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防地雷反伏击车车底防护结构设计与研究

2021-10-14 10:32:07公文范文
姜红伟张娉娉陈玉超摘 要:本文介绍了一款防地雷反伏击车车底防护结构的设计方法,并通过计算、仿真和试验

姜红伟 张娉娉 陈玉超

摘  要:本文介绍了一款防地雷反伏击车车底防护结构的设计方法,并通过计算、仿真和试验验证的手段,模拟了爆炸冲击载荷作用的过程,分析了防护结构对爆炸冲击波的影响和对人员的保护作用。最后,在国内某权威试验场,我们根据STANAG 4569相关标准和要求,进行了全尺寸爆炸冲击试验,试验中对乘员在发生车体下爆炸事件时的被动安全水平进行了测试。在受到8kgTNT当量的爆轰型地雷替代装药爆炸后,车辆主体结构完整,舱体内部底板和车体顶部基本平整,未出现贯穿性裂纹,充分验证了该结构的防护性。

关键词:防护结构;爆炸冲击;仿真;试验

中图分类号:TJ811+.9      文献标识码:A     文章编号:1005-2550(2021)03-0084-05

Design and Research Of Vehicle Bottom Protection Structure For Mine Resistant Ambush Protected Vehicle

jiang hong-wei, zhang ping-ping, chen yu-chao

( Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center, Wuhan 430056 , China)

Abstract:
This paper introduces the design method of the protective structure of the vehicle bottom of a mine resistant ambush protected vehicle. By means of calculation, simulation and experimental verification, the process of the explosion shock load is simulated, and the influence of the protective structure on the explosion shock wave and the protection effect on personnel are analyzed. Finally, according to the STANAG 4569 standard and requirements, a full-scale explosion impact test was carried out in a domestic authoritative test site. In the test, the passive safety level of passengers in the case of explosion under the car body was tested. After being blasted by 8 kg TNT equivalent explosive charge, the main structure of the vehicle is complete, the interior bottom plate and the top of the vehicle body are basically flat, and there is no penetrating crack, which fully verifies the protection of the structure.

Key Words:
Protective Structure; Explosion Shock; Simulation; Test

姜紅伟

毕业于佳木斯大学,硕士学历,高级工程师。现就职于中国重汽集团青岛重工有限公司,任特装部经理,从事装甲车类产品的研发和产品规划工作。

1   前言

在当前国际以和平和发展为主题的大局势下,局部冲突、小规模战争仍时常发生,军用地面车辆面临的威胁仍然存在,甚至情况愈演愈烈,最为常见的有简易爆炸装置(1ED)和地雷等。二十一世纪以来,国际局势的变化使得世界各国军队基本职责已经由大规模军事行动转变为反恐、防暴、维和、救灾等小规模行动为主,各国陆军部队面临大量反恐、防暴作战任务的考验,如:阿富汗和伊拉克的治安战,阿拉伯国家的内乱等新的军事行动。西方国家的军事系统已察觉到仅仅采用附加装甲的防雷车辆方案已无法应对现代战场的需要,因此迫切需求研发出一种防护性、机动性都较高的军用防雷车辆,由此诞生了防地雷反伏击车(MRAP)。欧美各国在过去十多年的时间内一直致力于军用车辆的地雷防护方面的研究、开发和制造试验等,其设计性能重点主要是保证车内乘员的生命安全。地雷在车辆底部爆炸时易于撕裂车身底部结构,使得破片、冲击波、有毒气体进入车内危及乘员安全,另外车身底部结构的变形、瞬态强加速度和脉冲载荷同样会对乘员造成巨大损伤。

国内的防地雷车辆研发起步较晚,少有性能突出的防地雷作战车辆。近几年国内各研发厂商相继推出自家的设计产品方案。军方也在寻求采购防地雷的作战车辆,探索使用场景,总结使用经验[1]。

2    车底防护方案设计及仿真

2.1   车辆受到爆炸冲击响应过程的分析

车辆在爆炸载荷的作用下,最危险的情况是车身下爆炸(UBB)。当车辆受到爆炸地雷或简易爆炸装置(IED)的冲击时,爆炸能量在爆炸过程中迅速释放,对于埋入地下的炸药,爆炸的气体产物将能量转移到地面。爆炸波在空气中传播时,喷出的土壤撞击车辆底部。能量传递过程可分为三个阶段,如图1所示。在冲击波冲击后的第一阶段,弹性波在车辆结构中以声速传播,产生高振幅、高频振动。由于波的高速性,这个相位的持续时间只有几毫秒。在第二阶段,由于车体底板在爆炸冲击下产生塑性应变和垂直于地板平面的弹性振动,车底发生局部变形。这个阶段和下肢损伤的风险有关。整个过程的最后一个阶段是整车的整体运动。传递的部分爆炸能量转化为车体的动能。这一阶段与座椅快速垂直加速度导致脊柱受伤的风险有关[2][3]。

通过对爆炸过程的分析,我们在防雷性能提升方面,采用车底加装V形防雷组件达到对爆炸冲击波的泄流作用,该组件的防雷板内层喷涂LineS防暴涂层,保证防雷组件不损坏、不形成碎片,同时依靠安装螺栓的破断剪切力进一步吸收爆炸冲击波能量,最后使用防雷座椅减轻冲击波对人员的垂向加速度,达到减少人体损伤的目的。

2.2   车底防护方案设计计算

本方案是基于成熟的轻型轮式步兵输送车辆发展而来,在原有防护方案上,加强了车辆的防护性能,尤其是车身底部方向对地面地雷和各类爆炸物的防护。车身底部的防雷模块由分动箱防护罩、乘员舱防护罩、驾驶室防护罩和侧防护披挂组成。我们在设计中选用St防雷钢板,其屈服强度能达到900Mpa,抗拉强度在940-1100Mpa。各模块采用最佳的防雷外形,对车底爆破的冲击波进行偏转,分散爆炸能量对车身的破坏效果,同时通过对连接部件的剪切和部分塑性变形,结构性的吸收作用于车身的爆轰能量,以达到保证车内乘员生命安全的目的。

2.2.1 分动箱防护结构计算

防雷车分动箱防护罩离地高度:422mm;

实验条件:炸药埋放后距地面距离为100mm。

作用到分动箱防护罩的爆压计算:

公示(1)中           ,R是距爆点距离,mw为TNT当量。

爆炸当量mω=8kg ,

爆炸距离为:R=522 mm

根据公式(1)可得:

由于:

所以:

分动箱防护罩底部等效受力面积为:

分动箱防护罩受力为:

式(2)

由于分动箱防护罩底部的V形结构对爆炸能量的分散效果,其表面实际受力应为:

式(3)

θ为V形防雷结构对爆炸威力减弱效果的经验系数,参考仿真模拟试验,如图4,车底结构角度从150°向140°变化时,结构分散能量的能力呈指数级增强[4],140°-130°之间变化趋于平缓,取140°和150°的结构角度数值研究,其分散能量数值系数θ0=1/8.4,此处取θ1=0.1。

对于螺栓组的受力(螺栓均匀受力,预紧力达到规定数值)计算,此处不需参考螺栓的安全系数,所以有螺栓组所受切应力的计算:

式中,F为螺栓组受力(N),m为螺栓组螺栓数量,S0为螺栓截面积(m2),τ0为螺栓的许用切应力(MPa)。

分动箱防护罩需通过剪断固定螺栓达到吸收、削弱地雷爆轰能量,所以,此处应取螺栓组的切应力略大于螺栓的许用切应力,即:

暂定使用M10、12.9级规格的连接螺栓,其参数分别为:

螺栓数量计算:

2.2.2 分动箱防护结构校核

分动箱防护罩在底部爆炸发生时,其所受的最大应力为:

F为分动箱防护罩所受的最大外力,前文已做计算,即:

S1为分动箱防护罩法向受力横截面积,经计算,得出横截面积大小为:

所以,分动箱防护罩内部最大应力为:

又由于材料的许用应力

(钢材的安全系数n取1.6)

未超过材料的许用应力,所以,分动箱防护罩结构设计合理,在发生底部爆炸时不会发生结构失效的情况,满足设计要求。

2.3   乘员舱防护结构计算

2.3.1 乘员舱防护结构计算。

防雷车乘员舱防护罩离地高度:1086mm;

实验条件:炸药埋放后距地面距离为100mm。

作用到分动箱防护罩的爆压计算:

爆炸当量mω=8kg,

爆炸距离为:R2=1186mm

根据公式(1)可得:

由于:

所以:

防雷车乘员舱防护罩底部等效受力面积为:

防雷车乘员舱防护罩受力为:

由于防雷车乘员舱防护罩底部的V形结构对爆炸能量的分散效果,其表面实际受力应为:

防雷车乘员舱防护罩需通过剪断固定螺栓达到吸收、削弱地雷爆轰能量,所以,此处应取螺栓组的切应力略大于螺栓的许用切应力,即:

暂定使用M10、8.8级规格的连接螺栓,其参数分别为:

螺栓数量计算:

2.3.2 乘员舱防护结构校验。

防雷车乘员舱防护罩在底部爆炸发生时,其所受的最大应力为:

F2为防雷车乘员舱防护罩所受的最大外力,前文已做计算,即:

S2为防雷车乘员舱防护罩法向受力横截面积,经计算,得出横截面积大小为:

所以,防雷车乘员舱防护罩内部最大应力为:

又由于:

未超过材料的许用应力,所以,防雷车乘员舱防护罩设计合理,在发生底部爆炸时不会发生结构失效的情况,满足设计要求。

2.4   车底防护结构的建模仿真[5]

在Creo3.0中对15t装甲車辆结构进行三维建模,直接承受冲击波压力,并应用其自身的SIMULATE仿真模块进行仿真分析,定义了爆炸载荷模型,模拟了压力场的时空变化,作为表面爆炸载荷。由于埋入炸药的爆炸效应与埋藏深度、土壤类型和条件以及爆炸波的入射角有很大关系,爆炸压力模型通过在简单模型上进行的全尺寸爆炸试验进行分析如图7。

当爆炸冲击载荷作用在距车体最近的分动箱防护上,分动箱防护的中心为最大应力处,从应力云图可以看出,防雷板在爆炸冲击作用下,防雷板最大应力达到183MPa,未超出防雷板材料的屈服强度极限,故满足设计要求。

3    試验验证

在国内某权威试验场,我们根据STANAG 45 69[6]进行的全尺寸爆炸试验中,对乘员在发生车体下爆炸事件时的被动安全水平进行了测试。爆炸试验如图8所示。在受到8kgTNT当量的爆轰型地雷替代装药爆炸后,车辆主体结构完整,舱体内部底板和车体顶部基本平整,未出现贯穿性裂纹;前、后桥无明显变形、舱体与车架连接基本保持正常,右侧大梁中段可见外倾扭转变形;底部分动器保护罩脱落;驾驶位和乘员位HybridⅢ模拟假人均未脱离座椅,乘员位假人脚部落至地板上;所有数据均符合要求。

4    结语

通过可靠的理论计算,此防护结构使得车体腹部及乘员舱底部能够抵御8公斤TNT当量爆炸物的攻击,未发生贯穿;通过对各模块连接结构的受冲击剪断和部分塑性形变,消耗了车体底部爆炸物的爆轰能量,使车体本身收到的爆轰影响大为下降。因此,经过试验证明:车底防护结构设计是有效的,可减轻车底爆炸物的起爆对车内乘员的伤害。

参考文献:

[1]王虹,潘小强,龙涛《车辆防雷技术与对策研究》2011年中国系统工程学会.

[2]韩辉,焦丽娟,徐平《战车底部防雷技术研究》四川兵工学报2007年第28卷第3期.

[3]Hryciów Z., Borkowski W., Rybak P., Wysocki J., Wi?niewski A.:
Experimental researches of safety of armoured personel carrier crew during collision with obstacle, Arch. Automot. Eng. Motoryz., vol. 61, no. 3, 2013.

[4]张中英,何洋扬,王乐阳,王桂贞,《车底结构对爆炸冲击波响应特性影响研究》2009全国仿真技术学术会议论文集.

[5]王大奎,杨小银,娄文忠等《防雷车抗爆性能仿真方法》中北大学学报2017年第38卷第2期.

[6]Procedures for Evaluating the Protection Level of Logistic and Light Armoured Vehicles, AEP-55 Volume 2 Edition 1, 2006.

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