防雷車的相似性設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

王大奎， 楊小銀， 婁文忠， 王輔輔， 鄭旭陽(yáng)

(1. 北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 北京 100081； 2. 中國(guó)兵器裝備集團(tuán)兵器裝備研究所， 北京 102202；3. 中國(guó)科學(xué)院 空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心， 北京 100094； 4. 重慶長(zhǎng)安工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 重慶 401120)

防雷車的相似性設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

王大奎1， 楊小銀2， 婁文忠1， 王輔輔3， 鄭旭陽(yáng)4

(1. 北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 北京 100081； 2. 中國(guó)兵器裝備集團(tuán)兵器裝備研究所， 北京 102202；3. 中國(guó)科學(xué)院 空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心， 北京 100094； 4. 重慶長(zhǎng)安工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 重慶 401120)

針對(duì)防雷車設(shè)計(jì)中周期長(zhǎng)以及成本高的問題， 提出了將相似性理論應(yīng)用到防雷車設(shè)計(jì)中的理念. 以實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的一款防雷車為原型， 設(shè)計(jì)制作了原車模型1/10大小的縮比車模型. 根據(jù)相似性理論， 可推導(dǎo)出防雷車原模型和縮比模型在相同位置的爆壓相同以及加速度是1:10的關(guān)系， 并通過仿真和試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證. 在不同當(dāng)量爆轟型地雷的爆轟場(chǎng)下對(duì)原模型與縮比模型車體進(jìn)行仿真分析， 以及縮比模型的試驗(yàn)研究. 仿真結(jié)果表明： 縮比車模型和原車模型最大應(yīng)力大小和出現(xiàn)的位置基本相同， 監(jiān)測(cè)點(diǎn)處加速度曲線吻合度較好； 試驗(yàn)結(jié)果表明： 與仿真相同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處， 試驗(yàn)加速度曲線與仿真加速度曲線匹配性較好. 綜上， 相似性理論可應(yīng)用到防雷車的設(shè)計(jì)中.

防雷車； 爆炸力學(xué)； 相似性理論； 數(shù)值仿真； 縮比試驗(yàn)

0 引 言

現(xiàn)今世界的格局是總體和平， 但是局部沖突不斷. 中東地區(qū)以及非洲很多國(guó)家由于宗教資源等多重原因， 小規(guī)模的沖突時(shí)有發(fā)生并呈愈演愈烈之勢(shì). 在小規(guī)模局部戰(zhàn)爭(zhēng)中， 輪式裝甲運(yùn)兵車、 戰(zhàn)斗車輛或者指揮、 醫(yī)療和勤務(wù)車輛對(duì)于作戰(zhàn)雙方以及維和人員來說都是主要工具. 然而地面車輛在擁有機(jī)動(dòng)靈活優(yōu)勢(shì)的同時(shí)也易受槍彈、 路邊炸彈和地雷如反坦克地雷或其它大當(dāng)量TNT爆炸物的威脅， 地雷和簡(jiǎn)易爆炸裝置(IED)在車輛底部爆炸， 車體產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)、 車底殼體破裂等可能對(duì)車內(nèi)乘員造成傷害. 有資料表明[1]， 地雷和IED造成的人員傷亡占美軍在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中人員傷亡的60%和50%. 為此， 自20世紀(jì)80年代以來， 世界各國(guó)大力開展軍用車輛防地雷和IED爆炸防護(hù)結(jié)構(gòu)、 材料和防護(hù)性能評(píng)價(jià)技術(shù)研究[2]. Guo Q[3], Grujicic M[4], Janusz[5]和Kilic N[6]等人進(jìn)行了車輛在地雷爆炸作用下響應(yīng)的試驗(yàn)研究. Charles E. Anderson Jr.[7]等人在炸藥離平板的距離， V型板的角度， 土壤濕度幾個(gè)方面試驗(yàn)研究了地雷爆炸作用下的鋼板速度、 位移和加速度的變化規(guī)律.

對(duì)于防雷車這一大尺寸結(jié)構(gòu)， 如果直接制造全尺寸原型機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)， 不僅造價(jià)高昂， 而且對(duì)試驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地的要求也較高， 不便于進(jìn)行整車試驗(yàn). 為降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本， 縮短研制周期， 便于利用現(xiàn)有技術(shù)手段， 針對(duì)這一情況， 本文首次提出了將相似性理論應(yīng)用到防雷車設(shè)計(jì)中的理念.

最初相似理論主要應(yīng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)的縮比模型建模. Goodir于1944 年首次將相似理論應(yīng)用于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)力學(xué)性能分析， 并于 1950 年系統(tǒng)地總結(jié)了基于量綱理論建立相似準(zhǔn)則的方法[8]. Dhar利用氣動(dòng)相似理論， 在滿足流體相似和幾何相似的前提下， 針對(duì)大型風(fēng)力機(jī)構(gòu)建縮比模型進(jìn)行研究， 用來預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)各種性能[9]. 2006年Makris將量綱分析法應(yīng)用于地震響應(yīng)分析， 研究探討了易變形結(jié)構(gòu)一階模態(tài)的相似問題[10]. 2008年， 劉占卿等人[11]按照相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)了縮尺比例為 1∶10 的模型發(fā)動(dòng)機(jī)， 采用網(wǎng)格計(jì)算方法對(duì)縮比模型和原型發(fā)動(dòng)機(jī)之間的溫度場(chǎng)、 速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行了定常仿真分析與比較.

綜上可以發(fā)現(xiàn)， 目前未見有明確將相似性理論應(yīng)用到防雷車的研究文獻(xiàn)， 因而對(duì)防雷車的縮比模型設(shè)計(jì)方法的研究是一項(xiàng)具有重要工程背景和應(yīng)用價(jià)值的研究課題.

1 相似性理論在防雷車研究中的應(yīng)用

爆炸中的相似性是以幾何相似原理為基礎(chǔ)的， 與一般工程上所用的相似律類似. 根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)研究， 空氣中爆炸存在著相似規(guī)律. 如裝藥量ω1， 在距離r1處， 空氣沖擊波陣面超壓為ΔPm； 那么另一裝藥ω2在r2處要得到同樣的ΔPH， 有

即

縮比車模型與實(shí)車模型在裝藥量上滿足裝藥量ω縮比∶ω實(shí)車=1∶1 000， 而車身距離爆炸中心的距離r縮比∶r實(shí)車=1∶10， 得到

通過式(2)可知， 由于縮比車模型與實(shí)車模型之間滿足此關(guān)系， 所以對(duì)于車身同一位置處的超壓ΔP縮比=ΔP實(shí)車.

由于車身縮比為原來的1/10， 則對(duì)應(yīng)單位的面積比為：S縮比∶S實(shí)車=1∶100， 則推導(dǎo)出式(4)

即

縮比模型與實(shí)車模型在質(zhì)量上滿足m縮比∶m實(shí)車=1∶1 000， 則由牛頓第二定律可知

即

得到縮比模型的加速度為實(shí)車模型加速度的10倍.

2 模型的建立

2.1 防雷車縮比模型的建立

以實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的防雷車為原型， 所設(shè)計(jì)的防雷車縮比模型及原理樣機(jī)如圖 1 所示， 主要包括分動(dòng)器保護(hù)罩、 V型板、 下車體左(右)側(cè)圍、 加強(qiáng)板、 發(fā)動(dòng)機(jī)配重板以及測(cè)試平臺(tái)配重板. 縮比模型整車尺寸為642×179.5×114 mm， 縮比模型的所有部分的尺寸均縮小為原車體模型的1/10. 整車采用國(guó)外進(jìn)口的weldox 700鋼材料， 其中縮比模型的分動(dòng)器保護(hù)罩質(zhì)量為0.204 kg， V型板(包括前、 后V型板)質(zhì)量為0.535 kg， 下車體左(右)側(cè)圍質(zhì)量為0.595 kg、 加強(qiáng)板質(zhì)量為0.080 kg、 支撐橫梁質(zhì)量為0.078 kg、 發(fā)動(dòng)機(jī)配重板質(zhì)量為1.27 kg， 測(cè)試平臺(tái)配重板質(zhì)量為12.38 kg， 縮比模型的總質(zhì)量約為15 kg， 為原模型的1/1 000. 縮比模型中各結(jié)構(gòu)件長(zhǎng)寬高尺寸均為原模型的1/10. 分動(dòng)器保護(hù)罩厚度為1.6 mm； V型板、 下車體左(右)側(cè)圍、 加強(qiáng)板厚度為1 mm； 發(fā)動(dòng)機(jī)配重板厚度為12 mm， 測(cè)試平臺(tái)配重板厚度為14 mm.

圖 1 防雷車的縮比模型及原理樣機(jī)Fig.1 Scaling model and principle prototype of MRAP

2.2 防雷車計(jì)算模型的建立

由于防雷車原模型除結(jié)構(gòu)尺寸是縮比模型的10倍以外， 其建模方法和所建立的計(jì)算模型均與縮比模型一致， 因而此處只給出縮比模型的計(jì)算模型. 按防雷車縮比模型的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行建模， 并與試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)， 車體的有限元模型見圖 2(a)所示.

采用ALE單點(diǎn)積分的實(shí)體單元建立包括空氣模型、 爆轟型地雷模型以及土壤模型的爆轟場(chǎng)模型. 其中爆轟型地雷的質(zhì)量分別選取4 g， 6 g和8 g(在防雷車的原模型中為4 kg， 6 kg和8 kg)3種. 為了提高計(jì)算精度， 空氣模型的外表面和土壤的外表面施加非反射邊界以模擬無限大的空氣域和土壤域. 將車體模型放入爆轟場(chǎng)模型中， 從而構(gòu)建成防雷車在爆炸沖擊載荷下的有限元模型如圖 2(b) 所示. 其中， 爆轟型地雷放在距土層表面1 cm(在防雷車原模型中為10 cm)處且在分動(dòng)器保護(hù)罩下底中心的正下方， 另外， 爆轟型地雷頂端距覆蓋件最底端中心處的距離為5.14 cm(在防雷車原模型中為51.4 cm). 防雷車整體施加沿車體縱向的重力約束. 基本單位制為g-cm-ms.

圖 2 防雷車縮比計(jì)算模型Fig.2 Scaling calculation model of MRAP

2.3 材料模型

計(jì)算車體采用國(guó)外進(jìn)口的weldox 700鋼材料， 單元類型采用塑性隨動(dòng)模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC， 該材料的密度為7.8 g/cm3， 彈性模量為210 GPa， 泊松比為0.3， 并且加載其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖 3 所示.

圖 3 weldox 700應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of weldox 700

對(duì)于爆轟型地雷釆用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN高能炸藥材料模型， 其密度為1.57 g/cm3， 爆速為0.401 cm/μs， 爆壓為27 GPa. 空氣的材料選用流體模型： *MAT_NULL模型， 其密度為1.25×10-3g/cm3. 土壤的材料選用*MAT_SOIL_AND_FORM泡沫材料模型， 該材料的密度為1.8 g/cm3， 彈性模量為6.38×10-2GPa， 泊松比為0.3， 該模型中沒有應(yīng)變硬化， 屈服極限僅與壓力相關(guān)， 加載時(shí)壓力和體積應(yīng)變關(guān)系如圖 4 所示.

圖 4 土壤模型壓力和體積應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Relationship between pressure and volumetric strain of soil model

3 測(cè)試系統(tǒng)的搭建

在測(cè)試平臺(tái)配重板上設(shè)計(jì)臺(tái)架以及安裝塊， 用來固定一些傳感器； 分別將聲傳感器固定在臺(tái)架上部?jī)蓚?cè)； 三軸加速度傳感器固定在測(cè)試平臺(tái)配重板上測(cè)試點(diǎn)的安裝塊處； 超壓傳感器固定在縮比實(shí)物模型兩側(cè)； 固定好后對(duì)信號(hào)傳輸線進(jìn)行防護(hù)， 并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接， 如圖 5， 圖 6 所示.

縮比模型試驗(yàn)在北京理工大學(xué)西山校區(qū)爆炸洞內(nèi)進(jìn)行， 分別進(jìn)行了4 g， 6 g和8 g當(dāng)量爆轟型地雷的爆炸試驗(yàn).

圖 5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)傳感器的布置Fig.5 Arrangement of sensors in the test site

圖 6 縮比模型爆炸試驗(yàn)外部測(cè)試設(shè)備Fig.6 External test equipment for explosive test ofscaling model

4 縮比模型與原模型的相似性驗(yàn)證

分別取4 g， 6 g和8 g爆轟型地雷對(duì)縮比防雷車模型在爆轟場(chǎng)內(nèi)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)研究， 同時(shí)分別取4 kg， 6 kg和8 kg爆轟型地雷對(duì)防雷車原模型在爆轟場(chǎng)內(nèi)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)研究. 可得到如圖 7 和圖 8 所示的仿真和試驗(yàn)結(jié)果(以最大藥量為例， 且縮比模型加速度的仿真數(shù)據(jù)取0.1倍).

圖 7 縮比模型和原模型所受最大應(yīng)力云圖Fig.7 Maximum stress of scaling model and original model

圖 8 X, Y, Z方向的加速度曲線Fig.8 Acceleration curves of X, Y and Z direction

在最大藥量的情況下， 即縮比模型處于8g爆轟型地雷的爆轟場(chǎng)下， 原模型處于8 kg爆轟型地雷的爆轟場(chǎng)下， 對(duì)比縮比模型的仿真結(jié)果， 以及原模型對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果， 可知， 縮比模型所受的最大應(yīng)力為840 MPa， 原模型所受的最大應(yīng)力為839.5 MPa； 原模型仿真中Z方向的平均加速度為20.91 g， 而縮比模型仿真中Z方向的平均加速度為181.5 g； 原模型仿真中X方向的平均加速度為29.14 g， 而縮比模型仿真中X方向的平均加速度為304.57 g； 原模型仿真中Y方向的平均加速度為46.15 g， 而縮比模型仿真中Y方向的平均加速度為479.29 g. 對(duì)于縮比模型的試驗(yàn)結(jié)果，X方向平均加速度實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果為334 g；Y方向平均加速度實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果為543.38 g；Z方向平均加速度實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果為263.9 g； 經(jīng)對(duì)比， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)吻合較好.

綜上可知， 在相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處， 縮比模型和原模型所受的爆壓相同， 縮比模型所承載的加速度大小是原模型的10倍， 滿足相似性原理的相關(guān)規(guī)則， 因而可以得到將相似性理論應(yīng)用到防雷車的設(shè)計(jì)中是可行的.

5 結(jié) 論

本文提出了將相似性理論應(yīng)用到防雷車設(shè)計(jì)中的理念. 以實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的一款防雷車為原型， 設(shè)計(jì)制作了原車模型1/10大小的縮比車模型. 根據(jù)相似性理論， 推導(dǎo)了防雷車原模型和縮比模型在相同位置的爆壓和加速度關(guān)系， 并分別對(duì)不同當(dāng)量的爆轟型地雷爆轟場(chǎng)下的原模型與縮比模型車體進(jìn)行仿真對(duì)比分析， 同時(shí)對(duì)縮比模型進(jìn)行試驗(yàn)研究. 仿真結(jié)果表明： 縮比車模型和原車模型最大應(yīng)力大小和出現(xiàn)的位置均基本上相同， 且監(jiān)測(cè)點(diǎn)處加速度曲線吻合度較好； 試驗(yàn)結(jié)果表明： 與仿真相同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處， 試驗(yàn)加速度曲線與仿真加速度曲線匹配性較好. 且仿真與試驗(yàn)結(jié)果均表明： 縮比模型所承載的加速度大小是原模型的10倍， 滿足相似性原理的相關(guān)規(guī)則. 綜上， 相似性理論可應(yīng)用到防雷車的設(shè)計(jì)中.

[1] Clay Wilson, Foreign Affairs, and Defense. Improvised Explosive Devices (IEDs) in Iraq and Afghanistan: Effects and Countermeasures[R].CRS Report for CongressRS-2230, USA: Specialist in Technology and National Security Foreign Affairs, Defense, and Trade Division, 2008.

[2] 安學(xué)國(guó), 王雄高. 防雷裝甲車的發(fā)展演變歷程[J]. 國(guó)外坦克, 2008(7): 13-17. An Xueguo, Wang Xionggao. Development and evolution of MRAP[J]. Foreign Tank, 2008(7): 13-17. (in Chinese)

[3] Guo Q, Zhou Y, Wang X, et al. Numerical simulations and experimental analysis of a vehicle cabin and its occupants subjected to a mine blast[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering, 2016, 230(5): 623-631.

[4] Grujicic M, Cheeseman B A. Concurrent computational and dimensional analyses of design of vehicle floor-plates for landmine-blast survivability[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2014, 23(1): 1-12.

[5] Janusz Sliwinski. Protection of vehicles against mines[J]. Journal of KONES Power train and Transport, 2011, 18(1): 565-572.

[6] Kilic N, Erdik A, U?ar V. Finite element and experimental analyses of an armoured vehicle subjected to landmine blast[J]. Defence Science Journal, 2015, 65(6): 477-482.

[7] Anderson C E， Behner Tand Weiss C E. Mine blast loading experiments[J]. International Journal of Impact Engineering, 2011, 38(8/9): 697-706.

[8] Goodier J N. Dimensional analysis[J]. Handbook of Experimental Stress Analysis, 1950, 45(4): 1035-1045.

[9] Dhar S. Development and Validation of Small-scaling Model to Predict Large Wind Turbine Behavior[D]. Bombay,Indian: Indian Institute of Technology， 2006.

[10] Makris N, Psychogios T. Dimensionalresponse analysis of yielding structures with first-mode dominated response [J]. EarthqEngStructDyn, 2006, 35(10): 1203-1224.

[11] 劉占卿, 王東鋒, 張志成, 等. 縮比試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2008, 25(8): 51-54. Liu Zhanqing, Wang Dongfeng, Zhang Zhicheng, et al. Design and validation of small proportion model of missile engine’s flow field [J].Computer simulation, 2008, 25(8): 51-54. (in Chinese)

Resistant Ambush Protected Mine Model Design and Verification Test

WANG Dakui1, YANG Xiaoyin2, LOU Wenzhong1, WANG Fufu3, ZHENG Xuyang4

(1. National Key Laboratory of Mechatronics Engineering and Control,Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. China South Industries Group Corporation, Weapon Equipment Research Institute, Beijing 102202, China;3. Technology and Engineering Center for Space Utilization, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China;4. Chongqing Changan Industry (Group) Co., Ltd, Chongqing 401120, China)

According to the situation that the period and cost of the design of MRAP (Mine Resistant Ambush Protected) is too long and expensive respectively,the application of similarity theory to the design of MRAP was proposed. The design of MRAP in the laboratoryas the prototype, a model of one-tenth the size of the original model was designed and manufactured. According to the similarity theory, it can be deduced that the same detonation pressure and the acceleration with the ratio of 1∶10 are obtained between the original model and the scaling model in the same position, and the theoretical results were verified by simulation and experiment. The original model and the scaling modelwhichunder the detonation field of different equivalent detonation mines were simulated, at the same time, the experimental research on the scaling model is carried out.The simulation results show that the value size and the position of the maximum stressfor the scaling model are basically same as the original model, and the acceleration curve at the monitoring point is in good fitnessfor the two models; The experimental results show that, at the same monitoring point as the simulation, the test acceleration curve and the simulated acceleration curve are well matched.In summary, the similarity theory can be applied to the design of MRAP.

MRAP; explosive mechanics; similarity theory; numerical simulation; scalingexperiment

1671-7449(2017)02-0107-07

2016-11-08

王大奎(1987-)， 男， 博士生， 主要從事傳感與機(jī)電控制等研究.

TJ51+8

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.02.003