤害指标值均较小，头部损伤HIC36<181，胸部损伤CSI<52，胸部损伤连续3 ms Clip3m<20g，胸部压缩量小于6 mm，颈部损伤NKM<0.41，各数值均小于人体耐受限值，载人空投是安全的。

(2)水平着陆速度越小，战车冲击过载越小，乘员头部、胸部和颈部各项伤害指标值相对也越小。一旦水平速度超过上述安全界限，战车会侧滑冲上地面，造成冲击过载迅速增加，乘员头部、胸部和颈部各项伤害指标值也会迅速增加。

(3)头部质心合成加速度曲线、胸部承受加速度曲线、胸部压缩量变化曲线、颈部X方向受力曲线、颈部受弯曲力矩曲线分别如图8～图12所示。战车载人空投着陆过程中，随着战车对气囊的压缩，气囊对战车作用力迅速增大，战车冲击加速度增大，假人头部质心合成加速度、胸部承受加速度、胸部压缩量、颈部受弯曲力矩以及X方向受力均迅速增大，在战车触地碰撞(战车底部距离地面最近)时各伤害指标值达到最大值，随后迅速减小，伤害指标曲线出现阻尼振荡，频率约100 Hz，直至着陆过程结束。水平着陆速度较大时，战车因反弹会发生较明显二次触地碰撞，各伤害指标曲线会出现第二次峰值，并且因此时气囊内空气基本排空，不能对战车实现有效缓冲，假人二次碰撞伤害指标曲线峰值处会变得较为尖锐。

图8 不同水平着陆速度时头部质心合成加速度曲线

图9 不同水平着陆速度时胸部承受加速度变化曲线

图10 不同水平着陆速度时胸部压缩量变化曲线

图11 不同水平着陆速度时颈部X方向受力曲线

图12 不同水平着陆速度时颈部受弯曲力矩曲线

4.3 不同海拔地区着陆时

战车以水平姿态在不同海拔地区水平地面以垂直着陆速度8 m/s(横向纵向着陆速度均为0)载人空投着陆时，对应的乘员损伤评估值如表6所示。

表6 不同海拔地区着陆时乘员损伤评估

(1)着陆场海拔越高，战车冲击过载越大，乘员头部、胸部和颈部各项伤害指标值越大。

(2)气囊缓冲系统可实现伞兵战车载人空投着陆场海拔3 000 m以下地区的有效缓冲，乘员头部、胸部和颈部各项伤害指标值均较小，各数值均小于人体耐受限值，载人空投是安全的。

(3)着陆场海拔为3 000 m时，头部损伤HIC36为228.2，小于耐受限值1 000，胸部损伤CSI为384.3，小于耐受限值700，胸部压缩量为15.66 mm，小于耐受限值76 mm，但Clip3m为71.43g，大于耐受限值60g，颈部损伤NKM为1.52，大于耐受限值1.4，说明着陆场海拔超过安全门限时，乘员的胸部和颈部首先受到伤害。

4.4 X方向地面倾斜5°时

战车空投时，通常会选择地势平坦区域作为空降场，一般要求着陆地面的倾斜度不得大于5°。战车在平原地区以水平姿态在X方向正向倾斜5°地面(上坡面)以不同水平着陆速度(垂直着陆速度8 m/s)载人空投着陆时，对应的乘员损伤评估值如表7所示。

表7 X方向地面倾斜5°时乘员损伤评估

(1)与不倾斜相比，地面X方向有正向倾斜时，乘员头部、胸部和颈部各项伤害指标值均明显增大，主要原因在于地面X方向倾斜造成战车纵向存在明显的冲击过载。

(2)地面X方向有正向倾斜时，纵向水平速度安全区间值迅速减小，并且随着速度值增加，乘员头部、胸部和颈部各项伤害指标值均迅速增大；横向水平速度安全区间变化不大，但各项伤害指标值均明显增大。

(3)地面X方向正向倾斜5°情况下，垂直着陆速度为8 m/s、纵向水平向前着陆速度为2 m/s时，头部损伤HIC36为265.9，小于耐受限值 1 000，胸部损伤CSI为319.8，小于耐受限值700，胸部压缩量为12.12 mm，小于耐受限值76 mm，颈部损伤NKM为1.199，小于耐受限值1.4，但Clip3m为66.84g，大于耐受限值60g，说明地面X方向正向倾斜5°情况下，若纵向水平向前着陆速度超过安全门限时，乘员的胸部首先受到伤害。

4.5 Y方向地面倾斜5°时

战车以水平姿态在平原地区Y方向正向倾斜5°地面(顺时针倾斜)以不同水平着陆速度(垂直着陆速度8 m/s)载人空投着陆时，对应的乘员损伤评估值如表8所示。

表8 Y方向地面倾斜5°时乘员损伤评估

(1)与不倾斜相比，地面Y方向有倾斜时，乘员头部、胸部和颈部各项伤害指标值均增大，主要原因在于地面Y方向倾斜造成战车横向存在明显的冲击过载。

(2)地面Y方向有倾斜时，纵向、横向水平速度安全区间变化均不大，随着速度值增加，乘员头部、胸部和颈部各项伤害指标值均增大；横向水平速度向左时，与水平速度向右相比，各项伤害指标值均偏大，主要原因在于地面Y方向正向倾斜对水平向左速度有明显阻挡作用，使冲击过载增大。

(3)地面Y方向正向倾斜5°情况下，气囊缓冲系统可实现伞兵战车载人空投纵向水平向前着陆速度小于6 m/s，横向水平速度小于6 m/s时的有效缓冲，乘员头部、胸部和颈部各项伤害指标值均较小，头部损伤HIC36<207，胸部损伤CSI<230，胸部损伤连续3 ms Clip3m<41g，胸部压缩量小于21 mm，颈部损伤NKM<0.92，各数值均小于人体耐受限值，载人空投是安全的。

(4)对于同样气囊缓冲系统，地面平坦时的缓冲效果优于地面起伏不平时的缓冲效果，并且在地面起伏区域可适应的水平速度区间相对于地面平坦区域会大幅降低。