Development of a mathematical model of an energy-absorbing seat, using the results of piling tests

Full Text

При подрыве на фугасном заряде автобронетанковой техники на экипаж действует довольно большие перегрузки. Эти перегрузки приводят к травмам экипажа. Для защиты от подобных травм было разработано противоминное энергопоглощающее кресло [1, 2]. Суть применения такого кресла состоит в том, чтобы снизить усилие в позвоночнике до допустимых значений, тем самым сохранив жизнь и здоровье экипажа. Противоминное кресло не крепится непосредственно к полу автомобиля, чтобы избежать дополнительных перегрузок за счет деформации пола, а подвешивается к его корпусу для того, чтобы уменьшить перегрузки путем использования демпфирующей способности корпуса. Кресло вывешивается на специальные энергопоглощающие элементы, которые передают на кресло при статическом нагружении усилие не более 420 кг (2 элемента по 210 кг). Характеристика этих энергопоглащающих элементов, полученная на специальном стенде (рисунок 1), приведена на рисунке 2. Рисунок 1 – Испытание энергопоглощающих элементов на стенде Рисунок 2 – Характеристика энергопоглощающих элементов Кресло установлено на вертикальных тягах таким образом, что оно имеет возможность перемещаться в вертикальной плоскости. Так как испытания кресла при подрыве трудоемкие и дорогостоящие, то подрыв имитируется сбрасыванием кресла. Для этого кресло крепится к конструкции, моделирующей корпус автомобиля (КМКА), а та в свою очередь – к копру. Были проведены копровые испытания по сбрасыванию противоминного кресла (рисунок 3), и по их результатам была построена компьютерная модель кресла. Сбрасывание производилось с высоты 400 мм и 450 мм. В качестве манекена использовались антропоморфные манекены типа «Гибрид-2» и «Скиф». При сбрасывании замерялись перегрузки на платформе, кресле и манекене, а также усилия в позвоночнике. Рисунок 3 – Манекен «Гибрид-2» на стенде перед сбрасыванием Просадка кресла при сбросе с 400 мм – 97 мм, при сбросе с 450 мм- 93 мм (уменьшенное перемещение связано с тем, что энергопоглощающие элементы не перезаряжались и происходил небольшой удар сиденья об основание). Полученные данные о перегрузках на копре и полученные в результате интегрирования графиков перегрузки изменения скорости были использованы для отладки математической модели манекен-кресло-копер. Математическая 3D модель копра, платформы, кресла, МЭЧа представлена на рисунке 4. Рисунок 4 – Математическая 3D модель копра, платформы, кресла, МЭЧа Силовое взаимодействие копер-пол моделировано упругим элементом и демпфированием. Кресло имеет возможность перемещения вдоль полозьев корпуса. Энергопоглощающие элементы моделированы силовыми элементами сухим трением. По экспериментальным данным была найдена жесткость подушки сиденья, которая представляет собой функцию силы: F= 414000000·Х3+ 10000·Х, где Х – прогиб подушки. Рисунок 5 – Графики перегрузки на копре при сбросе с 400 мм Рисунок 6 – Графики перегрузки на копре при сбросе с 450 мм Рисунок 7 – Графики перегрузки на кресле при сбросе с 400 мм Рисунок 8 – Графики перегрузки на кресле при сбросе с 450 мм Рисунок 9 – Графики перегрузки на манекене (сплошная линия) и на МЭЧ (штриховая линия) при сбросе с 400 мм Рисунок 10 – Графики перегрузки на МЭЧ при сбросе с 450 мм При проведении копровых испытаний на манекене «Гибрид 2» измерялось усилие в позвоночнике, а на манекене «Скиф» – перегрузка в нижнем отделе позвоночника, так как сброс кресла с манекеном «Скиф» с высоты 450 мм не проводилось, данные о перегрузках есть только для сброса 400 мм. Результаты, полученные в процессе моделирования, показывают, что модель хорошо отлажена и может быть использована в дальнейшем для определения перегрузок на человеке и улучшения конструкции кресла. Интегрируя ускорение на копре, полученное в результате эксперимента, получаем суммарное изменение скорости 4 м/сек при сбросе с 40 см и 4,6 м/сек при сбросе с 45 см. Скорость, полученная в результате падения копра с высоты 40 см равна 2.7 м/сек, а с высоты 45 см 2,8 м/сек – это означает, что дополнительное изменение скорости получилось в результате отскока копра вверх после соударения. Полученное суммарное изменение скорости соответствует подскоку вверх от подрыва на высоту 50 см при сбросе с 40 см и 53 см при сбросе с 45 см. Рисунок 11 – Графики перегрузки на МЭЧ, усилия в энергопоглощающем элементе и шарнире кресла. Сброс 400 мм Рисунок 12 – Графики перегрузки на МЭЧ, усилия в энергопоглощающем элементе и шарнире кресла. Сброс 450 мм Расчеты мощности заряда под колесом машины, который приводит к подскоку на месте водителя на высоту 50 см и 53 см, дает примерную мощность 9.3 и 10 кг ТНТ соответственно. То есть практически было проведено испытание на работоспособность противоминного кресла при подрыве под колесом примерно 9.3 и 10 кг. Полученные значения перегрузок на манекене не превышают предельно допустимых значений. Предельно допустимые сжимающие усилия в позвоночнике 6,65 кН (678 кг), при испытаниях получено максимально 410 кг при сбросе с 40 см и 440 кг при сбросе с 45 см. Рисунок 13 – Просадка кресла. Сброс 400 мм Рисунок 14 – Просадка кресла. Сброс 450 мм

About the authors

N. A Kulakov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: kulakov@mami.ru; andhover@mail.ru
Ph.D.

E. V Gavrilov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI

References

Supplementary files