兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (8): 2283-2298.doi: 10.12382/bgxb.2022.0331
刘涛1,2, 张宏伟2, 孙晓旺1,*(), 王显会1, 张进成1, 胡杨2
收稿日期:
2022-05-04
上线日期:
2023-08-30
通讯作者:
基金资助:
LIU Tao1,2, ZHANG Hongwei2, SUN Xiaowang1,*(), WANG Xianhui1, ZHANG Jincheng1, HU Yang2
Received:
2022-05-04
Online:
2023-08-30
摘要:
随着现代战争模式的发展,载人空降技术受到越来越多的重视,空降载荷下乘员的安全防护是载人空降的核心问题之一。为此,开展车辆载人空降试验,测试车辆结构响应和乘员损伤响应;建立整车和乘员约束系统有限元模型,采用整车加速度边界施加到乘员约束系统上的仿真方法开展车辆载人空降仿真;结合试验和仿真结果,研究空降冲击下车辆结构的动态响应特性及乘员损伤规律。针对触地速度、悬架弹簧刚度、阻尼参数和坐垫参数4个结构参数,以乘员下胫骨力、盆骨加速度、动态响应指标为指标,进行单因素仿真分析和正交试验仿真分析,研究空降冲击下4个结构参数对乘员损伤的影响规律。研究结果表明:采用的仿真方法能够较好地反映空降冲击下的车辆结构响应和乘员损伤响应;空降冲击下,乘员易受损部位主要有下肢、盆骨和腰椎,其中下肢损伤主要由地板直接冲击造成,盆骨和腰椎损伤由通过车体-立柱-座椅传递到乘员上身的冲击造成;触地速度对乘员损伤的影响最为显著,悬架弹簧刚度、阻尼和坐垫硬度也在一定程度上影响了乘员损伤程度;该研究成果有利于理解空降冲击下车辆结构动态响应特性和乘员损伤机理,对载人空降车辆的设计具有一定的指导意义。
中图分类号:
刘涛, 张宏伟, 孙晓旺, 王显会, 张进成, 胡杨. 车辆载人空降的试验与仿真研究[J]. 兵工学报, 2023, 44(8): 2283-2298.
LIU Tao, ZHANG Hongwei, SUN Xiaowang, WANG Xianhui, ZHANG Jincheng, HU Yang. Experimental and Simulation Study on Vehicle Manned Airdrop[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(8): 2283-2298.
部位 | 损伤指标 | 试验值 | 损伤阈值 |
---|---|---|---|
小腿 | 胫骨轴向压力/kN | 1.2 | <5.4[ |
腰椎 | DRI | 12.4 | <17.7[ |
盆骨 | 盆骨垂向加速度/g | 23@0ms | <23@7ms[ |
表1 假人各部位损伤
Table 1 Damage to all parts of dummy
部位 | 损伤指标 | 试验值 | 损伤阈值 |
---|---|---|---|
小腿 | 胫骨轴向压力/kN | 1.2 | <5.4[ |
腰椎 | DRI | 12.4 | <17.7[ |
盆骨 | 盆骨垂向加速度/g | 23@0ms | <23@7ms[ |
材料 | 密度/(g·cm-3) | Ea/MPa | Eb/MPa | Ec/MPa | vba | vca | vcb | Gab/MPa | Gbc/MPa | Gcb/MPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
帘布 | 7.8 | 21125 | 43.2 | 43.2 | 8.5×10-4 | 8.5×10-4 | 0.5 | 14.5 | 11.8 | 11.8 |
橡胶 | 1.4 | 1429 | 22.5 | 22.5 | 6.1×10-3 | 6.1×10-3 | 0.5 | 7.6 | 6.0 | 6.0 |
表2 轮胎材料参数
Table 2 Parameters of tire materials
材料 | 密度/(g·cm-3) | Ea/MPa | Eb/MPa | Ec/MPa | vba | vca | vcb | Gab/MPa | Gbc/MPa | Gcb/MPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
帘布 | 7.8 | 21125 | 43.2 | 43.2 | 8.5×10-4 | 8.5×10-4 | 0.5 | 14.5 | 11.8 | 11.8 |
橡胶 | 1.4 | 1429 | 22.5 | 22.5 | 6.1×10-3 | 6.1×10-3 | 0.5 | 7.6 | 6.0 | 6.0 |
部位 | 损伤指标 | 试验值 | 仿真值 | 相对误差/% |
---|---|---|---|---|
小腿 | 胫骨轴向压力/kN | 1.2 | 1.1 | 8.3 |
腰椎 | DRI | 12.4 | 12.0 | 3.2 |
盆骨 | 盆骨垂向加速度/g | 16.2 | 14.8 | 9.5 |
表3 假人各部位损伤试验与仿真对标
Table 3 Damage test and simulation benchmarking of various parts of dummy
部位 | 损伤指标 | 试验值 | 仿真值 | 相对误差/% |
---|---|---|---|---|
小腿 | 胫骨轴向压力/kN | 1.2 | 1.1 | 8.3 |
腰椎 | DRI | 12.4 | 12.0 | 3.2 |
盆骨 | 盆骨垂向加速度/g | 16.2 | 14.8 | 9.5 |
影响水平 | v/(m·s-1) | k/(N·mm-1) | α | β |
---|---|---|---|---|
1 | 6 | 200 | 0.50 | 0.5 |
2 | 8 | 300 | 0.75 | 1.0 |
3 | 10 | 400 | 1.00 | 2.0 |
4 | 12 | 500 | 1.25 | 4.0 |
表4 乘员损伤影响因素及影响水平
Table 4 Influencing factors and levels of occupant injury
影响水平 | v/(m·s-1) | k/(N·mm-1) | α | β |
---|---|---|---|---|
1 | 6 | 200 | 0.50 | 0.5 |
2 | 8 | 300 | 0.75 | 1.0 |
3 | 10 | 400 | 1.00 | 2.0 |
4 | 12 | 500 | 1.25 | 4.0 |
触地速度/ (m·s-1) | 座椅安装点加 速度峰值/g | 地板中部加速 度峰值/g | 最大峰值出 现时间/ms |
---|---|---|---|
6 | 71.8 | 60.9 | 71.6 |
8 | 121.6 | 126.4 | 51.1 |
10 | 142.1 | 136.3 | 41.0 |
12 | 161.0 | 152.1 | 37.4 |
表5 不同触地速度下车辆的响应
Table 5 Vehicle response under different ground contact speeds
触地速度/ (m·s-1) | 座椅安装点加 速度峰值/g | 地板中部加速 度峰值/g | 最大峰值出 现时间/ms |
---|---|---|---|
6 | 71.8 | 60.9 | 71.6 |
8 | 121.6 | 126.4 | 51.1 |
10 | 142.1 | 136.3 | 41.0 |
12 | 161.0 | 152.1 | 37.4 |
仿真 编号 | 影响因素 | 试验结果 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
v/ (m·s-1) | k/ (N·mm-1) | β | α | 左下胫 骨力峰 值/kN | 盆骨加 速度峰 值/g | DRI | |
1 | 6 | 200 | 0.5 | 0.50 | 4.8 | 19.4 | 18.7 |
2 | 6 | 300 | 1.0 | 1.25 | 4.5 | 17.8 | 18.8 |
3 | 6 | 400 | 2.0 | 0.75 | 3.6 | 16.6 | 18.8 |
4 | 6 | 500 | 4.0 | 1.00 | 3.6 | 18.3 | 19.7 |
5 | 8 | 200 | 1.0 | 1.00 | 8.3 | 145.2 | 45.8 |
6 | 8 | 300 | 0.5 | 0.75 | 8.5 | 142.2 | 46.0 |
7 | 8 | 400 | 4.0 | 1.25 | 5.5 | 99.8 | 39.1 |
8 | 8 | 500 | 2.0 | 0.50 | 7.9 | 142.3 | 44.7 |
9 | 10 | 200 | 2.0 | 1.25 | 8.7 | 175.1 | 50.7 |
10 | 10 | 300 | 4.0 | 0.50 | 7.6 | 160.4 | 43.2 |
11 | 10 | 400 | 0.5 | 1.00 | 6.3 | 158.3 | 49.1 |
12 | 10 | 500 | 1.0 | 0.75 | 7.4 | 145.3 | 47.1 |
13 | 12 | 200 | 4.0 | 0.75 | 9.7 | 184.6 | 57.9 |
14 | 12 | 300 | 2.0 | 1.00 | 9.8 | 231.4 | 61.8 |
15 | 12 | 400 | 1.0 | 0.50 | 9.1 | 210.0 | 59.9 |
16 | 12 | 500 | 0.5 | 1.25 | 10.1 | 177.2 | 57.9 |
表6 四因素四水平正交试验矩阵
Table 6 Orthogonal test matrix of four factors and four levels
仿真 编号 | 影响因素 | 试验结果 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
v/ (m·s-1) | k/ (N·mm-1) | β | α | 左下胫 骨力峰 值/kN | 盆骨加 速度峰 值/g | DRI | |
1 | 6 | 200 | 0.5 | 0.50 | 4.8 | 19.4 | 18.7 |
2 | 6 | 300 | 1.0 | 1.25 | 4.5 | 17.8 | 18.8 |
3 | 6 | 400 | 2.0 | 0.75 | 3.6 | 16.6 | 18.8 |
4 | 6 | 500 | 4.0 | 1.00 | 3.6 | 18.3 | 19.7 |
5 | 8 | 200 | 1.0 | 1.00 | 8.3 | 145.2 | 45.8 |
6 | 8 | 300 | 0.5 | 0.75 | 8.5 | 142.2 | 46.0 |
7 | 8 | 400 | 4.0 | 1.25 | 5.5 | 99.8 | 39.1 |
8 | 8 | 500 | 2.0 | 0.50 | 7.9 | 142.3 | 44.7 |
9 | 10 | 200 | 2.0 | 1.25 | 8.7 | 175.1 | 50.7 |
10 | 10 | 300 | 4.0 | 0.50 | 7.6 | 160.4 | 43.2 |
11 | 10 | 400 | 0.5 | 1.00 | 6.3 | 158.3 | 49.1 |
12 | 10 | 500 | 1.0 | 0.75 | 7.4 | 145.3 | 47.1 |
13 | 12 | 200 | 4.0 | 0.75 | 9.7 | 184.6 | 57.9 |
14 | 12 | 300 | 2.0 | 1.00 | 9.8 | 231.4 | 61.8 |
15 | 12 | 400 | 1.0 | 0.50 | 9.1 | 210.0 | 59.9 |
16 | 12 | 500 | 0.5 | 1.25 | 10.1 | 177.2 | 57.9 |
影响因素 | 损伤指标 | P |
---|---|---|
左下胫骨力 | 0.003 | |
触地速度 | 盆骨加速度 | <0.001 |
DRI | <0.001 | |
左下胫骨力 | 0.818 | |
坐垫参数 | 盆骨加速度 | 0.217 |
DRI | 0.518 | |
左下胫骨力 | 0.064 | |
弹簧刚度 | 盆骨加速度 | 0.287 |
DRI | 0.837 | |
左下胫骨力 | 0.263 | |
阻尼参数 | 盆骨加速度 | 0.172 |
DRI | 0.282 |
表7 各因素对乘员损伤影响显著性
Table 7 Significance of various factors on occupant injury
影响因素 | 损伤指标 | P |
---|---|---|
左下胫骨力 | 0.003 | |
触地速度 | 盆骨加速度 | <0.001 |
DRI | <0.001 | |
左下胫骨力 | 0.818 | |
坐垫参数 | 盆骨加速度 | 0.217 |
DRI | 0.518 | |
左下胫骨力 | 0.064 | |
弹簧刚度 | 盆骨加速度 | 0.287 |
DRI | 0.837 | |
左下胫骨力 | 0.263 | |
阻尼参数 | 盆骨加速度 | 0.172 |
DRI | 0.282 |
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