張建華，周良生，丁寶成，廖苓平

(軍事交通學(xué)院 軍事交通運(yùn)輸研究所，天津300161)

軍用運(yùn)輸車運(yùn)兵是一種軍隊(duì)特有的兵力輸送方式，乘員在運(yùn)輸車車廂內(nèi)乘坐，主要應(yīng)用于戰(zhàn)役后方或平時(shí)。與裝甲車等戰(zhàn)斗車輛相比，運(yùn)輸車運(yùn)兵具有運(yùn)量大、公路機(jī)動(dòng)速度快、成本低等顯著優(yōu)勢(shì)，所以一直以來(lái)都是各國(guó)軍隊(duì)兵力輸送的重要方式［1］。從車輛分類上說(shuō)，軍用運(yùn)輸車屬于載貨車輛，由于車廂主要針對(duì)裝載貨物設(shè)計(jì)，乘員沒有任何防護(hù)約束，當(dāng)車輛緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)向以及在顛簸道路上行駛時(shí)，乘員與車廂之間或乘員之間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)相互磕碰導(dǎo)致受傷的情況，甚至?xí)l(fā)生乘員被顛出車外的嚴(yán)重事故。

1 約束系統(tǒng)初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軍用運(yùn)輸車運(yùn)兵乘員約束系統(tǒng)不是隨車出廠配置的專用結(jié)構(gòu)，需要滿足以下設(shè)計(jì)原則:一是不改動(dòng)車廂結(jié)構(gòu);二是不影響現(xiàn)有乘載標(biāo)準(zhǔn);三是應(yīng)簡(jiǎn)單輕便，易于攜行。設(shè)計(jì)目標(biāo)是在運(yùn)兵車輛緊急制動(dòng)和急轉(zhuǎn)向等工況下，為車廂內(nèi)乘員提供安全限位約束。

筆者的研究對(duì)象為某型軍用運(yùn)輸車，約束系統(tǒng)全部采用柔性織帶式結(jié)構(gòu)，在車廂內(nèi)縱向成4列布置，連接部位均為縫制結(jié)構(gòu)。主要由左側(cè)乘員安全帶總成、右側(cè)乘員安全帶總成、中間乘員安全帶總成和拉伸帶總成等組成(如圖1 所示)。左側(cè)和右側(cè)乘員安全帶總成是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，均由連接帶和乘員安全帶組成，由凸輪扣式栓緊器緊固于車廂側(cè)欄板的橫板上。乘員安全帶為兩點(diǎn)式，與連接帶縫制為一體，在連接帶上均勻布置。中間乘員安全帶總成由連接帶、乘員安全帶、前端連接裝置和后端連接裝置組成。前端連接裝置采用環(huán)抱車廂前欄板立柱的方式連接;后端連接裝置與車架后橫梁的工藝孔連接，并由2 個(gè)棘輪式栓緊器拉緊。拉伸帶總成包括橫向和豎向拉伸帶，均由拉伸帶和帶扣組成，用于中間連接帶的限位。橫向拉伸帶與中間連接帶和車廂側(cè)欄板處的篷桿連接;豎向拉伸帶上端與車廂橫縱篷桿接頭處連接，下端與中間連接帶連接。乘員安全帶和拉伸帶帶扣采用標(biāo)準(zhǔn)的航空不銹鋼帶扣。按照軍用乘載標(biāo)準(zhǔn)要求，乘坐方式為兩側(cè)人員背靠車廂板乘坐，中間兩路人員背靠背乘坐，乘員坐具為充填完整的軍用制式背囊。

圖1 乘員約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與使用狀態(tài)示意

2 約束系統(tǒng)仿真分析

仿真分析目的是預(yù)測(cè)約束系統(tǒng)在車輛典型行駛工況條件下的約束效能，優(yōu)化約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并判斷約束系統(tǒng)是否會(huì)造成乘員身體損傷。

2.1 仿真模型建立

仿真分析涉及約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和乘員傷害分析2 個(gè)方面，需要分別采用Ls-Dyna 和Madymo 軟件建立CAD 模型［2］。如圖2 所示，車廂模型包括地板、側(cè)板、立柱和前后欄板。車廂外型尺寸(長(zhǎng)×寬)為4 800 mm ×2 400 mm，材料為鋼材。坐標(biāo)原點(diǎn)為車廂地板中心位置。假人模型采用HybridⅢ男性第50 百分位假人，數(shù)量按照乘載標(biāo)準(zhǔn)限值為32 人。雖然該仿真假人較適合轎車內(nèi)乘坐情況，與運(yùn)輸車車廂內(nèi)乘員有較大差異，但乘員身體上部受力輸出結(jié)果有一定的參考價(jià)值。約束系統(tǒng)主要包括織帶、帶扣和栓緊器。織帶寬度為50 mm，厚度為1.2 mm，材料為高強(qiáng)滌綸。其中，連接帶結(jié)構(gòu)為多條織帶疊加縫制。車廂和織帶特性均設(shè)置為薄殼單元。

圖2 乘員約束系統(tǒng)CAD 模型

2.2 仿真參數(shù)設(shè)定

為便于加載，對(duì)緊急制動(dòng)工況的縱向加速度和急轉(zhuǎn)向工況的橫向加速度進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據(jù)軍用運(yùn)輸車駕駛經(jīng)驗(yàn)，從行車安全角度考慮，將車輛緊急制動(dòng)工況的初始速度設(shè)定為30 km/h。制動(dòng)加速度曲線的簡(jiǎn)化如圖3 所示。

制動(dòng)加速度峰值為

式中φb為路面峰值附著系數(shù)。

圖3 制動(dòng)加速度曲線

按照最苛刻條件，加速度峰值取最大極限值，即運(yùn)輸車行駛路面為瀝青或混凝土(干)路面，峰值附著系數(shù)φb為0.9［3］。制動(dòng)時(shí)間取實(shí)車試驗(yàn)的平均值為1.2 s。橫向加速度簡(jiǎn)化為單一方向加載，峰值取運(yùn)輸車輛的準(zhǔn)靜態(tài)側(cè)翻閾值為0.6g，作用時(shí)間為1.1 s。主要結(jié)構(gòu)的材料特性參數(shù)見表1。

表1 主要結(jié)構(gòu)的材料特性參數(shù)

2.3 仿真結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算求解，分別得到了約束系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)的受力曲線和乘員身體受力情況(如圖4—圖11所示)。

圖4 緊急制動(dòng)工況乘員安全帶組件受力曲線

圖5 緊急制動(dòng)工況中間連接帶受力曲線

圖6 急轉(zhuǎn)向工況兩側(cè)栓緊帶受力曲線

圖7 急轉(zhuǎn)向工況拉伸帶組件受力曲線

圖8 緊急制動(dòng)工況乘員腹部受力曲線

圖9 緊急制動(dòng)工況乘員胸部受力曲線

圖10 緊急制動(dòng)工況乘員頭部受力曲線

圖11 緊急制動(dòng)工況乘員頸部受力曲線

從仿真結(jié)果看，緊急制動(dòng)時(shí)間歷程約持續(xù)1.2 s，與實(shí)車測(cè)試情況基本一致。制動(dòng)起始時(shí)刻至0.2 s，由于安全帶處于松弛狀態(tài)，乘員未受到約束，仿真結(jié)果輸出為0;在0.8 s 左右，約束系統(tǒng)受力達(dá)到峰值，其中，乘員安全帶組件受力峰值為348 N，中間連接帶縱向受力峰值為5 583 N，兩側(cè)栓緊帶縱向和橫向受力峰值分別為539 N 和602 N。從乘員腹部、胸部、頭部和頸部受力曲線峰值看，乘員身體各部受力均遠(yuǎn)小于人體承受極限。

3 約束系統(tǒng)關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從仿真分析結(jié)果看，約束系統(tǒng)的織帶、帶扣、栓緊器等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度易滿足設(shè)計(jì)要求，但織帶與織帶之間，以及織帶與帶扣、栓緊器等金屬部件之間采用的縫制連接是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。尤其是乘員安全帶與連接帶縫制部位，在車輛經(jīng)歷轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等工況時(shí)，會(huì)受到乘員在乘車平面內(nèi)各個(gè)方向的沖擊，特別是垂直于縫紉平面的拉力，容易造成局部縫紉線受力過大導(dǎo)致斷裂失效。此外，由于乘員安全帶采用的是兩點(diǎn)式結(jié)構(gòu)，乘員身體受力面積較小，還應(yīng)考慮車輛碰撞事故的安全帶限荷設(shè)計(jì)。

3.1 縫制形式設(shè)計(jì)

為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，乘員安全帶與連接帶的縫制部位采用“人字形”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如圖12 所示)?！叭俗中巍苯Y(jié)構(gòu)的2 條分支在不同工況下可合理分配受力，盡可能減小縫紉平面外的拉力，避免縫紉線撕裂現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 安全帶限荷設(shè)計(jì)

乘員安全帶織帶采用局部織帶折疊縫合的限荷技術(shù)(如圖13 所示)。折疊部位的破斷荷載限值為2 000 N，縫紉線在碰撞過程中斷開吸收沖擊能量，降低安全帶受力峰值，避免約束系統(tǒng)對(duì)乘員身體造成傷害。

圖12 “人字形”縫制結(jié)構(gòu)

圖13 織帶局部折疊縫合示意

4 臺(tái)車碰撞試驗(yàn)與實(shí)車乘坐試驗(yàn)

為驗(yàn)證約束系統(tǒng)的約束效能，分別進(jìn)行了臺(tái)車碰撞試驗(yàn)和實(shí)車乘坐試驗(yàn)。碰撞試驗(yàn)不僅能檢驗(yàn)約束系統(tǒng)在極限條件下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和乘員損傷情況，而且能檢驗(yàn)仿真模型的準(zhǔn)確性。實(shí)車乘坐試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)約束系統(tǒng)在正常使用中的約束效能情況，以及使用的方便性。

4.1 臺(tái)車碰撞試驗(yàn)

臺(tái)車碰撞試驗(yàn)在第三軍醫(yī)大學(xué)交通醫(yī)學(xué)研究所碰撞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。由于實(shí)車車廂的尺寸和質(zhì)量超過實(shí)驗(yàn)室牽引條件限值，制作了原車車廂1/4大小的車廂模型。碰撞初速度設(shè)定為20 km/h，假人采用HybridⅢ側(cè)碰假人，假人座具為充填完整的制式背囊，乘員安全帶處安裝安全帶力傳感器。碰撞試驗(yàn)后的結(jié)構(gòu)檢查和數(shù)據(jù)分析表明，約束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完好，未出現(xiàn)松動(dòng)和破斷現(xiàn)象，假人各部位受力指標(biāo)未超過人體損傷限值。根據(jù)試驗(yàn)采集的高速攝像數(shù)據(jù)、安全帶及假人傳感器數(shù)據(jù)，從碰撞前到假人向前傾斜的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)再到向后回彈的整個(gè)過程，仿真與試驗(yàn)錄像對(duì)比較為一致，安全帶仿真受力峰值和曲線形態(tài)與試驗(yàn)曲線基本一致，仿真模型具有較高的可靠性(如圖14 所示)。

圖14 臺(tái)車試驗(yàn)與仿真分析安全帶力曲線

4.2 實(shí)車乘坐試驗(yàn)

實(shí)車乘坐試驗(yàn)地域?yàn)楹颖笔∧车氐牟筷?duì)演習(xí)訓(xùn)練場(chǎng)。約束系統(tǒng)實(shí)際安裝狀態(tài)如圖15 所示。

圖15 右側(cè)乘員安全帶總成和中間連接帶后端安裝狀態(tài)

乘員數(shù)量32 人，乘載車型為某型軍用運(yùn)輸車，按照部隊(duì)乘載標(biāo)準(zhǔn)攜帶全部裝具乘坐。試驗(yàn)道路包括良好公路、鄉(xiāng)村道路、山路和特殊路段，總里程近2 000 km。其中，特殊路段為綜合訓(xùn)練場(chǎng)的越野道路。試驗(yàn)過程中，除進(jìn)行正常行駛試驗(yàn)外，還進(jìn)行了緊急制動(dòng)和急轉(zhuǎn)向等典型行駛工況的約束效能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、便于貯存、使用方便，在運(yùn)兵車輛上下坡、緊急制動(dòng)、急轉(zhuǎn)向以及通過顛簸路段時(shí)，能夠?yàn)槌藛T提供有效的限位防護(hù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)軍用運(yùn)輸車車廂內(nèi)乘員無(wú)防護(hù)約束，易出現(xiàn)碰傷事故的問題，以某型軍用運(yùn)輸車為搭載車型，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單輕便的柔性織帶式乘員約束系統(tǒng)。從初步概念設(shè)計(jì)到性能驗(yàn)證試驗(yàn)的整個(gè)研究流程，以車輛緊急制動(dòng)和急轉(zhuǎn)向工況為目標(biāo)工況，采用CAE 仿真技術(shù)開展了虛擬設(shè)計(jì)和仿真，并針對(duì)仿真結(jié)果，對(duì)約束系統(tǒng)關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。經(jīng)碰撞初速度為20 km/h 的極限碰撞工況試驗(yàn)和實(shí)際使用試驗(yàn)表明，所開發(fā)的乘員約束系統(tǒng)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，不會(huì)造成乘員身體損傷，能夠?yàn)槌藛T提供有效的防護(hù)約束。

［1］ 張建華，周良生，廖苓平. 外軍運(yùn)輸車運(yùn)兵防護(hù)裝備的發(fā)展現(xiàn)狀及啟示［J］.軍用汽車，2012(4):49-50.

［2］ 鐘志華，張維剛，曹立波，等.汽車碰撞安全技術(shù)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:29-32.

［3］ 余志生，夏群生，趙六齊，等. 汽車?yán)碚摚跰］.5 版. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012:92-94.