輕型裝甲車輛不同底板結(jié)構(gòu)防爆性能比較分析*

李 帥,李向榮,田延泰,楊建兵

(1 陸軍裝甲兵學(xué)院兵器工程系,北京 100072;2 陸軍裝甲兵學(xué)院教保處，北京 100072)

0 引言

現(xiàn)代裝甲車輛為提升基本防護(hù)能力,其中的一項(xiàng)重要改進(jìn)措施就是改變輕型裝甲車輛底部結(jié)構(gòu),以更好地降低地雷與簡(jiǎn)易爆炸裝置對(duì)輕型裝甲車輛的破壞效果[1-3]?，F(xiàn)代主流裝甲車輛為防范地雷與簡(jiǎn)易爆炸裝置的襲擊,在對(duì)底部結(jié)構(gòu)的研究中,首先使用的新型結(jié)構(gòu)是V型底板[4-5],美國(guó)“斯特賴克”系列裝甲車則采用了W型結(jié)構(gòu)底板,除此之外還有其他一些結(jié)果也開始受到關(guān)注[6-7]。文中對(duì)V型、W型、船型、波浪型、平板-船型等結(jié)構(gòu)底裝甲的輕型裝甲車輛,在爆炸沖擊波作用下的毀傷效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真研究,以車內(nèi)同一位置的壓力值,以及表征底板變形程度的位移量作為參量,與平板的防爆能力進(jìn)行比較分析,為具有較強(qiáng)防爆能力的輕型裝甲車輛底裝甲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與防護(hù)能力評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 不同結(jié)構(gòu)底板裝甲車模型簡(jiǎn)化與構(gòu)建

根據(jù)爆炸沖擊波傳播特性以及當(dāng)前防地雷反伏擊車結(jié)構(gòu)情況[8-9],選取V型、W型、波浪型、船型、平板-船型等單一或復(fù)合結(jié)構(gòu)做為輕型裝甲車輛底部擬用結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)化后的裝甲車輛車體正視圖,結(jié)合上述5種結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型如圖1所示。數(shù)值模型構(gòu)建過程中,假設(shè)射擊孔等小孔對(duì)車體強(qiáng)度影響不大,直接略去較小開口及周邊加強(qiáng)結(jié)構(gòu),但保留了泄壓孔的位置;車體與底板模型材料全部采用鋼。

車體基本尺寸為,寬度為3 000 mm,高度為1 500 mm;炸藥采用TNT,質(zhì)量相同,放置在中心軸線偏左側(cè)車底下。圖1中,V型板的角度為10°(角度是指平板與水平面的角度);W型板中,每個(gè)V形角度為20°,底板中間平板長(zhǎng)度為1 000 mm;波浪型中的每個(gè)V型角度為30°,寬度為1 000 mm,厚度為10 mm;對(duì)于船型,兩側(cè)斜板角度為10°,底部平板長(zhǎng)度為2 000 mm。

圖1 具有不同底板結(jié)構(gòu)的輕型裝甲車輛計(jì)算模型簡(jiǎn)化示意圖

2 防爆炸毀傷效應(yīng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

2.1 底板附近壓力比較分析

通過仿真計(jì)算,當(dāng)TNT炸藥在裝甲車輛左側(cè)底部爆炸時(shí),裝甲車輛車體內(nèi)左半側(cè)的壓力明顯高于車體內(nèi)右半側(cè)的壓力。為了分析車體內(nèi)部的壓力值變化規(guī)律,在車體左1/2的范圍內(nèi)取四個(gè)觀測(cè)點(diǎn),從中心線起每間隔0.25 m取一個(gè)觀測(cè)點(diǎn),每種結(jié)構(gòu)所取觀測(cè)點(diǎn)距地面高度均為1.2 m,如圖1(a)所示。每一種底板結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的觀測(cè)點(diǎn)的壓力變化如圖2所示。

圖2 不同底板結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊波作用下觀測(cè)點(diǎn)壓力變化圖

由于車體內(nèi)是一個(gè)近乎封閉的空間,當(dāng)爆炸沖擊波傳入車體內(nèi)在觀測(cè)點(diǎn)處產(chǎn)生第一個(gè)壓力峰值,然后碰到車體壁板,發(fā)生反射、干涉、疊加與抵消等現(xiàn)象,最終傳導(dǎo)到該觀測(cè)點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生第二個(gè)峰值。從壓力值曲線可以看出:整體上看,壓力峰值是在不斷減小的,但是在部分時(shí)刻可能由于多重沖擊波的疊加會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的高峰值,例如V型底板中觀測(cè)點(diǎn)C的第四個(gè)峰值,明顯高于第二、三峰值。

比較圖2(a)與圖2(b),從壓力變化曲線可以看出,波浪型板產(chǎn)生峰值的間隔與W型板基本相同,較V型板間隔更大。從最大壓力值看,波浪型底板的壓力最大值與船型板、V型板基本相同,較W型板壓力值更低。為此,可以認(rèn)為:爆炸沖擊波在車體內(nèi)產(chǎn)生了反射,由于W型板較V型板反射面更多,角度更大,因此,W型板壓力值峰值出現(xiàn)的周期相較于V型板來說更短,疊加的也更多,更容易產(chǎn)生大的峰值。

對(duì)于船型底板,爆炸沖擊波在車體內(nèi)產(chǎn)生了反射、干涉和疊加,并在觀測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生了壓力峰值。由于采用船型底板,相較于W型板,反射面減少,因此產(chǎn)生峰值的周期變大;與V型板比較,壓力峰值產(chǎn)生的時(shí)間基本一致,間隔周期基本相同。

對(duì)于平板-船型,從壓力變化曲線圖可看出,峰值出現(xiàn)次數(shù)較其他結(jié)構(gòu)有所減少,峰值有所降低。

2.2 底板位移情況分析

為了進(jìn)一步分析底板的變形程度,在正對(duì)TNT爆炸點(diǎn)的底板上取一觀測(cè)點(diǎn),對(duì)不同結(jié)構(gòu)底板的變形程度進(jìn)行對(duì)比分析,以確定性能更好的輕型裝甲車輛底部防爆結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)底板在爆炸沖擊波作用下的位移,如圖3所示。

從圖3中位移變化可以看出,底板在爆炸沖擊波作用下的位移可以分為兩個(gè)階段:第一階段,炸藥爆炸后,底板受到?jīng)_擊波的作用,先向上運(yùn)動(dòng),反映在圖像上即曲線急速上升;第二階段,沖擊波穿過車輛底板進(jìn)入到車體內(nèi)部,一部分沖擊波穿出車體,另一部分沖擊波碰到壁板反射、作用到底板,造成底板向下運(yùn)動(dòng),反映在圖像上即曲線減速下降。

對(duì)于W型底板,B觀測(cè)點(diǎn)即1957號(hào)觀測(cè)點(diǎn)為正對(duì)炸藥的觀測(cè)點(diǎn),且該觀測(cè)點(diǎn)為W型板交接處,所受到的沖擊壓力最大,產(chǎn)生的位移量也最大。對(duì)于波浪型底板,其他結(jié)構(gòu)底板一致,沖擊波會(huì)在車體內(nèi)產(chǎn)生反射并多次作用于底板,對(duì)底板產(chǎn)生一個(gè)向下運(yùn)動(dòng)的作用力,反映在位移圖像上,位移量在快速上升達(dá)到峰值后,受到反射波的力,向下作減速運(yùn)動(dòng)。對(duì)于船型底板,第一階段,裝甲車輛底板受到爆炸沖擊波的沖擊,底板急劇變形、上升,位移量快速達(dá)到峰值;第二階段,進(jìn)入裝甲車輛內(nèi)部的沖擊波產(chǎn)生了反射,作用在底板上,底板開始產(chǎn)生速度逐漸減小的下降運(yùn)動(dòng)。對(duì)于平板-船型,從曲線可以看出,與其他結(jié)構(gòu)底板變形類似,先是急劇上升,然后減速下降,但其最大變化量有所減小。

圖3 不同結(jié)構(gòu)底板觀測(cè)點(diǎn)及其位移比較

2.3 不同結(jié)構(gòu)底板對(duì)底板毀傷效應(yīng)對(duì)比分析

通過對(duì)五種主體結(jié)構(gòu)(V型結(jié)構(gòu)、W型結(jié)構(gòu)、波浪型結(jié)構(gòu)、船形結(jié)構(gòu)、船型-平板型結(jié)構(gòu))仿真計(jì)算,取最大壓力值和最大位移量,列于表1,表中還列出了研究過程中平板的最大壓力值與最大位移量。

表1 不同結(jié)構(gòu)的壓力值與位移量表

注:W型結(jié)構(gòu)的兩個(gè)最大位移量測(cè)試點(diǎn)分別為頂點(diǎn)處與斜板中心。

從表1可以看出:W型結(jié)構(gòu)底板的最大位移量與最大壓力值明顯大于另外四種結(jié)構(gòu),V型結(jié)構(gòu)、波浪型結(jié)構(gòu)、船型結(jié)構(gòu)的壓力值與位移量基本相同,船型-平板型結(jié)構(gòu)的壓力值與位移量明顯小于另外四種結(jié)構(gòu)。通過對(duì)這5種結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析,可以得到以下結(jié)論:

(1)平板結(jié)構(gòu)的壓力值明顯大于其他結(jié)構(gòu)的壓力值,說明采用不同于平板的新型底板能夠有效提升裝甲車輛抗爆炸沖擊波毀傷的能力;

(2)平板-船型結(jié)構(gòu)的壓力值明顯小于其他結(jié)構(gòu)的壓力值,說明這兩種結(jié)構(gòu)的復(fù)合形式對(duì)于抗爆炸沖擊波毀傷的能力能有顯著提升;

(3)雖然平板-船型結(jié)構(gòu)顯著地提升了抗毀傷能力,但是車內(nèi)空間大幅減小,影響車體高度和內(nèi)部裝備設(shè)置。因此,從抗毀傷能力、車內(nèi)空間和車體高度綜合考慮,輕型裝甲車輛底部結(jié)構(gòu)采用船型結(jié)構(gòu)和V型結(jié)構(gòu)更適用。

3 結(jié)論

文中進(jìn)行了爆炸沖擊波對(duì)輕型裝甲車輛底部毀傷效應(yīng)的數(shù)值模擬與分析,以壓力值與變形程度作為衡量參數(shù),對(duì)不同結(jié)構(gòu)底板的防爆能力進(jìn)行對(duì)比分析,主要有以下結(jié)論:

1)相同條件下,V型、W型、波浪型、船型等新型結(jié)構(gòu)的裝甲底板都能比平板起到更好的泄壓作用,其抗爆炸沖擊波能力明顯優(yōu)于平板。

2)V型、W型、波浪型、船型、平板-船型復(fù)合型這5種底板結(jié)構(gòu)中,V型、波浪型、船型抗毀傷能力基本相同,平板型、W型底板較弱,平板-船型復(fù)合型效果最好。

3)各種結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)抗毀傷能力的同時(shí)也改變了車體高度、內(nèi)部空間大小,在實(shí)際運(yùn)用過程中,要綜合考慮,合理選擇,因此,現(xiàn)代輕型裝甲車輛底部結(jié)構(gòu)一般采用船型和V型結(jié)構(gòu)。