防雷座椅性能仿真分析及台架试验

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摘要

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国内外越来越重视装甲车的防雷性能，对大多数防雷车而言，安装性能合格的防雷座椅是提升乘员生存概率的基本条件之一。本文通过对防雷座椅的性能进行仿真分析及台架试验，以验证该座椅的防雷性能是否能满足STANAG 4569的标准。

 关键词：防雷座椅、北约4569、动态响应指数

1. 

       引言

1.1国外情况

全球局部战争案例和维和行动实践都表明，轮式装甲车受地雷和路边简易爆炸物的攻击，导致作战人员伤亡主要发生在地面推进和城市巷战中。比如两次伊拉克战争中美军大部分伤亡是由各种爆炸物造成的，由此可见，提高轮式装甲车的防地雷能力，保护车内人员的安全是迫在眉睫的问题。

“悍马”在不断改装中越来越不堪重负，装甲薄、信息化程度过低，已无法胜任美国在全球反恐战场上的需求。JLTV，一款开发于上世纪八十年代的轻型通用车辆。在防护方面，JLTV能够根据危险级别搭配不同的装甲设置，分为A级和强化后的B级，能够抵御小型地雷、炮弹破片和RPG火箭的攻击。A级装甲须达到北约STANAG 4569标准的1级防护水平，能够抵御30米内7.62毫米弹药的全向射击，100米处155毫米高爆榴弹爆炸后的冲击波和破片。对地雷和路边爆炸物的防护要达到STANAG 4569标准的3级水平，即6千克级TNT当量爆炸物，未来要达到8千克级TNT当量爆炸物的水平。B级装甲须达到北约STANAG 4569标准的3级防护水平，即能够抵御7.62～14.5毫米穿甲弹的射击，60米处155毫米高爆榴弹爆炸后的冲击波和破片。对地雷和路边爆炸物的防护水平要达到STANAG标准的4级水平，即能抵御10千克级TNT当量爆炸物在附近爆炸。

图1 JLTV车

装甲车辆在地雷爆炸载荷作用下的破坏主要表现为结构严重受损和乘员伤亡两个方面。因此，对轮式装甲车辆进行防护，既要避免装甲车辆结构严重受损，又要降低乘员伤亡概率。这两者之中，保证乘员安全是第一位的。

为了抵御爆炸冲击对结构的破坏，装甲车辆的结构往往做得刚度和强度比较大，传递到车内的过载一般都超过人体承受极限。因此，对大多数防雷车而言，安装性能合格的防雷座椅是提升乘员生存概率的基本条件之一。

1.2国内情况

部队对第三代重型战术军车的技术要求：一是标配装甲驾驶室，加强防护性以应对越来越复杂的战场环境，二是发动机布置方式采用欧美战术军车常用的中置方式，三是配备全独立悬挂，提高机动性，四是配备大马力自动变速箱(AT)。

在地雷防护方面，三代重型高机动战术军车对地雷和路边爆炸物的防护要达到STANAG 4569标准的3级水平，即6千克级TNT当量爆炸物。

由此可以看出，部队对车辆的防雷性能已经越来越重视，新一代军车的防雷性能已经作为军车的重要考量指标，军车除了底部增加防雷组件外，安装性能合格的防雷座椅是提升乘员生存概率的基本条件之一。

图2 陕汽某型军车

2. 

       防雷座椅指标

如图3所示，该款防雷座椅采用顶部悬挂安装、底部非固定式安装的方式，地雷爆炸时，可以有效减小输入到座椅的冲击加速度。座椅安装了特制吸能器，有效缓冲行程150mm，同时配备了头部侧向防护装置、身体侧向包裹装置、脚部防护装置。受到地雷爆炸时，该款防雷座椅可有效保护乘员的生命安全。

根据国内情况及STANAG 4569标准规定，整理出以下防雷座椅指标。

图3 座椅结构

2.1试验标准

AEP-55 第2卷 后勤及轻型装甲车辆防护等级评估方法；

GB 11551-2014 汽车正面碰撞的乘员保护；FMVSS 208 乘员碰撞保护；

GJB 150.18-86 冲击试验；ISO 6487 碰撞试验测量技术：检测仪器。

2.2试验环境要求

空气相对湿度不超过85%，温度为10～30℃ 。

2.3设施设备

采用与TARDEC跌落式冲击实验台。规定三角脉冲持续时间5~15ms，峰值加速度不小于350g，冲击速度不小于10m/s，波形的容差小于20%。

2.4测试仪器要求

2.4.1振动加速度

振动加速度传感器安装LOFFI安装结构，测试通道不少于8个，量程5000g。

2.4.2试验假人

假人传感器布置要求如表1所示。

表1 试验拟人测试装置测试项目

座椅应该根据假人的尺寸和重量进行调试。如果在不同的功能情况下有不同的座椅位置，必须对最危险的坐姿进行测试。安全带应该正确安装和使用。根据实际情况，安全带应尽量系紧，在有收缩器的情况下，让安全带尽量收缩。试验假人的着装应该与真实车辆乘员或载员的着装保持一致，鞋应该与在正常情况下测试车辆所要求乘员或载员穿着一样，并应保持状态良好。头部佩戴作战用头盔。

2.4.3高速摄像

高速摄像帧数为不小于2000帧。

2.4.4数据采集要求

（1）数据同步

（2）假人数据采样率不小于100kHz，加速度、声压采样率不小于200kHz。

2.5试验数据处理原则、方法和合格判定准则

2.5.1试验数据处理原则和方法

参照国标、国军标以及相应行业标准中规定的试验数据处理原则、方法，进行试验数据的统计和处理。

表2 人体伤害限值

3. 

       防雷座椅性能仿真分析

3.1 仿真建模

根据车辆座椅性能测试标准，针对防雷座椅结构仿真计算了座椅在给定冲击载荷下的响应，主要考察座椅结构的应力、假人头部和盆骨部位的加速度，并计算相应的评价参量，进而评价座椅的抗爆炸冲击性能。

根据任务需求，建立的座椅有限元分析模型如图3.1所示。为分析结构响应，绝大部分部件采用了可变形体建模。在座椅支架下端施加峰值为350g、脉冲宽度为6ms的半正弦加速度载荷。

图4 座椅结构模型

座椅加装假人后的整体结构如图3.2所示。假人采用HYBRID III 50th 假人模型。

图5 座椅加装假人后的整体结构

3.2 仿真输出结果

图6  3ms时座椅支架Von Mises应力云图

图7  6.2ms时座椅支架Von Mises应力云图

图8 座椅支架应力典型单元位置

图9 座椅支架典型单元应力时间历程曲线

图6至图9为座椅支架的应力情况。由云图可以看出，支架应力较大的部位主要在连接空气弹簧的横杆处以及立杆中间及底部。由曲线图可以看出，支架横杆处的应力变化过程随着空气弹簧的作用而震荡。在5ms左右，应力值达到屈服极限，出现轻微塑性变形。立杆部位的应力在前期载荷作用期间有所增大，随后减小，由于底部起一定的支撑作用，应力在后期又增大。其他部件的响应均在弹性范围内，未发生塑性变形。

图10 100ms时刻座椅支架有效塑性应变云图

图11 座椅支架有效塑性应变典型点位置

图12 有效塑形应变典型点时间历程曲线

图10至图12为座椅支架的有效塑性应变情况。由云图和曲线图可以看出，座椅支架在顶部铰链连接处有效塑性应变值较大，达到了0.22，应该注意座椅连接部位的强度，以免发生局部断裂的情况。其余部分的有效塑性应变值均较小，破坏的可能性较小。

图13 假人胸腔前后壁面速度差曲线

上图为假人胸腔前后壁面速度差随时间的变化曲线，由图可以看出，假人胸腔的最大速度差出现在5ms，数值为0.51m/s，明显小于AEP-55规定的胸腔受伤允许速度3.6m/s。

图14假人颈部加速度随时间变化曲线

图15 假人头部加速度随时间变化曲线

图16 假人盆骨加速度随时间变化曲线

上图显示了假人主要部位的加速度随时间的变化曲线。由图可知，假人头部和颈部的加速度随时间变化的曲线基本一致，最大加速度出现在5ms，最大值为117m/s2。盆骨最大加速度为111m/s2，约为11.3g，没有超过一般设计容许值20g。

根据北约相关标准（AEP-55 volume II），可利用动态响应指标模型DRI（dynamic response index）评估胸腰椎受轴向压缩损伤可能性，主要通过试验采集假人盆骨z向加速度作为模型输入，脊椎数学模型简化为二阶质量-阻尼-弹簧系统的输出，通过输入计算得到该系统的最大压缩挠度，即可求出该动态响应系数DRIz。AEP-55标准中胸腰椎伤害DRIz限制值为17.7，低于此值时，胸腰椎发生AIS2 伤害的可能性小于10%。

该模型的运动方程为

上式中为盆骨轴向加速度；表示该系统的压缩挠度；为阻尼系数；为系统自振频率，大量试验确定和取值分别为0.224和52.9rad/s；那么。

把加速度曲线代入上面微分方程，可求得，明显小于17.7。

头部伤害评估标准按下式计算（HIC, Head Injury Criterion）

一般考虑HIC15和HIC36。若为了降低时间累积效应影响，HIC15用得更多。把图3.12所示假人头部加速度曲线代入上式，积分可得

对照图3.14所示的头部伤害评估标准可知，假人头部出现伤害的可能性很低，在给定的载荷下，座椅起到了较好的缓冲作用。

图17 头部伤害风险与HIC15之间的关系

图17 头部伤害风险与HIC15之间的关系前面对放置Hybrid III 50th假人的防雷缓冲座椅的动态响应进行了数值仿真，取得了假人关键部位响应数据，得出如下结论：

（1）在给定冲击载荷的作用下，放置Hybrid III 50th假人时，防雷缓冲座椅结构的变形大部分在弹性范围内，但在局部出现了较明显的塑性变形。

（2）放置Hybrid III 50th假人时，假人盆骨处最大加速度为11.3g，没有超过设计容许值。按照北约AEP-55标准计算出的DRIz值为1.81，明显小于17.7。说明腰椎出现损伤的可能性小。

（3）经过座椅的缓冲后，假人头部过载也不大，HIC15=117，出现损伤的可能性很小。

总的说来，防雷缓冲座椅的设计比较成功，起到了明显的缓冲作用。

4. 

       防雷座椅冲击试验台试验

将座椅安装到冲击试验台上并安装假人，如图18所示。冲击试验完成后，冲击报告如表3所示。

图18 防雷座椅冲击试验

表3 防雷座椅冲击试验表

5. 

       结束语

通过仿真分析和座椅台架试验，均验证了该防雷座椅具有良好的防雷吸能，假人内传感器检测的数据均满足STANAG 4569所规定的要求，动态响应指数DRI≤17.7。

参考文献

[1] AEP-55/volume2, Procedures for Evaluating The Protection Levels of Logistic and Light Armoured Vehicle Occupants for Grenade and Blast Mine Threats Level[S]. Bvd Leopold III-1110 Brussels-BE. NATO STANDARDIZATION AGENCY (NSA),2006

[2] Survivability Evaluation of Blast Mitigation Seats for Armored Vehicles

    Ming Cheng，Doug Bueley，Jean-Philippe

Dionne，Aris Makris，September 15,2011