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自由落体状态下救生艇的乘员安全性：

在全面下落条件下的数值仿真

P A Forbes*, L van Rooij*, C Rodarius*, K H Tan*,

M Philippens**, R Corbeij*, R Skjaelig;veland***

*TNO Science and Industry, Automotive Integrated Safety, Steenovenweg 1, Helmond, The Netherlands

**TNO Defence, Security and Safety, Lange Kleiweg 137, Rijswijk, The Netherlands

***StatoilHydro, Forusbeen 50, Stavanger, Norway

摘要：

这个于全面测试条件下自由落体救生艇的冲击期间的乘员响应仿真是在努力创建一个精确的数值表示。考虑两种船：（1）一艘下落的船 和 （2）一艘滑行的船。每条船都需要独立建立座位模型，且仅仅外部表面是网状的。撞击器测试被用于定义结构变形响应，而从撞击器测试获得的基于应力的联系算法则被应用于每艘船。一个RID3D物理假人被用于所有试验中，因此，一个被验证过的参数化RID3D数值模型被用于这些仿真中。在各种冲击条件下，例如下落高度，船的载重，座椅位置和约束条件。总共12个全面下降条件被用于模型探索变异的验证。这次仿真展现了试验之间的合理的相关性，但是对大多数信号产生了过高的估计，尤其是腰部时间响应。尽管如此，对于冲击条件变化的敏感性被良好的复制了。这些模型被更广泛的用于调查一个改善后的约束系统（5点约束）和强调可达载重的显著减少。这些模型被当作一个有用的工具用于持续优化约束和仿真一次试验环境下难以得到的下落条件例如波浪猛烈程度。本次研究正是调查这些主题。

关键词：救生艇，乘员，仿真，安全性，下落，冲击，损伤。

注释：

AIS 简明损伤定级 ATD 人体测量测试设备

IARV 损伤评估响应值 MADYMO 数学动态模型

PMHS 事后剖析人类受试者 RID3D 后冲击仿真（三维）

简介

乘员冲击数值仿真在汽车安全系统得发展中扮演着非常重要的角色。这些技术向工程师们提供了高精度调查严重冲击条件的机会，也削减了全面或滑车测试的高额花费，在这些测试中，通常会用到仪表化假人或者PMHS。此外，研发时间和安全系统成本也能被削减，因为仅仅需要受限制的物理验证测试。这些年来，这些模型和方法的使用允许工程师们调查人类冲击和受伤情况，而不仅仅限于汽车领域。一个如此的应用是自由落体救生艇的乘员安全性的调查，在这个调查中，乘员使用的约束能够在冲击期间的潜在受伤情况中扮演核心角色。

在紧急情况下，自由落体救生艇利用动量定律，允许速率和质量推动小艇远离石油平台或油轮。速率是在小艇在一定高度下下落过程创造出来的，有时能产生在冲击期间显著的加速度。在一份Forbes et al.【1】的伴随研究中，为了收集多种自由落体救生艇条件下的乘员响应数据，带有仪表化假人的全面下落测试被实施。结果表明潜在的使用者负载超过乘员损伤评估响应值(IARV)产生严重的伤害。作为一份延续研究，这篇论文介绍了旨在复制全面下降条件下的乘员响应仿真设置的建立。这里的目标是为了提供一个数值环境，这份数值环境将促进进一步的调查，例如约束设计优化或不可达的全面测试冲击条件。

本文采用的数值表示来源于RID3D人体测试装置（ATD），在全面下落条件下使用有限元和多体动力学软件MADYMO仿真。创造了一个仿真环境来复制两艘船上被观察到的座位情况和本研究中考虑的座椅型号。进行座椅结构变形试验进行表征冲击期间的碰撞响应。从实验获得的加速度脉冲被施加到座椅，然后通过ATD响应和试验记录的对比完成了仿真的验证。此外，努力实施最初的约束变化，以改善现有约束系统。

背景

在这份研究的第一部分，冲击期间在乘员座椅上装上一个仪表化RID3D假人，实施全面自由落体小艇测试，两艘船被测试，“下落的船”和“滑行的船”，用于代表如今安装在平台上的通用小艇，且它们的名字代表了其释放方式。Forbes et al.【1】提供了一种对于两艘小艇自由落体和冲击运动学的详细的描述。下落的那艘船将乘客放置成平行于小艇长度躺倒的姿势，乘客们层层相叠。滑行的那艘船则把乘客垂直放置，从船的前方面向后方。图1展示了这两艘小艇测试的设置情况，在测试中，假人被放置在尽可能仿真普通乘客的位置。

图1 全面测试假人配置情况 （a）下落的船 和（b）滑行的船

为了调查多个参数的影响，尽力考虑了多种测试条件。这些包括小艇下落高度，小艇载重情况，乘员座位位置和乘员约束状况。本次研究的结论显示出在考虑所有参数的情况下，船和座位配置具有巨大影响。最重要的是，研究发现，更多的约束提升对乘客有利且减少了受伤的可能性。因为这个原因，一种对乘客下落条件的数值复制被创造出来，可以作为未来优化的工具。

在文献中，仅能找到一份利用数值方法来复制救生艇乘客装载情况的以前的研究。Frazer-Nash Consultancy Limited [2] 用DYNA3D来重现救生艇冲击情景，包括启动的运动学情况，船只结构响应和乘员冲击响应。人体模型DYNAMAN被用于替代乘员，它是由数种刚体组件通过坚硬和带有阻尼的关节连接起来的。DYNAMAN模型被放置到座位上，这些座位的几何学结构和阻尼性能可以通过照片和缓冲材料性能分别估计出来。乘员模型被6套弹簧和减震器约束住，直线连接座椅和乘员上的系点，以复制安全带系统。施加到座位上的载荷是从船只仿真中得到的，在四个条件下进行调查座位位置和约束条件。结论是，DYNAMAN显示了和现实乘客报告相似的总体动力学响应，宽松的约束增加了头部加速度，胸部加速度和随之而来的受伤风险。然而，这些仿真缺乏对这些试验结果的全面验证，而且，没有找到这些乘员模型自己对于假人或者人类响应的验证数据。本文提出的工作采用类似的方法，利用更多最近的数值模型进展来复制在自由落体救生艇下落情况下的乘员响应。

技术方案：

在本研究中展示的所有数值模型都是使用软件MADYMO Version 6.3.1 [3]，通过离散有限元模型建立和多体变形方法的结合完成的。通过这种方式，包含在座椅配置中的复杂表面能够被高精度地建立模型，且最小化了计算需求时间。提供了一种对模型结构的描述，包括座椅模型结构，假人的安装启用，约束模型，加速度脉冲的实现和验证标准。

座椅建模

这份研究中考虑的两种座椅都是乘客座椅，分别来自下落的船和滑行的船。在实际座位的全面扫描后，通过将外表面离散为壳元素，它们在模型中被重现出来。这些模型被分为三个部分，分别是头枕，背靠和基座（图2）；这些区域可以在全面测试期间被观察到，并和假人一起承受冲击。

图2 座椅系统的数值实现；下落的船（左）和滑行的船（右）.

黄点表示螺栓连接点

各个座椅类型具有不同的建模方式，依赖于每个座椅的预估变形和附加方法。下落的船的座椅被每边三颗螺钉固定于小艇结构上（见图2）。为了简化建模，座位的铝质附件结构被假设为刚性的。因此，这个座位被建模为一个完全受限的系统，而且模型内的变形只使用基于应力的接触响应。这些反应的特性是通过对座椅的动态冲击测试实现的，全程测量力和变形。使用两种不同的加载装置：（1）150毫米圆形平板；（2）一个圆柱形刚性冲击器。这些设备被用来获得座椅三个部分通用的基于应力的响应。在座椅的底部和背面采用圆平板。由于头枕拥有太多弯曲部分以至于不能使用圆形冲击器，所以将刚性圆柱应用于它。两种都使用冲击器的横截面积，以被转换成基于应力的响应。由于该圆柱形冲击器的弯曲部分，需要预估头枕的基于应力的响应，以产生接触特性。这就要求计算穿透力响应加入近似基于应力的响应，并拟合曲线的实验数据。

另一方面，滑行的船的座椅被座椅底部的五颗螺钉固定到小艇结构上（见图2）。在全面测试期间，假人被推压向背靠，未固定的背靠被观察到向后弯曲。结果是，这个座椅被建模为完全约束于座椅底部，而座椅靠背通过一个位于座椅靠背和底座连接处的1自由度转动关节连接起来。座椅基座的表征通过使用与下落小艇相同的圆柱冲击器来实现。对于座椅靠背来说，圆柱冲击器被使用是由于座椅的高曲率决定的。基座的结果被转化为基于应力的接触特性，而靠背的结果被转化为关节弯矩-转角特性。最后，头枕的特性，采用圆柱装置实现。冲击器的替换和座椅背部的座椅替换都被测量了。这两次测量值的差异被用于隔离头枕变形响应和定义基于应力的接触特性。

此外，两种座椅类型的加速速率都被调查了。冲击速度分别为10，100和1000mm/s的条件下，所有测试的峰值载荷都为1.5Kn。表1总结了在下落和滑行座椅上进行的试验。

假人和约束的实现

一个RID3D MADYMO假人模型被应用在这个研究中以复制物理的RID3D假人。仿真的RID3D被称作“facet”模型，它的外表面用刚性质量壳元素描述。元素被连接到多体零件上，在那里变形使用关节刚度特性描述。诸如氟丁橡胶套和biofidelic挤压垫的柔软材料的变形用基于应力的接触特性描述。以目前公布的RID2d模型为平台建立模型，以球形关节取代颈部的铰链关节来帮助屈伸旋转和横向旋转，从而做出一个RID3D假人。对各种冲击条件下的模型进行了验证，隔离各种身体组件例如腿，骨盆、腰椎和胸廓。最重要的是，模型的颈部用于验证多种PMHS测试条件下的RID3D假人后方冲击试验，这些试验是由Bertholon et al. [4]所进行的。这些验证的结果可以在MADYMO Models Manual [3]中被找到。

这个假人在各个座位上首先被放置为在座椅表面上方，使用的是从全面测试中得到的初始定位数据。然后将假人置于重力影响下1秒钟，并执行一个预仿真，在预仿真过程中，座椅以与全面下降释放阶段同样的方式定向。约束系统的安装启用是利用多体和有限元带段的结合完成的。在预估的与假人接触的区域，使用有限元带。对于所有其他部分使用多体梁单元。然而，对于头带，只有多体带被固定在头部的两个点上。下落测试期间相对头部运动的缺乏表明了这样的简化是有效的。在这次仿真中，不需要预紧器，拉钩或滑环装置，然而，35N和50N的力分别被施加在头带和所有其他带上。实施一次带的收紧的预仿真以将带和身体紧密相贴，带的情况的仿真的结果可以在图3中看到。

脉冲的实现

在实验过程中测得的加速度脉冲被用来作为每个仿真的输入。两个分别被放置在座位前面和后面的加速计信号被计算平均值以得到单个加速响应。此外，一个陀螺测试仪被放置在座椅中心以获得冲击期间的转动速度。加速度计和陀螺仪被定向成X轴指向船的纵向前部，y轴指向两侧，z轴指向下部。在模型内，座椅被刚性连接于一个等距坐落于两个加速度计和相同位置陀螺仪的身体上。平均加速度响应以三线性自由度被施加到这个身体上，同时，旋转速度信号的导数被应用到三转动自由度。

在模型的安装启用前，所有试验船信号都被一个CFC60滤波器过滤，这是与汽车工程师协会（SAE）J211 / 1实验仪器标准一致的，在这份标准中声明了所有车辆的加速计信号都要通过CFC60 [5] 过滤。这样的过滤器在汽车测试中常被定义用来减少由局部结构振动引起的高频信号，且不影响施加于乘员的加速度。在本研究中的测试中，这种方法被用来消除船体结构中的高频噪音。如表格2所总结的，总共12个的全面下降测试被仿真，9个是下降小艇，3个是滑行小艇。关于列出的约束设置的细节可以在Forbes et al. [1] 的伴随论文中被找到。

验证标准

图三总结了试验中在仿真验证期间被考虑的假人信号。该标准包括几乎所有的物理假人内的可用的信号。结果的展示受限于轴的方向，且在试验中观察到大量的负载。进一步指出，虽然没有对于模型验证的客观分析，但是在时域中的信号的比较被认为提供了模型频率特性的足够的信心。

约束的变化

从全面测试的结果中，可以总结出初始时在两艘小艇和两套座位配置上实施的约束都不足以保证冲击期间乘员的安全性。尽管改善后的约束在测试期间被就地执行，据推测，进一步的改进可以减少受伤的风险。作为实施改进的约束设计的第一次尝试，一个5点约束系统在两种座椅类型上被仿真。这个系统类似试验中用过的4点约束，但在两腿之间加了一条额外的带子。这些约束的实施可以在图4中看到。为了与旧的约束系统比较，这些约束的仿真在最坏下落条件情景下被实施（后部乘坐，50%船尾装载和30m下落高度）。

结果

座椅建模

在所有的座椅测试和位置中，力偏转响应被认为是稳定和可重复的。此外，没有发现显著的速度依赖性，且仅有100mm/s的响应被用于描述每个接触区域。下落小艇座位的测试显示出座位材料和结构的显著变形。因此，从测试中得到的响应在座椅接触特性中被实现。图5显示了10，100和1000mm/s测试中，下落小艇的座椅基座的响应，强调了对于装载率的不敏感性。值得注意的是，在测量中古怪地观察到1000mm/s测试产生了显著的噪音。

滑行小艇的座椅测试显示出了相似的测试结果，且速度对冲击响应没有影响。对于座椅基座，它的刚度被注意到显著高于在假人中实现的值。因此，基座被假定为刚性的，且仅有假人接触特性被使用。而座椅靠背的测试结果被转换为关节的弯矩-转角，在测试期间，关节中心从视频中被近似。最后的特性被指出是线性的，且弯矩-转角响应被绘制在图6中。从两次替换测量中得到的头枕响应，被发现产生预期的指数特

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