非接触爆炸冲击环境下舰艇人员冲击响应特性研究

Underwater non-contact explosion has intense impact on naval ships, which can cause not only the damage to the hull and equipment but also the threats on crews' life security,therefore,conducting research on crews impact response and protection measure under the environment of non-contact explosion is critical given its high relation to crews' survivability and combat effectiveness. Using a couple of research methods including simulated impact test in laboratory, computer simulation analysis and real ship explosion test, the impact response and injury mechanism of the crews in sitting, standing, and prone position under non-contact explosion impact environment are analyzed. The injury tolerance of the crews to impact is optimized and improved,after which the protection measure for enhancing the crews' impact safety are proposed. The main contents in the present research are as follows: the establishment of crews' numerical model in non-contact explosion shock environment and analitical study, analysis of impact response and injury evaluation for crews,the optimization of injury safety limit and establishment of crews' impact resistant protection method. The present research has great significance in protecting crews under impact and the enhancement of crews' combat effectiveness through building a simulation platform for human impact analysis, evaluation of injury tolerance as well as proposing protection measure for the crews subjected to non-contact explosion impact.

水下非接触爆炸冲击对舰船造成强烈冲击，不仅可以引起船体、设备的损坏，更会对舰艇人员的生命安全造成威胁，开展非接触爆炸冲击环境下舰艇人员的冲击响应特性和抗冲击防护研究是关系到舰员生存和提高战斗能力的重要课题。本项目拟采用实验室模拟冲击试验、计算机模拟仿真分析和实船爆炸试验为研究方法，对坐姿、立姿和卧姿舰艇人员在非接触爆炸冲击环境下的冲击响应特点和损伤机理进行分析，优化和完善舰艇人员抗冲击损伤的安全限值，进而制定舰员抗冲击防护策略。该项目主要研究内容包括：非接触爆炸冲击环境下舰员的仿真模型创建与分析、舰员冲击响应特性分析与损伤评价、舰员损伤安全限值优化和抗冲击防护策略建立等。本项目建立的非接触爆炸冲击环境下舰艇人员冲击响应特性仿真分析平台、舰艇人员抗冲击损伤安全限值评价和抗冲击防护策略对舰艇人员抗冲击防护和提高舰艇人员的战斗力均具有重要意义。

舰船抗冲击研究是海军现代化建设的一个重要课题。舰船所受冲击环境主要有三种：一种是接触爆炸，比如遭受导弹、激光炸弹等直接攻击；二是水中非接触爆炸，如遭受水雷、深水炸弹的间接攻击；三是自身武器发射时反冲力引发的冲击。水中非接触爆炸冲击对舰船造成强烈冲击，不仅可以引起船体、设备的损坏，更会对舰艇人员的生命安全造成威胁。项目主要针对非接触爆炸冲击环境下舰艇人员的冲击响应特性展开研究。首先，建立了坐姿、立姿和卧姿三种状态下的假人有限元分析模型，并通过与跌落试验结果对比验证了模型的有效性；其次，结合试验台模拟冲击和舰船海上实船爆炸试验结果，分析了三种姿态舰艇人员各关键部位在非接触爆炸冲击环境下的主要损伤部位和初步指标（立姿腿部伤害指标：小腿压缩力TCFC<8kN；坐姿胸部和颈部伤害指标分别为：胸部合成加速度<60g和颈部NTE <1；以及卧姿胸部和颈部伤害指标分别为：胸部合成加速度<60g和颈部NTE <1）；再次，采用逐段逼近的寻点计算方法探索三种姿态舰艇人员关键部位在非接触爆炸冲击环境下的冲击损伤安全限值，并绘制了安全限值曲线；最后，依据试验和仿真分析结果获得，在X吨TNT炸药当量下：爆距≤60米冲击下，卧姿假人易与床铺发生多次撞击，可采用抗冲击的床垫和头枕进行防护；爆距≤40米冲击下，坐姿状态假人会出现人员离位，并与前端仪表发生严重碰撞，使得颈部接近损伤限值，需采用抗冲击座椅；爆距≤60米冲击下，立姿状态假人会飞离甲板，且脚踝处力矩较大，易产生损伤，可穿缓冲鞋防止受伤发生。. 综上，本项目建立的非接触爆炸冲击环境下舰艇人员冲击响应特性仿真分析平台、舰艇人员抗冲击损伤安全限值评价和抗冲击防护策略对舰艇人员抗冲击防护和提高舰艇人员的战斗力不仅具有实际意义，同时研究成果还被扩展应用到了装甲车乘员防雷抗冲击防护研究。项目研究成果不仅为舰船人员抗冲击防护提供理论依据，同时对爆炸冲击环境下人体损伤生物力学的深入研究也具有重要的科学意义。