一种装甲车座椅抗爆炸冲击性能试验系统和方法与流程

本发明属于座椅性能试验领域，特别涉及一种装甲车座椅抗爆炸冲击性能试验系统和方法。

背景技术：

近些年，随着战场形式的转变和反恐、维和等需求，车辆面临地雷和简易爆炸装置(improvisedexplosivedevice，ied)的威胁显著增长。在装甲车辆受到垂直或水平方向爆炸波攻击时，很多的伤亡事件都不是由于车辆装甲被击穿所造成的，更多是由于地雷和ied爆炸冲击波造成的，座椅成了车辆乘载员生命的最后一级保障。现代装甲车辆大多采用防爆炸冲击座椅。防爆炸冲击座椅被视为防护系统及整车的一部分，不能依靠座椅自身实现车辆的全部防雷功能，而是在车辆综合防护的基础上，通过座椅的缓冲设计减弱冲击波的传递，保证乘载员的人身安全。所以，对装甲车辆的防地雷爆炸冲击座椅研究具有重要的意义。

基于以上装甲车辆防地雷爆炸冲击座椅的重要研究意义，国内外已相继开展相关研究。尽管如此，但大多数厂家并未全面掌握该项技术，防雷座椅仍有很大的提升空间。国外研究表明，防地雷爆炸冲击座椅的设计重点是要防止爆炸冲击波对乘载员产生的影响，或者减轻这种影响。国内研究还处于起步阶段，防地雷爆炸冲击座椅的研究虽然取得了一定成果，但相对于国外产品还存在很大的差距，没有对座椅的防护机理及爆炸工况下的乘载员损伤机理进行深入研究，其参数和性能还需要进一步的测试与优化。所以，对于防雷座椅的进一步研究基础主要体现在通过试验建立完善的评价方法，实现防雷座椅的研究与性能测试。

现阶段，针对装甲车座椅抗地雷爆炸冲击的考核主要是采用整车试验，在爆炸环境下围绕北约军事组织所制定的aep-55试验标准展开爆炸测试。但是整车爆炸测试存在诸多缺点，比如边界条件存在复杂性、偶然性、不可重复性，试验存在高成本、高危险性等问题。为了解决以上问题，结合装甲车防雷座椅的测试需求，基于跌落冲击试验方法，提出一种装甲车座椅的抗爆炸冲击性能试验方法。在实验室固定台架上完成测试，试验件安装结构以近似自由落体的状态撞击地面装置，通过地面装置的固定缓冲系统产生5-7ms的近似三角波，以模拟地雷爆炸时的冲击加速度。冲击加速度可以通过跌落高度进行调节，可以为座椅的垂向抗爆炸冲击性能测试提供统一试验条件。本专利对防雷座椅的抗爆炸冲击性能研究具有重要的意义和实用价值。

技术实现要素：

本专利的目的在于提供一种装甲车座椅抗爆炸冲击性能试验系统和方法，采用跌落冲击试验方案进行，通过将防雷座椅安装在刚性框架内部模拟座椅在装甲车中的安装方式，并通过刚性框架跌落产生冲击波形，实现爆炸冲击的模拟。试验中，通过固定缓冲子系统实现炸药爆炸冲击的加速度波形的模拟，以冲击加速度峰值和脉宽作为评价是否满足波形模拟的指标。

本发明采用的技术方案为：

技术方案一

一种装甲车座椅抗爆炸冲击性能试验系统，包括试验台架、提升子系统、落体子系统、地面缓冲子系统和测试子系统；

试验台架包括试验台立柱，台架底座和顶部工字梁，各部分通过焊接或螺栓固定连接，用于试验系统的支撑；试验台立柱内侧安装钢制导轨，用于落体子系统的导向；台架底座为钢制厚板，用于安装地面缓冲子系统；工字梁用于安装提升子系统；

提升子系统包括电动/液压提升机构、释放锁、导向装置、限位装置和保护装置；电动/液压提升机构通过螺栓连接于试验台架的顶部工字梁上；释放锁包括锁架和锁舌，锁架与电动/液压提升机构连接，锁舌通过螺栓与导向装置连接；导向装置两侧与钢制导轨连接；限位装置连接在导向装置和电动/液压提升机构下底面；保护装置包括支托和地面保护装置，支托设置于试验台架内侧、钢制导轨下方，地面保护装置放置于台架底座外部的柔性材料；

落体子系统包括座椅安装框架和安装在座椅安装框架内部的连接附件、转接夹具和试验件、假人和座椅安装框架底板；座椅安装框架底板为焊接在底部的钢制厚板，落体子系统通过柔性吊带或钢索与导向装置连接；

地面缓冲子系统用于地雷/简易爆炸装置爆炸过程中的冲击波模拟，包括固定底板和缓冲材料结构；固定底板为具有足够刚度和厚度的平面金属板，通过地脚螺栓固定于台架底座；固定底板表面设有多个厚度相同的卡槽，用于将缓冲材料结构嵌入固定；

测试子系统包括加速度传感器、位移传感器、信号放大器、数据采集器、高速摄像机和计算机以及数据处理器；通过测试子系统测量/计算座椅的抗爆炸冲击性能参数，包括座椅缓冲行程、座椅上表面加速度、人体骨盆处加速度、人体骨盆处的动态响应指数driz等。

本发明的技术方案一的特点和进一步改进为，

1、所述试验件为装甲车座椅。

2、导向装置两侧设有滑轮，导向装置通过滑轮与导轨连接，控制滑轮与导轨之间的间隙，并采用润滑油减小摩擦力。

3、限位装置为柔性吊带或钢索，用于对导向装置进行限位保护，使得下落时导向装置对座椅安装框架无冲击、无作用力。

4、缓冲材料结构采用分块设计，通过调整地面缓冲材料结构的刚度或者数量调整冲击波波形脉宽，通过调整跌落高度调整冲击波波形幅值。

5、在座椅安装框架底板前部和后部布置多个加速度传感器，取平均值作为所有加速度传感器测试结果。

6、测试子系统控制释放锁释放，锁舌脱开，落体子系统自由下落，并触发数据采集系统，开始自动获取数据进行测试。

7、采用配重调节座椅安装框架重心，使得其水平下落，从而跌落后框架与所有缓冲材料结构同时接触。

技术方案二

一种装甲车座椅抗爆炸冲击性能试验方法，应用于上述的装甲车座椅抗爆炸冲击性能试验系统，具体步骤为：

1)将座椅安装框架放置在地面缓冲子系统的中心位置，导向装置放置于保护装置支托上方，完成落体子系统与导向装置的连接；

2)控制电动/液压提升机构带动释放锁下降至限位装置的极限位置，将锁舌挂在释放锁上，保证挂锁可靠；

3)控制电动/液压提升机构，带动导向装置与落体子系统的上升；

4)将落体子系统提升至座椅安装框架底板刚刚触及地面缓冲子系统橡胶块上表面的位置，将此位置定义为提升高度的零点，位移传感器清零；

5)控制电动/液压提升机构，将落体子系统提升至预定的高度，加速度传感器清零；

6)通过位移传感器反馈信号判断落体子系统已到达指定的投放高度后，控制释放锁开锁释放导向装置与落体子系统，座椅安装框架自由下落，撞击地面缓冲子系统，导向装置在限位装置的作用下悬于空中，不触及座椅安装框架。此时测试子系统的数据采集器已经进入预触发状态；

7)数据采集器被设置好的触发信号触发，开始采集各传感器的时域信号，高速摄像拍摄试验系统运行轨迹，完成一次试验；

8)数据采集器导出测试数据，所述测试数据为加速度传感器采集得到的座椅安装框架底板的加速度波形；

9)设置预期波形的脉宽和峰值,对比所述加速度波形的脉宽和峰值与期望波形的脉宽与峰值；

10)如果所述加速度波形的脉宽和峰值与期望波形的脉宽与峰值不一致，调节地面缓冲装置的橡胶块或落体子系统提升高度直到所述加速度波形的脉宽和峰值与期望波形的脉宽与峰值一致。

技术方案二的特点和进一步改进为：

1、调试过程中，使用不安装试验件的座椅安装框架进行调试，但需要用配重模拟试验件和假人安装后的重量，即在座椅安装位置固定相同重量的配重；得到满足试验要求的冲击波形，确保调试无异常以后，将配重更换为正式的试验件进行试验。

本发明提出一种新的装甲车座椅抗地雷爆炸冲击性能试验系统和方法，通过台架试验模拟的方法替代原炸药实爆的方法，可以节约研究成本，保证试验多次进行，试验不受环境的限制，具有良好的可操作性。

本发明提出的试验方法可有效测量爆炸冲击过程中座椅与假人的响应数据，也可重复试验，对比测试数据的一致性，有效避免实爆试验过程中参数无法实施测量记录以及测试试验随机性大的问题。

本发明提出的试验方法使得冲击波形可调可控，可通过改善地面缓冲子系统的设计调整冲击波形的形状，用于模拟不同爆炸量级爆炸物带来的影响，可提高试验结果的准确性。

附图说明

图1为装甲车抗爆炸性能试验系统的整体结构示意图；

图2为测试子系统组成示意图；

图中：1—试验台架，11—试验台立柱，12—台架底座，13—顶部工字梁，14—钢制导轨，2—提升子系统，21—电动/液压提升机构，22—释放锁，23—导向装置，24—限位装置，25—保护装置，221—锁架，222—锁舌，251—支托，252—地面保护装置，3—落体子系统，31—座椅安装框架，4—地面缓冲子系统，41—固定底板，42—缓冲材料结构，5—测试子系统，51—加速度传感器，52—信号放大器，53—数据采集器，54—高速摄像机，55—计算机，56—图像处理软件，57—数据处理软件，58—位移传感器，59—交换机。

具体实施方式

一种装甲车座椅抗爆炸冲击性能试验系统，如图1所示，包括试验台架1、提升子系统2、落体子系统3、地面缓冲子系统4和测试子系统5等。

试验台架1包括试验台立柱11、台架底座12和顶部工字梁13等，各部分通过焊接/螺栓连接的方式组合，用于试验系统的支撑。试验台立柱11内侧安装有钢制导轨14，用于落体子系统的导向，保证跌落过程处于垂直下落，通过导轨14轨道和导向装置23滚轮之间通过润滑油减小摩擦力。台架底座12为用于地面缓冲子系统4的安装，为钢制厚板，需要具有足够的刚度、平面度和水平度。工字梁13用于提升子系统2的安装，以支持落体子系统的运动，工字梁13需要具有足够的刚度，足以支持落体子系统2的重量。

提升子系统2包括电动/液压提升机构21、释放锁22、导向装置23、限位装置24和保护装置25等，用于试验件投放高度的调节，保证试验的冲击速度。电动/液压提升机构21通过螺栓连接于试验台架1的顶部工字梁13上，释放锁22包括锁架221和锁舌222，锁架221与电动/液压提升机构21连接，锁舌222通过螺栓与导向装置23连接。限位装置24连接于导向装置23与试验台架顶部之间，为柔性钢索或吊带，用于导向装置23的限位。保护装置25包括导向装置23的支托251，安装于台架内侧，支托上表面安装橡胶或树脂材料，用于意外坠落时的保护，防止限位装置24失效所引起的意外。保护装置25还包括地面保护装置252为放置于台架底座12外部的柔性材料，防止落体子系统3与台架底座12发生刚性碰撞。

落体子系统3包括座椅安装框架31、连接附件32、转接夹具33和试验件34(装甲车座椅)、假人35、座椅安装框架底板等，连接附件32、转接夹具33和试验件34均安装于座椅安装框架31内部，组成落体子系统整体。座椅安装框架底板为焊接在底部的钢制厚板，需要具有足够的刚度、平面度和水平度。落体子系统3通过柔性吊带或钢索与导向装置23连接，以保证下落的姿态可调可控，并保证落体子系统3能够在跌落撞击瞬间水平接触地面缓冲子系统4。

地面缓冲子系统4用于地雷/简易爆炸装置爆炸过程中的冲击波模拟，包括固定底板41和缓冲材料结构42，固定底板为具有足够刚度和厚度的平面金属板，通过地脚螺栓固定于台架底座12，固定底板表面设有多个厚度相同的卡槽，用于将缓冲材料结构嵌入固定。缓冲材料结构为多块相同硬度和厚度的橡胶块，保证撞击瞬间同时压缩全部橡胶块。通过改变橡胶块的材质，可改变其硬度，达到改变缓冲效果的作用，进而可以模拟不同的爆炸冲击波形。也可通过调整橡胶块的个数调成冲击波形的脉宽。通过改变落体子系统3的提升高速改变冲击波形的幅值，高度由测试子系统5中的位移传感器58确定。

测试子系统5如图2所示，硬件系统主要包括加速度传感器51、信号放大器52、位移传感器58、数据采集器53、高速摄像机54以及计算机55等，软件系统包括图像处理软件56和数据分析软件57。图像处理软件56用于处理高速摄像数据，计算座椅(坐垫)缓冲行程、假人位移等参数，数据处理软件57用于分析传感器测试结果。通过此测试子系统，可以测量/计算座椅的抗爆炸冲击性能参数，包括座椅缓冲行程、座椅上表面加速度、人体骨盆处加速度、人体骨盆处的动态响应指数driz等。

装甲车座椅抗爆炸冲击性能试验的过程为：

1)将座椅安装框架放置在地面缓冲子系统的中心位置，导向装置放置于保护装置支托上方，完成落体子系统与导向装置的连接；

2)控制电动/液压提升机构带动释放锁下降至限位装置的极限位置，将锁舌挂在释放锁上，保证挂锁可靠；

3)控制电动/液压提升机构，带动导向装置与落体子系统的上升；

4)将落体子系统提升至座椅安装框架底板刚刚触及地面缓冲子系统橡胶块上表面的位置，将此位置定义为提升高度的零点，位移传感器清零；

5)控制电动/液压提升机构，将落体子系统提升至预定的高度，加速度传感器清零；

6)通过位移传感器反馈信号判断落体子系统已到达指定的投放高度后，控制释放锁开锁释放导向装置与落体子系统，座椅安装框架自由下落，撞击地面缓冲子系统，导向装置在限位装置的作用下悬于空中，不触及座椅安装框架。此时测试子系统的数据采集器已经进入预触发状态；

7)数据采集器被设置好的触发信号触发，开始进行采集各传感器的时域信号，高速摄像拍摄试验系统运行轨迹，完成一次试验；

8)数据采集器导出测试数据，使用分析软件进行试验数据分析；

9)根据加速度传感器采集得到的座椅安装框架底板加速度对比波形要求脉宽和峰值，判断试验结果是否有效，如果不能满足要求，调节地面缓冲装置的橡胶块或落体子系统提升高度直到达到满意效果。

试验过程中，为保证试验的成功与结果的有效性，特别注意以下几个方面：

1)初始冲击速度保证：控制电动/液压提升机构将落体子系统提升到预定的投放高度，保证导向装置滚轮与导轨之间的间隙，并采用润滑油减小摩擦力；

2)连接可靠性保证：连接附件和转接夹具设计时，充分考虑落体子系统的质量要求，考虑座椅安装框架的导向问题，保证试验过程中不出现侧翻现象，并考虑导向装置的限位与保护，保证试验导向装置对座椅安装框架无冲击、无作用力，试验件的座椅上质量利用标准假人进行模拟，保证试验结果的真实性；

3)冲击波形保证：地面缓冲子系统设计时，考虑落体子系统的冲击载荷和持续时间，设计地面缓冲子系统能够模拟试验任务书所要求的冲击加速度的波形，缓冲材料结构采用分块设计，保证冲击波形的脉宽和幅值均可调，在试验过程中可迭代调节；

4)试验重复性保证：由于装甲车座椅试验件安装后，座椅安装框架的重心位置出现偏离，采用配重调节的方式保证其重心位置，进而确保跌落后框架与所有缓冲材料结构同时接触，并通过计算与试验的方式保证试验重复性；

5)数据测试与存储保证：由控制系统导向装置上部的释放锁，锁钩脱开，落体子系统自由下落，同时触发数据采集器，自动获取各通道测试数据。

试验冲击波形调整方法

应用本发明进行试验冲击波形调整时，在释放锁22挂锁情况下将试验落体子系统悬空，调整连接于导向装置23与座椅安装框架31之间的多根柔性吊带/钢索长度，调整后保证座椅安装框架31完全水平。控制电动/液压提升机构21带动落体子系统3下落，使座椅安装框架底板的下表面刚好触及地面缓冲装置4的缓冲材料结构42上表面，位移传感器58清零，记为高度零点，再提升落体子系统3至理论计算高度。打开释放锁22，落体系子统3下落，触及地面缓冲子系统4，通过加速度传感器51确认冲击波形，与要求波形对比。调整地面缓冲子系统4的缓冲材料结构42与落体子系统3提升高度，直到满足波形要求。冲击波形调试过程中，根据波形的实际测量值调整波形，波形数据以cfc1000滤波得到的数据为准。

当测得波形峰值不足时，应当提升落体子系统3的跌落高度，反之降低跌落高度。当测得波形脉宽不符合要求时，调整地面缓冲材料结构42的刚度解决，当脉宽过小，说明缓冲材料结构42刚度过大，应当更换更小刚度的缓冲材料结构42或减少缓冲材料结构42的橡胶数量，反之当脉宽过大时，则更换大刚度的缓冲材料结构42或增加缓冲材料结构42的橡胶数量。

座椅爆炸冲击性能试验方法

应用本发明进行防雷座椅爆炸冲击性能试验时，首先按照叙述的试验冲击波形调整方法进行地面缓冲子系统4的调试和验证，得到满足试验要求的冲击波形。调试过程中，使用不安装装甲车座椅的座椅安装框架31进行调试，但需要用配重模拟连接试验件34和假人35安装后的重量，即在座椅安装位置固定相同重量的配重。得到满足试验要求的冲击波形以后，在需要测量相关信息量以及关注的重点位置安装传感器、安装高速摄像机，给简单触发信号，确认传感器无异常、测试子系统无异常。确保调试无异常以后，按照前文所述的装甲车座椅抗爆炸冲击性能试验的过程进行试验。得到试验数据后，通过数据处理软件57观测冲击波形、分析试验数据、计算假人骨盆处的driz值，通过图像处理软件56计算座椅行程和假人位移量。

座椅抗爆炸冲击性能参数测试

冲击波形测试与分析时，为保证波形测试的准确性与可靠性，防止试验过程中出现传感器失效，需要通过测试座椅安装框架底板上表面的多个加速度传感器51获得，优选的，在座椅安装框架底板的前部和后部布置加速度传感器，取平均值作为波形的测试结果。

假人骨盆处的driz值需通过测量假人骨盆处的垂直加速度间接计算假人的骨盆位移得到，在试验前，需要给假人的骨盆处安装加速度传感器测量垂向加速度。由于座椅的安装位置与假人的坐姿，难以保证试验过程中测量的结果为垂向量。所以，在得到试验数据后，将测得的假人骨盆处垂向加速度进行修正，基于跌落过程中加速度为1g的事实，将测量结果乘以系数，保证跌落过程中的测试结果为1g，得到真实的垂向加速度。进而采用修正值计算driz值。

座椅(坐垫)行程采用在座椅上粘贴mark标识的方法，通过高速摄像机进行测试。mark标识粘贴于座椅的刚性处，防止柔性面变形对测量结果造成的影响。