第一作者黃建松男，博士，副研究員，1972年7月生

郵箱：hynar@163.com

基于假人沖擊響應評估抗沖地磚防護性能試驗研究

黃建松1，諶勇2，許述財3，吳靜波4

(1. 海軍醫(yī)學研究所，上海200433； 2.上海交通大學，上海200240； 3. 清華大學，北京100084； 4. 海軍裝備研究院，北京100161)

摘要：由于水下爆炸在極短時間內(nèi)產(chǎn)生的巨大沖擊加速度會致艦船人員嚴重損傷、而新型抗沖擊地磚通過橡膠材料可吸收沖擊能量、降低艦員腳底部載荷，用雙波沖擊機模擬3種典型沖擊強度，用國際標準假人作為試驗載體，記錄沖擊過程中假人主要部位的沖擊響應，并對試驗結果進行分析、評估。結果表明，艦員抗沖擊地磚具有較好的抗沖擊防護作用，可衰減60%以上沖擊載荷，能有效降低艦員沖擊損傷程度。

關鍵詞：抗沖擊地磚； 艦船沖擊傷；水下爆炸；假人

收稿日期：2013-12-16修改稿收到日期：2014-03-21

中圖分類號:TB535.1文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11102170)；四川省青年科技創(chuàng)新團隊支持項目(12013TD0004)

Tests and evaluation for personnel anti-shock tiles based on dummy shock response

HUANGJian-song1,CHENYong2,XUShu-cai3,WUJing-bo4(1. Naval Medical Research Institute, Shanghai 200433, China； 2. Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China；3. Tsinghua University, Beijing 100084, China；4. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

Abstract:Underwater explosion can produce extremely high shock acceleration to cause severe human injuries. Under the vertical shock acceleration from bottom to upward, the crews standing on decks of a ship receive extreme high shock load, their calcaneuses and ankle joints may be injured heavily. The new developed anti-shock tiles can absorb shock energy and degrade shock load with their rubber material. Here, a new double-half sine wave shock machine was used to simulate 3 typical shock intensities, and a Hybrid Ⅲ dummy was used as a test body to replace a person, the shock responses of the main positions of the dummy were recorded with sensors inside the dummy. The test results showed that the tiles can attenuate shock load by 60% at least, they can reduce ship shock injury greatly.

Key words:anti-shock tile; ship shock injury; underwater explosion; dummy

眾所周知，水雷或魚雷等水中爆炸時會產(chǎn)生強烈沖擊波，導致艦船發(fā)生劇烈的沖擊加速度運動，不僅對艦船設備、武器系統(tǒng)造成破壞，且對艦員造成嚴重的沖擊性損傷，稱艦船沖擊傷。通過人體骨骼壓縮性能實驗及典型海戰(zhàn)傷研究表明[1-2]，人體下肢尤其跟骨、腳踝為最易發(fā)生沖擊損傷部位。因此，加強人員的下肢抗沖擊防護措施研究是提高艦員生命力及作戰(zhàn)能力的重要保障。

艦員抗沖擊地磚為采用橡膠彈性材料制成的多孔蜂窩狀抗沖擊結構防護墊單元構成的組合體。文獻[3-5]分別通過地磚單元建模、多自由度立姿人體集中參數(shù)耦合等，從動態(tài)壓縮行為分析、人體沖擊響應理論計算等詳細研究地磚的防護機理，即利用地磚超彈性大孔隙率蜂窩薄壁結構具有的獨特應變平臺期，在載荷作用初期提供一定支撐強度；當強度增大到一定條件時該結構迅速大應變瓦解、吸收沖擊能量，從而達到緩沖目的?？箾_擊地磚主要用于人員相對聚集、沖擊強度較大場所。人員可在地磚上自由行走作業(yè)，通過地磚特有的防護能力將甲板傳遞到人腳底部的沖擊載荷有效衰減，達到保護人體下肢避免或減輕沖擊損傷目的。本文主要針對水下爆炸引起的艦船沖擊運動環(huán)境，對研制的艦員抗沖擊地磚防護效果進行沖擊試驗評估，以證明此種地磚良好的抗沖擊防護效果，可起到降低艦船沖擊傷的作用。

1材料與方法

1.1艦員抗沖擊地磚

采用由多個RKZ-55型抗沖擊地磚單元組合粘貼形成的防護墊,見圖1。

圖1　艦員抗沖擊地磚示意圖 Fig.1 Personnel anti-shock cushion

艦員抗沖擊地磚為由橡膠彈性體制成的若干橡膠蜂窩薄壁柱狀結構單元構成的組合體，薄壁結構間有少量間隙，保持每個結構單元獨立變形。在沖擊載荷作用下地磚的薄壁結構經(jīng)歷純彈性壓縮階段后進入屈曲階段，產(chǎn)生瞬態(tài)大變形而吸收沖擊能量。此時結構變形逐漸穩(wěn)定，承載力趨于穩(wěn)定。在沖擊動能完全轉(zhuǎn)換為薄壁結構變形能后，橡膠的彈性使薄壁結構回彈而恢復初始狀態(tài)，實現(xiàn)反復利用目的。

1.2國際標準假人

直接用真人進行沖擊試驗存在損傷風險，因此用廣泛應用的Hybrid Ⅲ型國際標準假人進行沖擊試驗。第 50百分位男性假人，立姿身高178 cm，肩寬43 cm，坐高88.4 cm，胸圍98.6 cm，腰圍85.1 cm，體重77.7 kg。其質(zhì)量、剛度、阻尼等與真人接近，利用假人體內(nèi)的傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄試驗數(shù)據(jù)見圖2。

圖2　國際混3標準假人 Fig.2 HYBRID Ⅲ dummy

圖3　雙波沖擊機及 假人沖擊試驗圖 Fig.3 Double-wave shock machine and dummy shock test

1.3沖擊試驗系統(tǒng)

艦船沖擊運動曲線為典型的雙半正弦沖擊波，具有加速度峰值極高、作用時間極短等特點。采用我國海軍裝備研究院與上海交通大學等聯(lián)合研制的新型雙波沖擊機模擬水下爆炸產(chǎn)生的甲板沖擊運動曲線，重復精度不大于10%，各項指標滿足試驗要求。

1.4沖擊試驗強度設定

據(jù)標準[6]中規(guī)定的艦員沖擊損傷等級曲線，其中2.2 m/s為劃分艦員沖擊安全性的耐受限值。分別設定一種無損傷級與三種有損傷級的沖擊試驗強度，見表1。

表1　沖擊試驗強度設置

1.5沖擊試驗工況設置

假人模仿艦員穿制式作訓鞋垂直站在沖擊機臺面上，用繩索將假人懸吊，避免在沖擊過程中假人從沖擊臺面上跌落造成損傷，同時不能讓繩索承受拉力。沖擊機臺面放置RKZ-55抗沖擊地磚，考慮三種沖擊強度，設置7次沖擊試驗工況，見表2。

表2　試驗工況設置

2試驗結果

沖擊試驗中據(jù)假人體內(nèi)的傳感器記錄其左右大腿、左右小腿及左右腳底Z向力及沖擊臺面加速度等參數(shù)。沖擊機臺面輸出的輕、中、重三種沖擊加速度曲線，見圖4。

圖4　三種沖擊加速度-時間曲線 Fig.4 Three shock acceleration-time curve

2.1輕度沖擊

輕度沖擊試驗條件下，假人雙腳穿作訓鞋，分別在有、無抗沖擊地磚時進行沖擊試驗。測量假人大腿、小腿及腳底部位沖擊響應曲線、載荷峰值，見圖5。

2.2中度沖擊

在相同的中度沖擊試驗條件下，假人雙腳穿作訓鞋時，在有、無抗沖擊地磚條件下進行沖擊試驗，分別測得假人大腿、小腿、腳底部位沖擊響應曲線及載荷峰值，見圖6、圖7。

圖5　輕度沖擊強度下假人下肢響應曲線比較 Fig.5 Dummy shock response curve(low-level)

圖6　假人下肢沖擊響應峰值比較 Fig.6 Dummy shock response peak load (low-level)

2.3重度沖擊

相同重度沖擊試驗條件下，假人雙腳穿作訓鞋時，在有、無抗沖擊地磚條件下進行沖擊試驗，分別測得假人大腿、小腿及腳底部位的沖擊響應曲線、載荷峰值，見圖8~圖10。

圖7　中度沖擊強度下假人下肢響應曲線比較 Fig.7 Dummy shock response curve(middle-level)

圖8　中度沖擊時假人下肢沖擊響應峰值比較 Fig.8 Dummy shock response peak load (middle-level)

3討論

目前評估水下非接觸爆炸時艦船人員沖擊安全性依據(jù)為“水面艦艇沖擊對人體作用安全限值”[6]。該標準以艦船甲板作用于人體的沖擊輸入環(huán)境參數(shù)為評價指標，如平均加速度、沖擊速度及持續(xù)時間。由于目前基于國際標準假人沖擊響應評價艦船人員安全性方法尚未形成標準。本文擬采用兩種方法進行評估。

3.1假人沖擊響應衰減率比較法

據(jù)三種沖擊工況所測假人下肢(腳底、小腿、大腿)部位的沖擊響應載荷峰值大小作為艦員抗沖擊地磚防護性能的判定依據(jù)，見表3。

表3　三種預定沖擊損傷級別下假人沖擊響應

圖9　重度沖擊強度下假人下肢響應曲線比較 Fig.9 Dummy shock response curve (high-level)

圖10　重度沖擊時假人下肢沖擊響應峰值比較 Fig.10 Dummy shock response peak load (high-level)

據(jù)表3數(shù)據(jù)，設將無損傷條件的假人沖擊試驗所得腳底、小腿、大腿受力載荷分別作為評價人體的安全限值，則定義假人耐受值為腳部2 014 N，小腿3 577 N，大腿3 070 N。若低于該值，則認為相應部位無損傷，否則為有損傷。

(1)輕度沖擊時，在抗沖擊地磚作用下，假人的沖擊響應分別為腳底712 N、小腿1 866 N、大腿1 733 N，均小于假人安全限值，說明此時人體不會損傷。若與相同沖擊條件下無抗沖擊地磚相比，腳底、小腿及大腿的響應衰減率分別為72%、59%、60%。表明輕度沖擊時該地磚緩沖作用良好。

(2)中度沖擊時，在抗沖擊地磚作用下，假人的沖擊響應為腳底750 N、小腿2 645 N、大腿3 054 N，均小于假人安全限值，說明此時人體不會受損傷。與相同沖擊條件下的無抗沖擊地磚時相比，腳底、小腿及大腿的響應衰減率分別為87%、68%、59%。表明中度沖擊時該地磚緩沖作用較好。

(3)重度沖擊時，經(jīng)抗沖擊地磚緩沖后，假人沖擊響應為腳底1 072 N、小腿3 851 N、大腿3 791 N，小腿、大腿響應超過安全限值，說明此時小腿、大腿可能受到損傷；但該數(shù)值分別小于輕度沖擊條件下無抗沖擊地磚作用的假人部位響應，說明此時人體可能受到輕度損傷。相同沖擊強度條件下，地磚的緩沖率為腳底81%、小腿62%、大腿62%。表明重度沖擊條件下抗沖擊地磚也有良好的緩沖作用。

因此，用無損傷沖擊條件下沖擊響應數(shù)據(jù)作為評價基準時，認為抗沖擊地磚具有良好的緩沖作用。低于中度沖擊強度時，可確保人體處于無損傷狀態(tài)；沖擊強度達重度時，可將人員損傷程度從重度降低到輕度。

3.2小腿軸向壓縮載荷判定法

考慮人體對沖擊耐受能力受身高、體重、年齡、性別、體態(tài)等因素影響，在制定人體對沖擊耐受限值時，通常基于兩個重要損傷生物力學參數(shù)，即損傷程度、損傷概率。通常將發(fā)生AIS 2級(中度)損傷風險最大概率不超過10%的原則定義人體沖擊耐受水平[7]，即AIS<2級的損傷(輕度損傷)為安全的。Yoganandan等[8]通過大量尸體標本的沖擊壓縮試驗研究，提出將脛骨下端軸向壓縮載荷峰值作為評價人體下肢的耐受限值，并規(guī)定耐受水平5400 N時對應發(fā)生AIS 2+的概率最大不超過10%。據(jù)此標準，對抗沖擊地磚的防護性能進行評價，見表4。由表4看出，與脛骨的沖擊耐受限值5 400 N相比，無抗沖擊地磚時，假人在中度、重度強度條件下可能發(fā)生損傷，而假人站在抗沖擊地磚上時，在輕、中、重度三種沖擊條件下人體均安全。

表4　脛骨軸向受力作為性能評價結果

4結論

(1)在輕、中、重三種沖擊強度條件下，基于受試假人的下肢沖擊響應載荷數(shù)據(jù)，與無地磚相比，抗沖擊地磚的力衰減率均達60%以上。以無損傷級假人沖擊響應為評價基準時，經(jīng)抗沖擊地磚的緩沖可將輕、中度沖擊損傷降到無損傷，將重度損傷降到輕度損傷；以脛骨壓縮軸向載荷作為下肢損傷判定標準時，在三種強度沖擊條件下，抗沖擊地磚均可確保人員處于安全狀態(tài)。二種評定方法中，前者屬于衰減率相對比較法，其精度取決于無損傷沖擊工況的設置條件，可相對確定人體損傷程度；后者屬于脛骨絕對值比較法，其精度取決于脛骨耐受值選取，只能判定是否損傷，而不能確定損傷的具體程度。二種評估方法所得結果基本一致。而抗沖擊地磚沖擊防護作用較好。

(2)研究表明，抗沖擊地磚及抗沖擊鞋[9]等裝備均可起有效緩沖作用?？蓳?jù)裝備采購成本、鋪設條件及人員流動性等因素，將抗沖擊地磚鋪設在人員較集中艙室；對其它流動性、分散性崗位，艦員可穿抗沖擊鞋。本文的試驗研究及評價方法，可為艦員抗沖擊地磚研制、設計及評估提供重要指導，為相關領域(如地雷爆炸引起的車輛垂向沖擊)人體下肢抗沖擊防護裝具研究提供參考。抗沖擊地磚等防護裝備對保障水下爆炸所致艦員生命安全、提高人員抗沖擊水平、作業(yè)能力等均具有重要應用價值及推廣前景。

參考文獻

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