Диссертация (Разработка научно обоснованных технических решений защиты экипажа автобронетанковой техники при минно-взрывном воздействии), страница 7

Исследователииспользовали экспериментальные данные по прочности позвонков, полученныеГирцом. В дальнейшем было решено уменьшить значение критерия DRI до17,7, что соответствует 10% вероятности повреждения позвоночного столба поAIS 2+[51] и усилию в нижнем отделе позвоночника F=17,7х34,51=610 кг.ПриналичииАИМснепосредственнымизмерениемусилиявпозвоночнике необходимость в DRI практически отпадает. Ограничениямодели DRI состоят в том, что она была разработана для одномассовойлинейной модели позвоночника человека и не учитывает пространственнуюкинематикудвижения,неучитываетналичиепривязнойсистемыидействительна для строго определенной массы верхней части тела равной 34,51кг и жесткости позвоночника 96,6 кН/м.

Фактически DRI пересчитывает47перегрузку, которую можно измерить без АИМ, в усилие в позвоночнике. Присущественном изменении массы верхней части тела, например, при наличиикаски, бронежилета и разгрузки использование DRI только искажает всюкартину, что иногда пытаются исправить, пересчитывая допустимую величинуDRI по формуле:,1+где М – масса дополнительного снаряжения;� =(2.3)m=34,51 кг.ПравомерностьиспользованиякритерияDRIдляопределениятравмобезопасности при минно-взрывном воздействии обсуждается какзарубежными, так и отечественными ученными.В статье [62] рассматривается правомерность использования индекса DRIв качестве критерия повреждения поясничного отдела позвоночника.

Вчастности, обсуждается применение критерия при использовании экипировки(бронежилетов, касок и т.д.).В статье [63] Б.А. Рабинович также обращает внимание на корректностьприменения DRI для строго ограниченного диапазона параметров.Наосновеанализарезультатовотечественныхизарубежныхисследований можно сделать окончательный вывод, что применение DRIнежелательно при использовании антропоморфных манекенов с датчикамиусилий в нижнем отделе позвоночника.Ряд отечественных и зарубежных авторов исследовали статическую идинамическую прочность позвонков [64-70]. В Таблице 4 представленыэкспериментальные данные по прочности позвонков различных авторов.В своде федеральных нормативных актов США раздел 14, части 23, 25,27, 29 [15 – 18], а также в российских аналогах: федеральных авиационныхправилах АП-23, АП-25 АП-27, АП-29 [19 – 21] установлено максимальнодопустимое усилие между тазом и позвоночным столбом манекена равное 1500фунтов (680 кг).

Что формально соответствует DRI равному 19,7=680/34,5148(Рис. 2.3) [71] Статистика распределения травм по позвонкам показывает, чтопозвонки T12 и L1 наиболее часто подвержены переломам [72 – 74].Таблица 4.Сравнительная оценка прочности позвонков человекаРуфф иПо-Гирц [56,звон-57], воз-кираст неуказанПерей[64],возрастдо 60летТ1Сонода[65],возраст20-39летГо-Ступа-зуловковКоржень-и Раби-[66],[67],янц [68],новичвозраст воз-Возраст[69, 70]*,19-46раст18- 27-45 летвозрастлет50 лет23-48 лет484370+/-Т29,0Т3Т4Т5431 +/-Т65,0Т7Т8540-640Т9620-710Т10660-800Т11720-860Т12690-900L1720-900520L2800-990600L3900-1100635L4900-1100650L51000-1200590644+/24,1730+/13,7Моорлат7704444084765945355735625468206315426406946138608406188567088776889357761074550-640660-1050374714970-1450800108010141300-14501590**119897914504844444761230-170010581280**15001500-1680* Динамическое нагружение** Судя по всему, в источнике опечатка не хватает одного порядка2100**49*** Усилие в кгПо экспериментальным данным Гирца и Руффа усилие при переломепозвонков Т12 и L1 составляет 690-900 кг и 720-900 кг.

Исходя из этих данных,в авиационных правилах было выбрано предельно допустимое значение внижнем отделе позвоночника равным 680 кг.Рис. 2.3. Соотношение между усилием в позвоночнике манекена и DRIНа основе приведенного выше обзора исследований по критериямтравмобезопасности позвоночника при вертикальных перегрузках, былопринято решение использовать критерий, используемый в авиационныхправилах как наиболее обоснованный и часто применяемый при исследованииреальныхконструкций.Такимобразомвкачествекритериятравмобезопасности позвоночника экипажа при подрыве АБТ на минахпринято значение предельно допустимого осевого усилия равного 680 кг,измеренного в поясничном отделе АИМ Гибрид 3.2.4.Обзор критериев поражения шейного отдела позвоночникаИсследования по определению прочности позвонков шейного отделапоказали, что максимально допустимые воздействия сильно зависят от условийзакрепленияголовы,точкиприложениявоздействияиот жесткости50контактирующей поверхности.

К примеру, можно рассмотреть исследованияМаймана [75], Майерса [76] и Пинтара [77], которые показывают, что придействии комбинации сжатие-изгиб травмы наступают при меньших значенияхосевого усилия, нежели при чистом сжатии. Так двусторонний вывих поданным Майерса наступает при усилии равным 1720±1230 Н, а травмы приизгибе по данным Маймана при усилии 2000 Н, в противовес усилиюкомпрессионных травм, полученным в этих же исследованиях – 4810±1290 Н и5970±1049 Н соответственно. Также в исследованиях подчеркивается важностьнапряжениямышцшеивпереносимостиизгибныхвоздействий.Вышеупомянутые значения следует принимать за порог переносимости прикомбинированном действии сжатия-изгиба, а не чистого сжатия.Также прочность шейного отдела зависит от возраста и пола образцов.

Вработе Найтингейла [78] были выдвинуты максимально допустимые значениясжимающего усилия для женщин и мужчин, которые составляют 1,68 кН и 3,03кН соответственно. При пересчете на усилия для молодого мужчины предельнодопустимое значение составило 3,64–3,94 кН.Испытания на чистый изгиб показали, что шейный отдел очень гибок иударная вязкость при изгибе недооценена. Исследователи, которые пыталисьсломать шейный отдел позвоночника целиком, потерпели неудачу [79] чтопривело их к мысли испытывать отдельные сегменты шеи.

Даже на отдельныхсегментах довольно тяжело технически прикладывать чистый изгибающиймоментитребуетсяспециализированноеиспытательноеоборудование.Суммируя углы при разрушении шейных позвонков можно вычислить уголизгиба головы для достижения травмы, который составляет более 1200. Такойугол анатомически невозможен (угол при касании подбородка груди составляетпримерно 880) и, соответственно, чистый изгиб не может привести кповреждению шейного отдела.На основе проведенного обзора в качестве критерия травмобезопасностишеи экипажа при подрыве на минах было решено использовать несколько51критериев, которые ограничивают предельно допустимое воздействие усилиясжатия, растяжения, сдвига и изгибающего момента.На основе исследований Мерца и др. [80] были выведены 2 ломаныхкривых переносимости к осевому сжатию, основываясь на измерениях верхнеготензодатчика АИМ Гибрид 3 50-го перцентиля.

На Рис. 2.4 ломаныепредставлены в координатах «продолжительность действия-усилие».Рис. 2.4. Предельно допустимые значения сжимающего усилия, замеренного вверхнем тензодатчике шеи манекена Гибрид 3В качестве критерия поражения при растяжении и сдвиге вперед-назадследует принимать кривые, выведенные Мерцом и др. [81] аналогичнокритерию по сжатию шеи. Авторы предложили предельно допустимыевоздействия при растяжении и сдвиге шейного отдела позвоночного столба(Рис.

2.5, Рис. 2.6). Предельно допустимые значения, также, как и для осевогосжатия, представлены в координатах «продолжительность действия-усилие».Если хотя бы одна точка лежит над кривой, то существует вероятностьсерьезных повреждений шеи при растяжении (сдвиге), если все точкинаходятся под кривой, то получение травмы шеи маловероятно.52Рис. 2.5. Кривая травм шеи для осевого растяжения для Гибрид-3, 50-йперцентиль, мужскойРис. 2.6. Кривая травм шеи при сдвигающем усилии для Гибрид-3, 50-йперцентиль, мужскойВ качестве критерия для сгибания и разгибания шейного отделапозвоночника был выбран критерий, основанный на работах Мерца и Патрика[82], и Патрика и Чоу [83]. Так, момент при сгибании равный 190 Нм человека50-го перцентиля переносится без травм связок (по шкале AIS 1 или 2) икостных структур (по шкале AIS 2 или 6), с возможными травмами мышц (пошкале AIS 1). В качестве порогового значения разгибания был принят момент в57 Нм, при котором ожидаются травмы связок шеи (по шкале AIS 1 или 2).53Предельно допустимый момент сгибания в 190 Нм был подтвержден вболее поздних работах [84], а момент при разгибании был изменен на значениев 96 Нм.В качестве рекомендованного критерия поражения шейного отделапозвоночника при подрыве сбоку был выбран критерий, разработанный в ходенаучно-исследовательской работы, проведенной по инициативе ФедеральногоУправления Гражданской Авиации США [85].

В этом случае усилие измеряетсяв верхнем тензодатчике АИМ Евросид 2. Кривая предельно допустимогозначения бокового изгиба представлена на Рис. 2.7.Рис. 2.7. Кривая травм шеи при растягивающем усилииманекена Евросид 2 50-й перцентиль, мужскойТаким образом, пиковое значение усилия для вероятности получениятравмы по AIS3+ 50% с 90% уверенностью находится в промежутке 1946-2243Н со средним значением 2094 Н.2.5.Обзор критериев поражения головыСамые опасные из всевозможных травм при краш-тестах, а также приподрыве АБТ на минах, являются травмы головы.

Так как в черепной коробке54расположен головной мозг, отвечающий за все жизненно важные функцииорганизма, травмы головы вызывают особое внимание исследователейтравмобезопасности человека. Хотя травмы головы исследуются со временоснования медицины, до сих пор нет единого мнения о процессах,происходящих в голове при тупых ударах, и соответственно механизмполучения травм до сих пор полностью не установлен.В процессе изучения вопроса о травмах головы было выдвинутомножество критериев, которые основываются на замерах линейных и угловыхускорений,усилияконтакта,внутричерепногодавления,деформации,сдвигающего напряжения, напряжения по Мизесу. Критерии были разработаныс использованием экспериментальных данных на добровольцах, животных,трупах, а также с использованием математических моделей.