侧面爆炸环境下乘员损伤规律仿真研究

2022-12-14沙康康孙晓旺张绍彦王显会

兵器装备工程学报 2022年11期

沙康康，孙晓旺，彭兵，张绍彦，王显会

(南京理工大学机械工程学院，南京 210094)

1 引言

近年来，随着战争模式逐渐转变为局部非对称战争，来自底部的地雷爆炸和侧面的简易爆炸装置(improvised explosive device，IED)成为军用车辆面临的主要威胁[1-3]。目前国内外对于车辆底部爆炸环境下乘员损伤的研究得到了快速的发展。王波等[4]基于人体有限元模型，研究了在底部爆炸环境下车辆乘员身体主要部位在底部爆炸条件下的损伤风险。Mackiewicz A等[5]研究了在底部爆炸环境下，乘员相对于炸点的位置和是否使用安全带对颈椎损伤风险的影响。尹宁等[6]结合座椅跌落试验台，研究了在底部爆炸环境下穿戴装备对乘员腰椎和颈椎损伤风险的影响。Gzik M等[7]研究了不同炸点位置工况下乘员头部和颈部的损伤情况。

可见，为了提高底部爆炸防护性能，国内外学者已经进行了大量的试验和仿真研究，但对车辆侧面爆炸防护方面的研究较少。Barnat W等[8]建立了某特种车辆的有限元模型，通过仿真分析了其在侧面爆炸环境下车身结构的变形形态和数值响应。张良安[9]、彭兵[10]、曾爱[11]等研究了侧面爆炸环境下车身的变形与吸能特性，并对车身结构进行了改进设计，提高了车辆的侧面抗爆性能。Malesa P等[12]利用有限元仿真验证了车身侧围采用复合吸能机构可以更好的吸收能量，缓解侧面爆炸冲击。Panowicz R等[13]利用流固耦合算法仿真分析了某轻型轮式车辆在遭受侧面IED爆炸冲击时乘员头部和盆骨的损伤情况。综上，关于侧面爆炸的研究大都集中在车身结构上，少部分研究涉及到对乘员某些主要部位进行损伤风险的评估，而准确判断车内人员高损伤风险部位及致伤机制,是进行车辆爆炸冲击防护设计的必要前提，因此先前研究人员的工作对于提高车辆侧面爆炸防护性能的研究并不完善。

本文中首先建立了某型装甲车的台车试验台架模型，并根据车辆底部6 kg实爆试验验证了有限元模型的准确性；随后建立了车辆侧面爆炸模型进行有限元仿真，分析了乘员的动态响应和损伤情况，根据仿真结果找到乘员损伤原因；最后改变炸点位置，研究了其对乘员主要损伤部位损伤风险的影响。

2 台车试验台架模型的建立

2.1 台车试验台架模型的建立

本文中以某型军用车辆为研究对象，利用有限元软件建立了台车试验台架模型，模型采用模块化建模的方法，该台架模型共分为3个模块，分别为乘员舱模块、乘员与约束系统模块和台架模块，如图1所示。

乘员舱模块主要由白车身、车门、车架、防雷组件等组成，车顶和地板的横向与纵向位置分别布置有若干加强梁；车门由车门外板、内板、窗框、车窗和门锁组成，通过车门铰链与车身侧围连接；车架与车身进行焊接，两端置于台架上，用于支撑乘员舱总成；防雷组件通过螺栓与车身底部连接件连接。乘员及约束系统模块包括人体形态测试装置(anthropomorphic test device，ATD)、座椅和安全带。采用Hybird-Ⅲ型50分位男性测试假人，该假人模型头部、颈部、胸部、盆骨、大腿、上下胫骨均装有相应的加速度、力和力矩传感器。安全带为4点式安全带，分为左右肩带和腰带。ATD与座椅的坐垫进行预压处理，模拟乘员坐在座椅上的真实状态。乘员座椅通过2根天地梁用螺栓连接在乘员舱地板和车顶加强梁上。台架模块由铁墩和配重块组成，配重以实体单元的形式进行模拟，为了更好地模拟实车状态,前后质量分别为2 t和2.5 t。将各模块按照实际情况连接，组成的台车试验台架有限元模型如图2所示。

图1 各子模块有限元模型示意图

图2 台车试验台架有限元模型示意图

2.2 材料模型的建立与接触定义

由于车身外围结构直接受到爆炸威胁，因此包括车门外板、前围、后围、车顶、地板等均采用高强度的6252型防弹钢，并选用JOHNSON_COOK本构模型[14]，该模型能够准确模拟金属材料在高速冲击载荷下的力学性能，本构方程如式(1)所示，根据拉伸试验机和霍普金森试验装置获取材料动态本构参数,见表1。

(1)

表1 Johnson-Cook模型材料参数

由于部分车身内板和梁结构不与冲击波直接耦合，材料性质变化不大，因此采用Q235钢和DL510钢，并选用PLASTIC_KINEMATIC本构模型[15]，具体材料参数见表2[11]。

表2 PLASTIC_KINEMATIC模型材料参数

为准确模拟零部件的连接、约束和相对运动关系，需要根据实车模型在相应位置建立准确的连接关系(如建运动副、刚柔耦合等)。车身结构大部分由钣金件焊接而成，要考虑连接部位焊接失效问题，所以用Beam单元模拟焊接。螺栓孔部位不考虑螺栓失效，所以将螺栓孔所有节点用Rigidbody进行刚性连接。为了防止部件在爆炸冲击作用下发生大变形与周围其他部件发生穿透，保证爆炸冲击力的传递，各部件之间采用关键字*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE设置自接触。

3 有限元模型的验证

根据现有试验环境条件和设备进行台车的底部爆炸试验，并根据试验建立了台车底部爆炸仿真模型，对比试验与仿真结果，验证模型的准确性。

3.1 台车底部爆炸试验

为了验证有限元模型的准确性，进行了某军用车辆台车的底部爆炸试验。该台车试验台架包括乘员舱、台架、乘员及约束系统，根据AEP55-VOL(2)[16]中规定的试验标准进行了乘员舱底部6 kg TNT当量的实爆测试。所用的爆炸品呈圆柱状，高径比为H/D=1/3,爆炸品上表面距离地面约100 mm，距离防雷组件最低处约500 mm，本次试验炸点位于车身腹部中心底部。车内驾驶员位置放置Hyper-Ⅲ型50分位测试假人，其余位置放置约75 kg的配重沙袋模拟乘员的重量。试验时，在后排乘员足部位置布置2个形变测试装置，该装置可以检测出后排乘员足部位置地板发生的最大动态变形。台架模块采用钢块和沙袋进行配重，前部配重约2 t，后部配重约2.5 t，与有限元模型保持一致。试验的局部测试项布置情况如图3所示，试验前台车试验台架的整体状态如图4所示。

图3 试验测试项布置现场图

图4 台车试验台架试验前状态图

3.2 台车底部爆炸有限元仿真模型

根据台车实爆试验,建立了台车底部爆炸有限元仿真模型，如图5所示。本次仿真采用任意流固耦合算法，根据试验工况建立了爆炸流场模型，包括空气、土壤和炸药。空气与土壤采用六面体实体网格进行划分，网格单元的基本尺寸为30 mm，其中土壤区域的上表面与车辆底部组件的最低位置相距400 mm。采用关键字*INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY对炸药进行定义，炸药上表面与土壤域上表面距离100 mm。车身与空气和土壤域的流固耦合通过*CONSRTAINED_LAGRANGE_IN_SOLID关键字来定义。

图5 台车底部爆炸有限元仿真模型示意图

3.3 结果对比分析验证

通过将试验数据与仿真数据进行对比分析，验证车辆有限元模型的准确性，以便于接下来的研究分析。本文将从车身结构和车内乘员数值响应等2个方面进行验证。

仿真中后排乘员足部位置地板动态变形曲线如图6(a)所示。测得后排左、右乘员足部地板的最大动态变形分别为62.7 mm、77.1 mm。试验时用变形梳测得的后排左右乘员足部底板的最大变形挠度分别为60 mm、78 mm，将仿真与试验的结果进行对比分析，得到后排乘员左右足部地板变形挠度的误差分别为4.3%、1.1%。试验和仿真对应的 ATD 数值响应曲线如图6(b)所示。仿真中驾驶位 ATD左、右小腿下胫骨力峰值分别为 6.65 kN、6.2 kN，试验结果分别为 6.21 kN、5.78 kN，将仿真与试验的结果相比，仿真中的数值偏大，左右小腿下胫骨力的误差分别为7.1%、7.3%。综上所述，车身结构和乘员响应数值误差均小于8%，满足精度要求，车辆有限元模型可用于后续的仿真研究。

图6 仿真与试验结果曲线

4 乘员的动态响应与损伤分析

4.1 侧面爆炸边界的确定与仿真分析

在北约AEP55-Vol(3)[17]中，对装甲车辆遭受侧面爆炸的不同工况和乘员损伤标准进行了详细的介绍。其将放置在车辆周围1 m以内的IED定义为底部威胁，并通过战斗部装药质量为m，与车身侧围的距离为L，距离地面的高度为H相对关系对装甲车辆乘员防护IED等级进行了规定，但是有关侧爆试验方法的具体数值是保密的。相关文献[9-11,18]对于装甲车侧面的爆炸边界也各不相同，炸药当量、距车身侧围距离以及距地面距离的具体参数均是自定义，没有统一的标准。因此，本文将结合相关文献并综合考虑战场上的实际情况，将战斗部设置在距驾驶员侧车身侧围的距离L为1 m处，距地面的距离H设置为1.25 m，即战斗部在水平方向上正对乘员盆骨位置。战斗部选用155 mm榴弹，内部装药为8.5 kg。

在仿真过程中，爆炸冲击波的扩散过程如图7所示。在0.25 ms时刻冲击波到达车身侧围，冲击力开始传递至车身结构，0.4 ms时冲击波完全作用到整个侧围结构，车身开始发生整体运动，0.8 ms时刻冲击波扩散至整个流场域。由图7可知，冲击波在到达车身侧围时发生反射和绕流现象，说明冲击波并未直接进入乘员舱内并对乘员造成伤害。

图7 爆炸冲击波的扩散过程示意图

图8为车身侧围迎爆面在仿真结束后的变形示意图，由图8可知，车身结构仅在局部位置产生塑性变形，但整体保持完整，未出现结构破裂。因此，认为乘员的损伤均来自于车身的结构响应[17]。

图8 车身侧围损伤情况示意图

4.2 乘员的动态响应

图9为ATD在侧面爆炸载荷的作用下不同时刻的运动姿态。由图9可知，当战斗部爆炸后，冲击迅速向四周扩张，车门外板、B柱、车门内板等部件在强冲击力的作用下向车身内部发生侵入变形。在爆炸冲击力的作用下，车身整体发生横向移动，而ATD在安全带的约束下保持姿势不变，并与座椅约束系统在惯性作用下一同相对向车身左侧运动。在27 ms时刻，ATD的肩部与车门发生碰撞，随着仿真时间到达42 ms，ATD头部与车门门框上方纵梁发生碰撞，安全带右侧肩带脱落，失去了对乘员的约束作用，ATD姿势开始变形，80 ms时刻ATD腿部开始与车身侧围发生碰撞，随后在安全带的作用下发生回弹，ATD开始与车身侧围分离。

图9 假人运动过程的姿态示意图

根据ATD的动态响应情况，可以看出，在侧面爆炸冲击下车身侧围会首先发生变形，随后将爆炸冲击力传递至车身其他部分，车内乘员因为惯性整体会相对与车身向左侧运动，并与车身侧围发生碰撞，且通过仿真结果的分析，可以得到乘员受到的冲击主要来源于3个方面：首先是爆炸冲击通过车身底板传递至乘员下肢，其次是冲击通过车身结构传递至座椅，再通过座椅传递至乘员的盆骨、腰椎，再次是乘员直接与车身侧围结构撞击，头部、肩部、胸部以及四肢等与车门或门框接触。冲击波对乘员的威胁具体传递路径如图10所示。

图10 爆炸冲击力传递路径框图

4.3 乘员损伤数值响应分析

损伤评估参考值(IARV)是在ATD上测得的参数或参数的组合，这些参数与人体有关损伤标准有着良好的相关性。它是用于评估特定损伤严重性等级和耐久度的标准,可用于评估在一定的载荷条件下的损伤风险。AEP55-VOL(3)中对在RS3工况下与ATD相关的不同身体部位的损伤评估参考值做出了规定，并给出了损伤评估阈值，如表3所示[17]。

表3 部位损伤评估阈值

通过对乘员的动态响应分析可知，乘员与车身侧围发生了直接碰撞，初步判断乘员的头部、颈部、肩部和胸部损伤较为严重，因此将对这几个部位进行重点分析。头部颅骨骨折和脑损伤程度的评价标准为HIC15，它是基于头部受到的加速度而建立的，其计算公式为：

(2)

式(2)中：a(t)为乘员头部三项合成线性加速度，g；t2-t1为HIC最大时间间隔，且t2-t1小于等于15 ms。

乘员头部3项合成加速度的时间曲线如图11所示，将加速度曲线与乘员的动态响应结合分析。从4.2节可知，乘员在42 ms左右时刻与车身侧围发生碰撞，此时成员的头部开始受力产生相应的加速度，乘员头部加速度在短时间内急剧增加，并在45 ms达到峰值164.8g，随后又快速下降。通过上述分析取40～55 ms时间段内的加速度计算得到头部HIC15的值为482.64，远远超出了阈值范围，说明乘员头部损伤严重。

图11 乘员头部合成加速度曲线

乘员的颈部轴向力随时间的变化曲线如图12所示。由图12可知，颈部轴向力在40 ms左右开始增加，并在45 ms时刻达到峰值3.95 kN，远远超出了安全阈值的1.8 kN，说明乘员颈部的损伤严重，随后颈部轴向力迅速减小，由于乘员仍受到座椅及其约束系统的作用力，颈部力仍有小幅度的波动。对比乘员头部加速度和颈部轴向力曲线，发现二者几乎在同一时间开始增加、到达峰值和减小至稳定值，说明乘员的头部和颈部损伤是相互关联的，头部遭受到冲击时，颈部也会受到损伤。

图12 颈部轴向力曲线

图13为乘员左肩压缩力Fy的时程曲线，由乘员动态响应可知，乘员肩部大约在爆炸发生27 ms左右开始与车身侧围内板发生碰撞，因此通过肩部压缩力变化曲线可以看出乘员肩部在27 ms左右开始受力，压缩力峰值达到1.8 kN，超过了阈值1.4 kN，因此乘员的肩部损伤严重。

图13 肩部压缩力曲线

爆炸载荷下，乘员胸部的损伤通过胸部粘性准则VC进行评估，单位为m/s，其计算公式为：

(3)

式(3)中：S为比例系数；D(t)为与时间相关的胸腔厚度；Def为ATD常数，取值为ATD肋骨宽度的一半。

图14为乘员胸部粘性指数VC的时程曲线。乘员肩部受到侧围撞击的同时胸腔会受到挤压，因此在27 ms时刻，粘性指数VC开始发生变化，并在45 ms时刻达到最大值0.002 2 m/s，其值远远低于损伤阈值0.58 m/s，说明乘员的胸部损伤较小。

图14 胸部粘性准则曲线

乘员其他部位的损伤情况如表4所示，包括乘员的盆骨力Fy、脊椎动态响应指数DRIz、上下胫骨力，这些部位的损伤远远低于损伤评估阈值，因此可以认为这些部位在侧面爆炸环境下的损伤风险较低。

表4 乘员其他部位损伤情况

综上所述，乘员头部、颈部和肩部为主要受损部位，结合爆炸冲击传递至乘员的3个途径分析可以看出，乘员损伤主要来自于侧围结构的撞击。

4.4 不同工况下乘员主要部位的损伤风险研究

战斗部相对车身及乘员的位置不同，乘员的动态响应以及损伤情况也会有所不同，本节将研究战斗部在不同位置可能对乘员造成的损伤，这里选择A到F等6个位置，研究不同工况对乘员主要损伤部位损伤风险的影响，放置位置示意图如图15所示，其中工况C为上文分析的工况。

图15 战斗部位置示意图

通过对乘员各部位损伤情况的数值分析可知，乘员的头部、颈部和肩部损伤严重，因此本节重点对该3个部位的损伤情况进行分析。表5为不同侧爆边界对应乘员3个部位损伤情况的仿真结果。

表5 乘员各部位损伤值

各工况乘员头部HIC15的值如图16(a)所示。由图16(a)可知，除了工况A以外，其他工况的值远远超出阈值，且随着IED位置的下移，其值呈明显的增加趋势；比较E、C、F等3个工况，发现战斗部越接近车体中心位置，HIC15的值越大。分析原因：当IED的位置越靠后、位置越低，车身侧围结构向车内运动的速度越快，与乘员头部的相对运动速度和碰撞时的冲击也就越大，HIC15的数值越大。

图16 不同工况下的损伤情况曲线

各工况颈部轴向力如图16(b)所示。颈部轴向力Fz随战斗部位置的变化，没有明显的变化规律，但是可以看出除了A工况的值略低于规定的阈值1.8 kN，其他工况的值均大于阈值，特别是工况C的值远远超出其他工况。可以认为工况C是一种特殊的工况，即此工况下颈部轴向力最大，因此忽略工况C，分别比较A、B、D 3个工况和E、F 2个工况，可以发现：随着炸点位置的降低颈部轴向力增加，而随着炸点位置的后移，颈部轴向力减少。分析原因，不同工况下乘员和车身的动态响应不同，这将导致乘员头部与侧围撞击的角度不同，对颈部轴向力的结果有很大影响。

肩部压缩力在不同工况下的对比如图16(b)所示。所有工况的值均超出规定阈值1.4 kN，其中工况B的值明显高于其他位置的值，因为此时IED正对着乘员肩部，致使此区域内的侧围结构相对速度较快，对乘员肩部的冲击力也越大。分别比较A、C、D 3个工况和E、C、F 3个工况，发现2个对比结果的峰值工况分别为D和F，因此IED位置越低、越靠后肩部压缩力越大，其原因是：在这种情况下车身侧围结构向车内运动的速度快，车门内板变形大，对乘员肩部的冲击也越大。