某型車車身底部抗爆炸沖擊性能仿真研究

鄭雅麗

(陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院 西安 710200)

地雷及簡易爆炸裝置對軍用車輛造成了嚴重威脅.車身底部遭受爆炸沖擊后，底部結(jié)構(gòu)會在極短時間內(nèi)產(chǎn)生大塑性變形，嚴重威脅乘員人身安全.因此，針對車身底部防護性能的研究十分必要.目前，國內(nèi)外已有許多學(xué)者針對爆炸沖擊進行了相關(guān)的試驗或仿真研究.例如Bazle等[1]對附加裝甲組件的抗爆炸沖擊性能進行了仿真研究，并且獲得了可靠的仿真結(jié)果.李利莎[2]分別采用拉格朗日算法、ALE算法和SPH算法研究了爆炸沖擊的接觸問題，最終得出ALE算法能準確模擬車身損傷.王顯會等[3]人研究了底部吸能裝甲對乘員損傷的影響.

文中首先介紹了帶有防雷組件的防護型車身底部結(jié)構(gòu)，然后采用ALE算法，針對無防雷組件的基礎(chǔ)型和帶防雷組件的防護型車身底部結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊作用下的動態(tài)響應(yīng)進行了仿真分析，分析結(jié)果表明，裝有防雷組件的防護型車身底部結(jié)構(gòu)有效提升了車身底部的抗爆炸沖擊性能，對其他軍用車輛的防護研究具有一定指導(dǎo)意義.

1 防護型車身底部結(jié)構(gòu)

常見的無防雷組件的基礎(chǔ)型車身底部結(jié)構(gòu)是由平面裝甲鋼板焊接而成，抗爆炸沖擊能力弱，不能滿足特定的防護需求.為了提升車身底部的防護性能，在節(jié)約成本且滿足通過性的前提下，從改變車身底部結(jié)構(gòu)、形狀、增大強度等幾方面入手，對車身底部結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)的更改設(shè)計.

(1)改變車身底部結(jié)構(gòu)形狀

在車身底部加裝X和Y方向的雙向V型結(jié)構(gòu)的地雷防護組件.因為V型結(jié)構(gòu)一方面能有效地偏轉(zhuǎn)分散爆炸沖擊波的能量，使部分爆炸沖擊波從車輛側(cè)下方泄出；另一方面由于V型底板本身表面積大，可適度減小底板單位面積上的沖擊強度.該防雷組件獨立安裝于車架上，使駕駛室的地雷防護能力達到6 kg當量TNT的防護等級.

(2)增大乘員與底板間隙的距離

車身底部裝甲板層與層之間存在空氣間隙，當一塊裝甲板受到撞擊并在其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力波時，該應(yīng)力波向背面?zhèn)鞑?，在裝甲的背面與空氣的界面上產(chǎn)生全反射，這樣應(yīng)力波就不能傳遞到第二塊裝甲板上，所以，乘員應(yīng)盡可能遠離底板，以保護乘員安全.駕駛員正下方的防雷組件距車身底板外層裝甲底板間隙距離為340 mm；駕駛室底板外層裝甲板距內(nèi)層底板距離為100 mm.

(3)增強底板鋼強度

車體底板采用高強度裝甲板，盡可能減少焊接造成的抗沖擊薄弱部位，使用加強筋提高強度焊縫薄弱區(qū)域，以避免爆炸沖擊波將焊縫撕開導(dǎo)致氣浪及爆炸產(chǎn)物進入車內(nèi).

2 仿真計算分析

常見的爆炸分析算法主要有拉格朗日、歐拉和多物質(zhì)流固耦合(ALE)算法.由于ALE算法可通過指定合適的網(wǎng)格運動形式來準確描述物體的移動界面，并在運動過程中使單元保持合理形狀，克服了純拉格朗日算法和純歐拉算法的缺陷[4].因此采用ALE算法進行車身底部的抗爆炸沖擊仿真分析.

2.1 有限元建模

采用相同的建模方法分別建立了無防雷組件的基礎(chǔ)型車身和帶防雷組件的防護型車身的有限元計算模型，具體建模方法如下.

車身、防雷組件的網(wǎng)格單元尺寸控制在10-20 mm之間.空氣與炸藥采用六面體網(wǎng)格.車身板件和防雷組件處理為拉格朗日網(wǎng)格，地雷裝藥、土壤和空氣處理為歐拉網(wǎng)格，采用*CONSTRAINED_LAGRANGE _IN_SOLID關(guān)鍵字將拉格朗日網(wǎng)格和歐拉網(wǎng)格耦合在一起.空氣模型四周均分布無反射邊界，當爆炸沖擊波接觸到無反射邊界時，不會產(chǎn)生反射，從而可以模擬無限大的空氣空間；炸藥安放在剛性的地面上，不考慮地面對炸藥爆炸產(chǎn)生爆轟波的吸收；對所有的零部件設(shè)置自動接觸，以防止零部件在爆炸沖擊波的推動下產(chǎn)生大塑性變形后侵入周圍的其他零部件，影響仿真的真實性.不同當量的TNT均放置在車身中心正下方，炸距為1 180 mm.無防雷組件的基礎(chǔ)型車身和帶有防雷組件的防護型車身有限元模型如圖1和圖2所示.

圖1 基礎(chǔ)型車身有限元模型

圖2 防護型車身有限元模型

2.2 材料模型及參數(shù)選取

仿真計算所涉及到的材料有裝甲鋼、土壤、空氣和炸藥.其中裝甲鋼采用雙線性隨動強化材料模型*MAT_PLASTIC _KINEMATIC，該模型的基本理論公式如下.

(1)

炸藥用*MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN狀態(tài)方程，壓力、體積和內(nèi)能之間的關(guān)系為

(2)

式中：P為壓力；E為初始內(nèi)能密度；V為相對體積；A、B、R1、R2、ω為材料常數(shù)，炸藥的材料參數(shù)和狀態(tài)方程參數(shù)分別見表2和表3[6].

空氣選LS-Dyna推薦的*MAT_NULL材料模型和*EOS_LINEAR_POLYNOMIAL線性狀態(tài)方程，其中，狀態(tài)方程形式如下.

P=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+
(C4+C5μ+C6μ2)E,

(3)

式中：P為壓力；μ為相對體積；E為單位體積內(nèi)能；C0～C6為多項式方程系數(shù)，C0=0.1 MPa，C1=C2=C3=C6=0，C4=C5=0.4 MPa.

土壤采用*MAT_SOIL_AND_FOAM 材料模型.

表1 裝甲鋼材料參數(shù)

表2 炸藥的材料參數(shù)

表3 炸藥的JWL狀態(tài)方程參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

在相同的爆炸邊界條件下，針對無防雷組件的基礎(chǔ)型車身和帶防雷組件的防護型車身的兩種車身底部結(jié)構(gòu)分別進行了多次不同TNT當量的地雷爆炸沖擊仿真計算，得到了兩種不同車身底部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況.以3 000 gTNT當量的地雷爆炸仿真分析為例，對兩種車身底部結(jié)構(gòu)響應(yīng)進行對比分析說明.

(1)無防雷組件的基礎(chǔ)型和帶防雷組件的防護型車身底部應(yīng)力云圖如圖3所示.

通過圖3可知，在3 000 gTNT當量的地雷爆炸沖擊載荷作用下，無防雷組件的基礎(chǔ)型車身底部結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力達到1 570 MPa，雖未出現(xiàn)失效，但已接近材料的強度極限17 00 MPa，且最大應(yīng)力的分布范圍廣，中間地板的整體受力較大.而帶防雷組件的防護型車身底部結(jié)構(gòu)所受的最大應(yīng)力僅達到1 420 MPa，且僅分布在防雷組件局部，車身地板的受力則整體很小，遠低于車身結(jié)構(gòu)材料的強度極限.

圖3 車身底部應(yīng)力云圖

通過上述對比可知，防護型車身底部的雙V型防雷組件結(jié)構(gòu)顯著地降低了車身底部受力，對爆炸沖擊波起到了一定的致偏分散作用，從而提升了車身底部的防護性能.

(2)無防雷組件的基礎(chǔ)型和帶防雷組件的防護型車身底部節(jié)點位移云圖如圖4所示.

圖4 車身底部節(jié)點位移云圖

通過圖4可知，兩種車身底部結(jié)構(gòu)的變形量都是隨著時間的增加而增大直至穩(wěn)定.基礎(chǔ)型車身底部的最大變形量約為71 mm，變形較大且主要集中在車身的中地板，而防護型車身底部的最大變形量約為45 mm，與基礎(chǔ)型相比變形明顯減小，且最大變形僅出現(xiàn)在車身底部的防雷組件結(jié)構(gòu)中，而車身地板的變形則很小.通過對比再次表明了雙V型防雷組件可有效改善車身底部的防護性能.

通過無防雷組件的基礎(chǔ)型和帶防雷組件的防護型車身底部結(jié)構(gòu)響應(yīng)的對比，表明了雙V型防雷組件可對地雷爆炸沖擊起到很好的防護作用；通過多次不同TNT當量的仿真計算得出，防護型車身底部可防護不超過6 000 gTNT當量地雷爆炸沖擊的影響，防護性能達到2b級，而基礎(chǔ)型車身底部防護性能只達到1級，因此，得出帶雙V型防雷組件的車身底部防護結(jié)構(gòu)顯著改善了車身底部的抗爆炸沖擊性能，可在一定范圍內(nèi)有效保護乘員的人身安全.

4 試驗驗證

建立與基礎(chǔ)型車身等效的試驗?zāi)Ｐ?，如圖5所示.爆炸過程截圖如圖6所示.地雷替代品放置于正對車身底部中心的剛性土壤表面，在車身底部中心和左側(cè)的駕駛員正下方處布置超壓傳感器，根據(jù)仿真結(jié)果進行了300 g到1 500 g 5種不同TNT當量的驗證試驗.針對車身底部中心和左側(cè)駕駛員底部的超壓值，進行仿真結(jié)果和試驗結(jié)果的對比，如圖7所示，不同TNT當量的仿真和試驗結(jié)果的誤差統(tǒng)計如表4所示.

表4 仿真與試驗結(jié)果的誤差統(tǒng)計

圖5 試驗?zāi)Ｐ?/p>

圖6 爆炸過程

圖7 超壓值的對比

通過上述仿真分析和實際試驗中所測得車身底部中心處和左側(cè)駕駛員底部超壓值的對比，可知仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差不超過15%，在合理范圍內(nèi).由此可見，該仿真分析結(jié)果有效，可以采用該種基于ALE算法的仿真分析方法進行防護型車身底部抗爆炸沖擊性能的仿真分析.

5 結(jié) 論

1)通過對比相同邊界條件下基礎(chǔ)型和防護型車身底部的抗爆炸沖擊性能，得出帶有雙V型防雷組件的防護型車身底部結(jié)構(gòu)能有效致偏分散爆炸沖擊作用，顯著提升了車身底部對爆炸沖擊的防護性能.

2)通過試驗驗證了以ALE算法為基礎(chǔ)的仿真分析方法的可行性，為軍用越野車底部的抗爆炸沖擊防護研究提供了理論基礎(chǔ).