军用车辆底部爆炸冲击下载员下肢保护装置设计与优化

针对车辆底部爆炸冲击下载员下肢因地板冲击发生严重损伤的问题,结合柔性地板结构和防雷脚垫结构,设计了车辆载员下肢保护装置。采用整车爆炸仿真对下肢保护装置防护性能进行分析,研究设计参数对防护性能的影响,确定较优的设计;对较优的下肢保护装置进行静刚度分析,确定其能够提供足够的日常支撑力。对下肢保护装置的设计进行多目标优化,获取该优化问题的一个最优设计方案;通过整车爆炸仿真和试验验证设计方案。结果表明,该方案能够有效降低载员下肢所受冲击,显著提高乘员下肢的防护能力。

模拟车辆底部爆炸工况的小腿冲击装置研究

对整车的有限元仿真简化建立了防护车辆遭遇底部爆炸时车内乘员小腿损伤局部等效模型,验证了其可行性;分析了对于乘员小腿力,地板加速度的等效性质;通过实物试验以及有限元仿真验证了小腿损伤试验台的合理性。结果表明,小腿损伤模拟试验台能够用于研究爆炸环境下乘员小腿受冲击情况,对防护型车辆乘员安全的保护设计提供了经济有效的试验支撑。

底部爆炸冲击下装甲车乘员下肢损伤行为与防护研究

建立了基于底部爆炸冲击等效工况的装甲车乘员下肢受载模型;研究了人体下肢模型生物力学和动力响应及其损伤行为;在此基础上,设计了不同结构和材料的防护脚垫,并对人体下肢防护性能进行了仿真研究。研究表明:跟骨-距骨-胫骨接触面和胫骨远端应力集中现象明显,存在较高骨折风险,胫骨轴向力可有效表征其骨折风险;波浪形脚垫可有效降低下肢爆炸伤害,6 m/s和10 m/s峰值冲击时其防护下的胫骨骨折风险分别低于10%和20%;波形板厚度0.4 mm/波长25~35 mm,或波形板厚度0.5 mm/波长35~45 mm时,波浪形脚垫具有最好的防护效果。

底部爆炸条件下车内乘员损伤风险仿真评估

在近年来发生的几场局部战争中,地雷及简易爆炸物造成了大量人员伤亡。为了解车辆底部爆炸条件下车内乘员的损伤特点,构建了包含乘员、车体结构及爆炸流场的仿真模型,研究了车辆乘员身体主要部位损伤风险。利用LS-DYNA的流固耦合算法求解爆炸流场与车体结构的相互作用,分析了爆炸冲击的传递路径及乘员典型运动姿态。基于人体有限元模型,以6 kg及8 kg TNT 2个爆炸当量工况为研究对象,对车辆乘员头部、脊椎、骨盆及下肢等身体部位进行损伤风险评估。仿真结果表明:对于佩戴安全带的乘员,其足踝部及胫腓骨损伤的风险最高,其次为骨盆及胸腰椎。研究结果可为车辆防护设计提供参考,从而提高乘员安全性。

底部爆炸条件下车内乘员的腹部损伤

为了解车辆发生底部爆炸时乘员腹部致伤机制及损伤风险,构建了包含乘员、车体结构和爆炸流场的有限元仿真模型,研究了6 kg TNT爆炸当量下乘员胸腹部器官的动力学响应,对比了座椅冲击、地板冲击及安全带约束作用对腹部压力的影响,并基于实质性脏器平均应变能密度和腹部血管压力变化率两个指标分析了乘员腹部损伤风险。在冲击过程中,座椅推动乘员向上运动,造成腹部扩张;当乘员与座椅分离后,安全带限制了乘员向上运动,造成腹部收缩。仿真结果表明:座椅冲击对乘员腹部压力影响最大,其次为安全带约束作用;在本文模型中,乘员腹部血管压力变化率峰值为2.1 kPa/ms,腹部脏器发生损伤的风险较低。本文研究结果可为车辆防护设计提供参考。

底部近距离爆炸下舱段模型毁伤试验研究

底部近距离爆炸可对水面舰船造成致命性打击,为探究其破坏机理,本文中开展了底部近距离爆炸下舱段模型的毁伤试验,获取了舱段模型破损区域试验数据、非破损区域的冲击环境数据。同时借助舷侧近距离爆炸试验结果、底部中远场爆炸试验结果,综合对比可发现:(1)底部近距离爆炸下,舱段模型会呈现整体隆起变形、爆心区域撕裂并伴有较大凹陷变形、舷侧外板大面积屈曲失稳等典型特征;(2)相比舷侧爆炸方位,底部爆炸对舱段模型具有很强的综合毁伤效果,底部爆炸相对舷侧爆炸对舱段模型的综合毁伤效果可提高40%以上;(3)在冲击环境方面,底部近距离爆炸下非破损区域测点中高频段的冲击谱曲线变化趋势基本与中远场爆炸一致,但在低频阶段,底部近距离爆炸下的谱位移要远高于中远场爆炸工况。

爆炸环境下车辆地板加速度对乘员小腿损伤的影响

通过给地板施加不同的加速度作为边界条件的方法,研究了加速度上升斜率、峰值、持续时间与小腿损伤之间的关系。首先建立了整车有限元模型;并通过整车爆炸试验验证了模型的准确性。然后验证了利用简化模型研究乘员小腿损伤的可行性;并探究了可以精确仿真小腿损伤的最简边界条件。最后通过改变加速度参数研究了加速度对小腿损伤的影响。结果表明,最简边界条件为至少获得乘员脚部和座椅安装点的加速度值;加速度的持续时间和峰值对乘员小腿损伤的影响较大。对整车爆炸试验操作与设计防护车辆底部结构有一定的指导意义。

预应力圆管底部复合防护组件防护效果研究

利用仿真软件模拟了施加预应力前后圆管、方管弯曲刚度的变化,同时对比分析了爆炸环境下底部复合防护组件台架模型的仿真和试验结果。基于预应力加载条件下底部复合防护组件中的圆管,获得其在不同TNT当量及不同圆管厚度时基板最大变形与压缩比间的相对关系。研究结果表明:基板最大变形与压缩比存在最佳匹配关系,当圆管的内部预应力为110 MPa、压缩比为0.00075时,基板最大变形最小,防护组件的防护效果最佳。

隔断型军用车辆防雷座椅跌落试验研究

以某型车辆的座椅安装点冲击为输入条件,通过理论研究-仿真模拟-整车试验-跌落试验,进行刚性座椅和一种隔断型防雷座椅的跌落试验。试验研究发现:确定跌落试验边界条件时,刚性座椅的冲击速度应选择局部效应阶段的速度峰值;隔断型防雷座椅的冲击速度应选择爆炸全局效应阶段车辆整体上行的跳起速度。

垂向冲击下穿戴装备对乘员损伤影响研究

军事人员在战斗中需要穿戴装备,穿戴装备后对车内乘员承受车辆底部爆炸垂向冲击时的损伤有影响。通过垂向冲击试验与仿真模拟的方法,研究了穿戴装备在身上的分布对于乘员损伤的影响。根据AEP55乘员伤害准则,以盆骨z向加速度和腰椎轴向力为乘员损伤的参考目标,首先通过垂向冲击试验的进行,研究了不同穿戴装备质量对于乘员损伤的影响;接着通过有限元模型对试验进行验证和优化,进而研究穿戴装备位置与松紧度对于垂向冲击下乘员损伤的影响。结果表明随着穿戴装备质量的增加,乘员腰椎损伤加重,脊柱损伤概率减小;装备分布在躯干位置越靠近上部,与身体接触松紧度越紧,乘员腰椎与脊柱的负荷越小,越不易受伤。