李 帥,李向榮,田延泰,楊建兵

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

0 引言

現(xiàn)代裝甲車輛為提升基本防護能力,其中的一項重要改進措施就是改變輕型裝甲車輛底部結構,以更好地降低地雷與簡易爆炸裝置對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易爆炸裝置的襲擊,在對底部結構的研究中,首先使用的新型結構是V型底板[4-5],美國“斯特賴克”系列裝甲車則采用了W型結構底板,除此之外還有其他一些結果也開始受到關注[6-7]。文中對V型、W型、船型、波浪型、平板-船型等結構底裝甲的輕型裝甲車輛,在爆炸沖擊波作用下的毀傷效應進行數(shù)值仿真研究,以車內同一位置的壓力值,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行比較分析,為具有較強防爆能力的輕型裝甲車輛底裝甲結構設計與防護能力評估提供科學依據(jù)。

1 不同結構底板裝甲車模型簡化與構建

根據(jù)爆炸沖擊波傳播特性以及當前防地雷反伏擊車結構情況[8-9],選取V型、W型、波浪型、船型、平板-船型等單一或復合結構做為輕型裝甲車輛底部擬用結構。簡化后的裝甲車輛車體正視圖,結合上述5種結構的計算模型如圖1所示。數(shù)值模型構建過程中,假設射擊孔等小孔對車體強度影響不大,直接略去較小開口及周邊加強結構,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,質量相同,放置在中心軸線偏左側車底下。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V形角度為20°,底板中間平板長度為1 000 mm;波浪型中的每個V型角度為30°,寬度為1 000 mm,厚度為10 mm;對于船型,兩側斜板角度為10°,底部平板長度為2 000 mm。

圖1 具有不同底板結構的輕型裝甲車輛計算模型簡化示意圖

2 防爆炸毀傷效應計算結果對比分析

2.1 底板附近壓力比較分析

通過仿真計算,當TNT炸藥在裝甲車輛左側底部爆炸時,裝甲車輛車體內左半側的壓力明顯高于車體內右半側的壓力。為了分析車體內部的壓力值變化規(guī)律,在車體左1/2的范圍內取四個觀測點,從中心線起每間隔0.25 m取一個觀測點,每種結構所取觀測點距地面高度均為1.2 m,如圖1(a)所示。每一種底板結構對應的觀測點的壓力變化如圖2所示。

圖2 不同底板結構在爆炸沖擊波作用下觀測點壓力變化圖

由于車體內是一個近乎封閉的空間,當爆炸沖擊波傳入車體內在觀測點處產生第一個壓力峰值,然后碰到車體壁板,發(fā)生反射、干涉、疊加與抵消等現(xiàn)象,最終傳導到該觀測點時會產生第二個峰值。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,但是在部分時刻可能由于多重沖擊波的疊加會產生一個新的高峰值,例如V型底板中觀測點C的第四個峰值,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,可以認為:爆炸沖擊波在車體內產生了反射,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,更容易產生大的峰值。

對于船型底板,爆炸沖擊波在車體內產生了反射、干涉和疊加,并在觀測點產生了壓力峰值。由于采用船型底板,相較于W型板,反射面減少,因此產生峰值的周期變大;與V型板比較,壓力峰值產生的時間基本一致,間隔周期基本相同。

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

2.2 底板位移情況分析

為了進一步分析底板的變形程度,在正對TNT爆炸點的底板上取一觀測點,對不同結構底板的變形程度進行對比分析,以確定性能更好的輕型裝甲車輛底部防爆結構。不同結構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階段:第一階段,炸藥爆炸后,底板受到沖擊波的作用,先向上運動,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入到車體內部,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,造成底板向下運動,反映在圖像上即曲線減速下降。

對于W型底板,B觀測點即1957號觀測點為正對炸藥的觀測點,且該觀測點為W型板交接處,所受到的沖擊壓力最大,產生的位移量也最大。對于波浪型底板,其他結構底板一致,沖擊波會在車體內產生反射并多次作用于底板,對底板產生一個向下運動的作用力,反映在位移圖像上,位移量在快速上升達到峰值后,受到反射波的力,向下作減速運動。對于船型底板,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,位移量快速達到峰值;第二階段,進入裝甲車輛內部的沖擊波產生了反射,作用在底板上,底板開始產生速度逐漸減小的下降運動。對于平板-船型,從曲線可以看出,與其他結構底板變形類似,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 不同結構底板觀測點及其位移比較

2.3 不同結構底板對底板毀傷效應對比分析

通過對五種主體結構(V型結構、W型結構、波浪型結構、船形結構、船型-平板型結構)仿真計算,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 不同結構的壓力值與位移量表

注:W型結構的兩個最大位移量測試點分別為頂點處與斜板中心。

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

(1)平板結構的壓力值明顯大于其他結構的壓力值,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-船型結構的壓力值明顯小于其他結構的壓力值,說明這兩種結構的復合形式對于抗爆炸沖擊波毀傷的能力能有顯著提升;

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

3 結論

文中進行了爆炸沖擊波對輕型裝甲車輛底部毀傷效應的數(shù)值模擬與分析,以壓力值與變形程度作為衡量參數(shù),對不同結構底板的防爆能力進行對比分析,主要有以下結論:

1)相同條件下,V型、W型、波浪型、船型等新型結構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-船型復合型這5種底板結構中,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-船型復合型效果最好。

3)各種結構在增強抗毀傷能力的同時也改變了車體高度、內部空間大小,在實際運用過程中,要綜合考慮,合理選擇,因此,現(xiàn)代輕型裝甲車輛底部結構一般采用船型和V型結構。