防護(hù)型車身輕量化技術(shù)研究

董鵬

摘 要：防護(hù)型車身在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為滿足其防護(hù)性能的需求，主要采用骨架加裝甲蒙皮的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的車身具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、工藝實(shí)施難度小、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，但防護(hù)型車身也有自重缺點(diǎn)。文章主要研究針對(duì)防護(hù)性車身通過(guò)更換材料及優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行降重的方法及其效果。

關(guān)鍵詞：防護(hù)型;輕量化中圖分類號(hào)：U462

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2019）04-49-02

前言

我公司的第一款防護(hù)型車身產(chǎn)品是2010年開(kāi)發(fā)的SX2271A型越野車基礎(chǔ)防護(hù)型駕駛室，車身采用骨架加裝甲蒙皮的結(jié)構(gòu)形式，隨后陸續(xù)開(kāi)發(fā)的SX2155型全防護(hù)運(yùn)兵車車身、重高機(jī)全防護(hù)型駕駛室等都采用此結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)形式的車身具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、工藝實(shí)施難度小、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。但防護(hù)型車身也有自身的缺點(diǎn)，那就是自重大。

防護(hù)型車身除防護(hù)材料、座椅、儀表臺(tái)等總成外，其他總成零部件大都借用商用車成熟技術(shù)產(chǎn)品，減重空間不大。

裝甲防護(hù)而言，輕量化裝甲材料將會(huì)成為未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)。目前，國(guó)外正在大力發(fā)展先進(jìn)的金屬材料裝甲和結(jié)構(gòu)復(fù)合材料裝甲，積極研制能同時(shí)滿足彈道防護(hù)特性要求和結(jié)構(gòu)特性要求的復(fù)合材料裝甲和高科技復(fù)合材料。

就座椅而言，防護(hù)型車身所用座椅均為廠家成熟產(chǎn)品，減重空間不大，特別是地雷防護(hù)型座椅，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)均通過(guò)了地雷防護(hù)試驗(yàn)驗(yàn)證，減重得不償失。

就儀表臺(tái)而言，由于防護(hù)型車身小批量多品種的特性，所以儀表臺(tái)大都采用薄鋼板成型，也無(wú)減重空間。

所以，防護(hù)型車身的減重需從裝甲防護(hù)材料入手。

1 輕量化防護(hù)材料現(xiàn)狀

1.1 鈦合金

鈦合金應(yīng)用水平成為衡量一個(gè)國(guó)家武器裝備先進(jìn)程度反映一個(gè)國(guó)家的軍事水平和軍事實(shí)力的重要指標(biāo)。

近年來(lái)的大量研究表明，降低鈦合金成本的主要方法有：1）使用廉價(jià)原材料（合金元素）的合金設(shè)計(jì);2）改善加工特性的加工設(shè)計(jì);3）加工過(guò)程中提高能源和材料利用率的加工設(shè)計(jì)。

我國(guó)西北有色金屬研究院通過(guò)合金設(shè)計(jì)、添加廉價(jià)合金元素，以Fe代替昂貴的合金元素，研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)Til2LC和Ti8LC兩種低成本鈦合金。

目前，鈦合金在國(guó)外兵器裝備等軍事工業(yè)部門和民用上開(kāi)發(fā)了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，也已取得了很大的進(jìn)展，但在我國(guó)兵器裝備方面才剛開(kāi)始起步，在軍事工業(yè)上鈦合金的應(yīng)用水平遠(yuǎn)低于國(guó)外水平，而且還因?yàn)閮r(jià)格和成本較高，我公司防護(hù)型車身應(yīng)用鈦合金裝甲受到限制，尚未開(kāi)展。

1.2 鋁合金

我國(guó)從20 世紀(jì)60—70 年代開(kāi)始先后研制了523、528、5210、S-183、184、185 等鋁合金裝甲材料，其中5210（現(xiàn)列表為L(zhǎng)C52，屬第二代Al—Zn—Mg 系鋁合金裝甲）已在八十年代定型，并得到廣泛應(yīng)用。用于裝甲車體制造的鋁合金多數(shù)采用的是由經(jīng)過(guò)預(yù)拉伸處理的鋁合金LC52 板材加工而成，LC52 鋁合金屬于熱處理強(qiáng)化鋁合金中的超硬鋁合金類，這種超硬鋁的焊接性差，焊接和切割質(zhì)量很難保證。另外，由于鋁合金車體厚度較大（通常在18—40mm 之間），這更增加了車體切割和焊接難度，我公司目前還沒(méi)有相關(guān)工藝。

1.3 高強(qiáng)度裝甲鋼

目前我公司防護(hù)型車身采用高強(qiáng)度裝甲鋼板，板厚t=6mm，能夠憑借超高的強(qiáng)度與硬度在較薄的情況下達(dá)到防彈要求。可以實(shí)現(xiàn)減輕車體重量、提高機(jī)動(dòng)性的目的，另外此種鋼材的焊接性相對(duì)于傳統(tǒng)裝甲板優(yōu)良很多，因此目前被廣為使用。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，鋼鐵研究總院已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了t=5mm且防護(hù)能力與6mm防彈鋼板防護(hù)等級(jí)相當(dāng)?shù)匿摪澹蔀榉雷o(hù)型車身輕量化直接利用。

2 防護(hù)型車身輕量化設(shè)計(jì)

某防護(hù)型駕駛室白車身輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，將地板總成沿用，保持車身懸置安裝點(diǎn)不變，即式中A相同。從車身輕量化系數(shù)計(jì)算公式中可以看出，車身輕量化系數(shù)與白車身質(zhì)量M、白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度C_r和投影面積A三個(gè)參數(shù)相關(guān)。由于投影面積A保持不變，因此優(yōu)化車身輕量化系數(shù)需要從車身質(zhì)量M和白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度C_r入手，即減輕白車身質(zhì)量，提高白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度。

2.1 降低車身自重

防護(hù)型駕駛室的外蒙皮原為6mm厚的6211防彈鋼板，隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，目前已開(kāi)發(fā)出了與6mm厚的6211防彈鋼板防護(hù)性能相同的輕量化板材，厚度為5mm，為防護(hù)型駕駛室白車身的輕量化工作提供了有力的支撐。

所以，除駕駛室白車身底板總成材料和結(jié)構(gòu)保持不變外，前圍、后圍、側(cè)圍、后圍蒙皮均由6mm鋼板更換為5mm鋼板，僅此一項(xiàng)變化，駕駛室白車身重量就可以減34kg。

2.2 提高車身剛度

2.2.1 剛度提升方案

由于防彈鋼板厚度減薄，理論上駕駛室白車身剛度會(huì)降低，所以，需通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)駕駛室白車身的前圍、地板等區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，加強(qiáng)方案如下表所示：

2.2.2 剛度提升結(jié)果

通過(guò)降低白車身質(zhì)量以及提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度，白車身的輕量化系數(shù)得到了很大降低。經(jīng)計(jì)算，該白車身最終的設(shè)計(jì)質(zhì)量為1025 kg，較原車型的1059 kg降低34 kg，白車身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度也由212441 N·m/°提高到285921 N·m/°。輕量化系數(shù)由0.96降低到0.68，提高了28%。詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

3 結(jié)論

結(jié)合防護(hù)型車身的實(shí)際情況，通過(guò)輕量化系數(shù)來(lái)對(duì)比兩種方案的防護(hù)型車身輕量化程度，同時(shí)運(yùn)用CAE分析等輔助手段，通過(guò)對(duì)駕駛室本體結(jié)構(gòu)調(diào)整以及材料的優(yōu)化選用來(lái)提高防護(hù)型車身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，通過(guò)增加骨架及減小蒙板厚度等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)防護(hù)型車身質(zhì)量的降低，最終使防護(hù)型車身的輕量化系數(shù)得以有效降低。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾毅，趙寶榮等.裝甲防護(hù)材料技術(shù).[M]國(guó)防工業(yè)出版社，2014.1.