張 瑋，史少華

（1.海軍裝備研究院艦船研究所，北京 100161；2.海軍航空工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001）

水面艦艇受到水下爆炸沖擊時(shí)，全艦結(jié)構(gòu)的動(dòng)響應(yīng)、局部結(jié)構(gòu)的破損以及內(nèi)部裝備的失靈程度都關(guān)系到水面艦艇的戰(zhàn)斗力、續(xù)航力和艦員的生命安全［1］。長(zhǎng)期以來(lái)研究人員的注意力大都集中在船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備的抗沖擊防護(hù)上而忽視了對(duì)艦員抗沖擊響應(yīng)的研究。因涉及軍事機(jī)密，很少公開(kāi)相應(yīng)的研究成果［2］。劉新祥等［3］建立人體的集中參數(shù)模型（lumped parameter model）來(lái)研究人體對(duì)沖擊的響應(yīng)。R.M.Mahone等［4］利用人體關(guān)節(jié)模型（articulated total body，ATB）研究了艦艇不同位置的坐姿艦員對(duì)水下爆炸沖擊的生物力學(xué)響應(yīng)，并對(duì)損傷危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估。P.R.Payne等［5］利用有限元法研究人體對(duì)沖擊的響應(yīng)。上述這些研究工作，主要是基于人體動(dòng)力學(xué)模型。Z.Zong等［6］對(duì)坐姿艦員的沖擊響應(yīng)進(jìn)行研究，并首次考慮到水下爆炸沖擊效應(yīng)?？挛钠宓龋?］也開(kāi)展了這方面的研究。本文中主要基于站立、坐姿、行走狀態(tài)下人體集中參數(shù)模型，分析水下爆炸載荷作用下艦員的沖擊響應(yīng)和沖擊強(qiáng)度與人體損傷之間的關(guān)系，并依據(jù)常用損傷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行損傷程度評(píng)估，為艦員的沖擊防護(hù)提供指導(dǎo)。

1 水面艦艇人員對(duì)水下爆炸沖擊響應(yīng)的計(jì)算方法

假設(shè)水面艦艇結(jié)構(gòu)由底板和甲板組成。單位面積底板和甲板的質(zhì)量分別為m1和m2，底板和甲板之間通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接，連接結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼分別為k2和c2，底板另一側(cè)與水接觸。假設(shè)爆源的裝藥量為W，在爆源中心位置與底板距離R處爆炸，沖擊波作用于底板，并通過(guò)底板直接傳遞給站立或行走狀態(tài)下的艦員或通過(guò)座椅傳遞給坐姿的艦員。座椅的剛度和阻尼分別為k3和c3，Y1（t）、Y2（t）和Y3（t）分別表示底板、甲板和座椅的沖擊位移。利用人體集中參數(shù)模型，Yi（t）（i＝4，…，8）分別表示人體各部位的沖擊位移，其中i＝4表示下肢，i＝5表示骨盆，i＝6表示上軀干，i＝7表示內(nèi)臟，i＝8表示頭部。

1.1 水面艦艇結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊響應(yīng)的計(jì)算方法

水下爆炸任意位置處的沖擊波壓力pi可以表示為［8］

式中：Pm為沖擊波峰值壓力，τ為時(shí)間衰減常數(shù)。

初始的水下爆炸沖擊波是球形波，處在距爆源一定距離且靠近水面艦艇底板的位置，近似為平面波。當(dāng)沖擊波到達(dá)底板時(shí)，使底板產(chǎn)生一個(gè)初始速度，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)反射的壓力波傳遞給水，此時(shí)底板的速度與接觸底板的水的速度相等。假設(shè)pr為反射壓力波，則底板的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為

1.2 人體集中參數(shù)模型

人體在坐姿、站立、行走狀態(tài)下的沖擊響應(yīng)計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 人體模型參數(shù)Fig.1 Human model parameter

利用上述的方法可以得到人體各部位類(lèi)似的運(yùn)動(dòng)方程，以矩陣的形式表示

表1 人體模型各部分參數(shù)Table1 Human model parameter

2 損傷準(zhǔn)則

對(duì)艦員沖擊損傷情況進(jìn)行評(píng)估，需要將實(shí)驗(yàn)或計(jì)算值與損傷準(zhǔn)則進(jìn)行對(duì)比。由于人的個(gè)體差異十分明顯，不同的人的損傷值可能不同，而且損傷往往與所處的環(huán)境密切相關(guān)，也可能出現(xiàn)二次損傷，因此損傷情況的判斷沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于人體各部位的損傷閾值的研究工作主要集中在汽車(chē)安全領(lǐng)域，即根據(jù)汽車(chē)事故及碰撞實(shí)驗(yàn)得出人體各部位的損傷閾值［9］，本文直接引用作為艦員的損傷判據(jù)。

3 水面艦艇艦員水下爆炸沖擊損傷評(píng)估

根據(jù) NAVSEA 0908－LP－000－3010［10］，采用龍骨沖擊因子γ表示水面艦艇所承受的沖擊強(qiáng)度

式中：W 為爆源TNT當(dāng)量，單位kg；R為爆源與底板的距離，單位為m；θ為爆源與水面艦艇夾角。

美歐海軍均采用γ＝0.3作為水面艦艇的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)，也就是相當(dāng)于250kg當(dāng)量的TNT裝藥在距離水面艦艇50m處爆炸所產(chǎn)生的威力。按照船體結(jié)構(gòu)、人員、設(shè)備等不同的抗沖擊要求，其中船體結(jié)構(gòu)的γ最高，為0.8，相當(dāng)于承受250kg當(dāng)量的TNT裝藥在距離水面20m處爆炸所產(chǎn)生的沖擊。人員的γ為0.6。本文中針對(duì)γ＝0.3，0.6，0.8等3種不同的沖擊下艦員對(duì)沖擊的響應(yīng)進(jìn)行探討。

3.1 艦員對(duì)沖擊響應(yīng)的力學(xué)模型

假設(shè)水面艦艇單位面積底板、甲板質(zhì)量m1、m2均為250kg，座椅質(zhì)量m3為20kg。假設(shè)250kg當(dāng)量TNT的裝藥在水面艦艇正下方爆炸，當(dāng)γ分別為0.3、0.6、0.8時(shí)，由式（8）可以計(jì)算出爆源與水面艦艇的距離分別為52.7、26.4、19.8m，由式（1）～（3）可以計(jì)算水下爆炸載荷。

3.2 艦員對(duì)沖擊響應(yīng)計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 坐姿艦員的沖擊響應(yīng)

當(dāng)γ＝0.3，0.6時(shí)，骨盆在4ms時(shí)承受的最大載荷分別為499、2 167N，遠(yuǎn)小于7 600N（骨盆損傷機(jī)率50%的外力載荷），骨盆損傷的概率較小。

圖2 骨盆沖擊響應(yīng)Fig.2 Shock response of pelvis

上軀干分別在49和28ms時(shí)承受的最大載荷為12.08、96.54N，小于1 450N（上軀干內(nèi)脊椎損傷的張力載荷），脊椎損傷的機(jī)率較小。

圖3 上軀干沖擊響應(yīng)Fig.3 Shock response of torso

內(nèi)臟分別在81和55ms時(shí)承受的最大載荷為3.08、17.38N，遠(yuǎn)小于2 600N（內(nèi)部組織損傷50%的外力載荷），造成內(nèi)部組織損傷的機(jī)率較小。

圖4 內(nèi)臟沖擊響應(yīng)Fig.4 Shock response of viscera

對(duì)于頭部，其損傷情況的判斷為加速度閾值，頭部傷害指數(shù)即為頭部承受的加速度a。當(dāng)γ＝0.3，0.6時(shí)，a＝0.058g，0.532g，遠(yuǎn)小于1000g（頭部損傷值），因此頭部很安全。

圖5 頭部沖擊響應(yīng)Fig.5 Shock response of head

當(dāng)γ＝0.8時(shí)，骨盆在4ms時(shí)承受的最大載荷為4 025N，略低于7 600N，骨盆可能受損；上軀干在27ms時(shí)承受的最大載荷為233.3N，脊椎損傷的機(jī)率不大；內(nèi)臟在47ms時(shí)承受的最大載荷為34.65N，內(nèi)臟損傷的機(jī)率較??；頭部承受的加速度a＝1.4g，頭部受傷的概率較小。

3.2.2 艦員站立時(shí)的沖擊響應(yīng)

當(dāng)γ＝0.3，0.6，0.8時(shí)，下肢受到的沖擊載荷分別為317.2、635.7、850.7N，如圖6所示，均未超過(guò)其靜態(tài)壓縮破壞載荷6 427N，因此造成下肢損傷的機(jī)率較小。

圖6 下肢沖擊響應(yīng)Fig.6 Shock response of limb

當(dāng)γ＝0.8時(shí)，骨盆、上軀干、內(nèi)部組織、頭部所承受的最大載荷均較小，如圖7～10所示，因此艦員在站立時(shí)的損傷的機(jī)率較小。

圖7 骨盆沖擊響應(yīng)Fig.7 Shock response of pelvis

圖8 上軀干沖擊響應(yīng)Fig.8 Shock response of torso

3.2.3 艦員在行走時(shí)的沖擊響應(yīng)

當(dāng)γ＝0.3，0.6，0.8時(shí)，下肢受到的沖擊載荷分別為540.3、1 108、1 492N，如圖11所示，均未超過(guò)其靜態(tài)壓縮破壞載荷，造成下肢損傷的機(jī)率較小。

圖9 內(nèi)臟沖擊響應(yīng)Fig.9 Shock response of viscera

圖10 頭部沖擊響應(yīng)Fig.10 Shock response of head

圖11 下肢沖擊響應(yīng)Fig.11 Shock response of limb

當(dāng)γ＝0.8時(shí)，骨盆、上軀干、內(nèi)臟、頭部所承受的最大載荷均較小，如圖12～15所示，因此艦員在行走時(shí)的損傷的機(jī)率較小。

圖12 骨盆沖擊響應(yīng)Fig.12 Shock response of pelvis

圖13 上軀干沖擊響應(yīng)Fig.13 Shock response of torso

圖14 內(nèi)臟沖擊響應(yīng)Fig.14 Shock response of viscera

圖15 頭部沖擊響應(yīng)Fig.15 Shock response of head

4 結(jié) 論

本文中就水面艦艇艦員在不同姿態(tài)下對(duì)水下爆炸沖擊的響應(yīng)進(jìn)行研究，建立人體集中參數(shù)模型對(duì)艦員可能受到的沖擊損傷進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)艦員在坐姿狀態(tài)下骨盆容易出現(xiàn)沖擊損傷，在站立和行走時(shí)身體各部位受到?jīng)_擊損傷的可能性較小，這些結(jié)論也與國(guó)內(nèi)外相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。因此，可根據(jù)結(jié)論更有針對(duì)性的開(kāi)展沖擊防護(hù)工作?？傊?，本文中仍有需要進(jìn)一步完善的方面，例如關(guān)于人體集中參數(shù)模型的建立。本文只是在艦員抗沖擊研究方面進(jìn)行了一些初探，希望能為后續(xù)的研究工作提供一些啟示。

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