姜紅偉 張娉娉 陳玉超

摘 ?要：本文介紹了一款防地雷反伏擊車車底防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并通過計(jì)算、仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證的手段，模擬了爆炸沖擊載荷作用的過程，分析了防護(hù)結(jié)構(gòu)對爆炸沖擊波的影響和對人員的保護(hù)作用。最后，在國內(nèi)某權(quán)威試驗(yàn)場，我們根據(jù)STANAG 4569相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，進(jìn)行了全尺寸爆炸沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)中對乘員在發(fā)生車體下爆炸事件時的被動安全水平進(jìn)行了測試。在受到8kgTNT當(dāng)量的爆轟型地雷替代裝藥爆炸后，車輛主體結(jié)構(gòu)完整，艙體內(nèi)部底板和車體頂部基本平整，未出現(xiàn)貫穿性裂紋，充分驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的防護(hù)性。

關(guān)鍵詞：防護(hù)結(jié)構(gòu);爆炸沖擊;仿真;試驗(yàn)

中圖分類號：TJ811+.9 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2021）03-0084-05

Design and Research Of Vehicle Bottom Protection Structure For Mine Resistant Ambush Protected Vehicle

jiang hong-wei， zhang ping-ping， chen yu-chao

（ Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center， Wuhan 430056 ， China）

Abstract： This paper introduces the design method of the protective structure of the vehicle bottom of a mine resistant ambush protected vehicle. By means of calculation， simulation and experimental verification， the process of the explosion shock load is simulated， and the influence of the protective structure on the explosion shock wave and the protection effect on personnel are analyzed. Finally， according to the STANAG 4569 standard and requirements， a full-scale explosion impact test was carried out in a domestic authoritative test site. In the test， the passive safety level of passengers in the case of explosion under the car body was tested. After being blasted by 8 kg TNT equivalent explosive charge， the main structure of the vehicle is complete， the interior bottom plate and the top of the vehicle body are basically flat， and there is no penetrating crack， which fully verifies the protection of the structure.

Key Words： Protective Structure; Explosion Shock; Simulation; Test

姜紅偉

畢業(yè)于佳木斯大學(xué)，碩士學(xué)歷，高級工程師?，F(xiàn)就職于中國重汽集團(tuán)青島重工有限公司，任特裝部經(jīng)理，從事裝甲車類產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)品規(guī)劃工作。

1 ? 前言

在當(dāng)前國際以和平和發(fā)展為主題的大局勢下，局部沖突、小規(guī)模戰(zhàn)爭仍時常發(fā)生，軍用地面車輛面臨的威脅仍然存在，甚至情況愈演愈烈，最為常見的有簡易爆炸裝置（1ED）和地雷等。二十一世紀(jì)以來，國際局勢的變化使得世界各國軍隊(duì)基本職責(zé)已經(jīng)由大規(guī)模軍事行動轉(zhuǎn)變?yōu)榉纯?、防暴、維和、救災(zāi)等小規(guī)模行動為主，各國陸軍部隊(duì)面臨大量反恐、防暴作戰(zhàn)任務(wù)的考驗(yàn)，如：阿富汗和伊拉克的治安戰(zhàn)，阿拉伯國家的內(nèi)亂等新的軍事行動。西方國家的軍事系統(tǒng)已察覺到僅僅采用附加裝甲的防雷車輛方案已無法應(yīng)對現(xiàn)代戰(zhàn)場的需要，因此迫切需求研發(fā)出一種防護(hù)性、機(jī)動性都較高的軍用防雷車輛，由此誕生了防地雷反伏擊車（MRAP）。歐美各國在過去十多年的時間內(nèi)一直致力于軍用車輛的地雷防護(hù)方面的研究、開發(fā)和制造試驗(yàn)等，其設(shè)計(jì)性能重點(diǎn)主要是保證車內(nèi)乘員的生命安全。地雷在車輛底部爆炸時易于撕裂車身底部結(jié)構(gòu)，使得破片、沖擊波、有毒氣體進(jìn)入車內(nèi)危及乘員安全，另外車身底部結(jié)構(gòu)的變形、瞬態(tài)強(qiáng)加速度和脈沖載荷同樣會對乘員造成巨大損傷。

國內(nèi)的防地雷車輛研發(fā)起步較晚，少有性能突出的防地雷作戰(zhàn)車輛。近幾年國內(nèi)各研發(fā)廠商相繼推出自家的設(shè)計(jì)產(chǎn)品方案。軍方也在尋求采購防地雷的作戰(zhàn)車輛，探索使用場景，總結(jié)使用經(jīng)驗(yàn)[1]。

2 ? ?車底防護(hù)方案設(shè)計(jì)及仿真

2.1 ? 車輛受到爆炸沖擊響應(yīng)過程的分析

車輛在爆炸載荷的作用下，最危險(xiǎn)的情況是車身下爆炸（UBB）。當(dāng)車輛受到爆炸地雷或簡易爆炸裝置（IED）的沖擊時，爆炸能量在爆炸過程中迅速釋放，對于埋入地下的炸藥，爆炸的氣體產(chǎn)物將能量轉(zhuǎn)移到地面。爆炸波在空氣中傳播時，噴出的土壤撞擊車輛底部。能量傳遞過程可分為三個階段，如圖1所示。在沖擊波沖擊后的第一階段，彈性波在車輛結(jié)構(gòu)中以聲速傳播，產(chǎn)生高振幅、高頻振動。由于波的高速性，這個相位的持續(xù)時間只有幾毫秒。在第二階段，由于車體底板在爆炸沖擊下產(chǎn)生塑性應(yīng)變和垂直于地板平面的彈性振動，車底發(fā)生局部變形。這個階段和下肢損傷的風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)。整個過程的最后一個階段是整車的整體運(yùn)動。傳遞的部分爆炸能量轉(zhuǎn)化為車體的動能。這一階段與座椅快速垂直加速度導(dǎo)致脊柱受傷的風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)[2][3]。

通過對爆炸過程的分析，我們在防雷性能提升方面，采用車底加裝V形防雷組件達(dá)到對爆炸沖擊波的泄流作用，該組件的防雷板內(nèi)層噴涂LineS防暴涂層，保證防雷組件不損壞、不形成碎片，同時依靠安裝螺栓的破斷剪切力進(jìn)一步吸收爆炸沖擊波能量，最后使用防雷座椅減輕沖擊波對人員的垂向加速度，達(dá)到減少人體損傷的目的。

2.2 ? 車底防護(hù)方案設(shè)計(jì)計(jì)算

本方案是基于成熟的輕型輪式步兵輸送車輛發(fā)展而來，在原有防護(hù)方案上，加強(qiáng)了車輛的防護(hù)性能，尤其是車身底部方向?qū)Φ孛娴乩缀透黝惐ㄎ锏姆雷o(hù)。車身底部的防雷模塊由分動箱防護(hù)罩、乘員艙防護(hù)罩、駕駛室防護(hù)罩和側(cè)防護(hù)披掛組成。我們在設(shè)計(jì)中選用St防雷鋼板，其屈服強(qiáng)度能達(dá)到900Mpa，抗拉強(qiáng)度在940-1100Mpa。各模塊采用最佳的防雷外形，對車底爆破的沖擊波進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，分散爆炸能量對車身的破壞效果，同時通過對連接部件的剪切和部分塑性變形，結(jié)構(gòu)性的吸收作用于車身的爆轟能量，以達(dá)到保證車內(nèi)乘員生命安全的目的。

2.2.1 分動箱防護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

防雷車分動箱防護(hù)罩離地高度：422mm;

實(shí)驗(yàn)條件：炸藥埋放后距地面距離為100mm。

作用到分動箱防護(hù)罩的爆壓計(jì)算：

公示（1）中 ? ? ? ? ? ，R是距爆點(diǎn)距離，mw為TNT當(dāng)量。

爆炸當(dāng)量mω=8kg ，

爆炸距離為：R=522 mm

根據(jù)公式（1）可得：

由于：

所以：

分動箱防護(hù)罩底部等效受力面積為：

分動箱防護(hù)罩受力為：

式（2）

由于分動箱防護(hù)罩底部的V形結(jié)構(gòu)對爆炸能量的分散效果，其表面實(shí)際受力應(yīng)為：

式（3）

θ為V形防雷結(jié)構(gòu)對爆炸威力減弱效果的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，參考仿真模擬試驗(yàn)，如圖4，車底結(jié)構(gòu)角度從150°向140°變化時，結(jié)構(gòu)分散能量的能力呈指數(shù)級增強(qiáng)[4]，140°-130°之間變化趨于平緩，取140°和150°的結(jié)構(gòu)角度數(shù)值研究，其分散能量數(shù)值系數(shù)θ0=1/8.4，此處取θ1=0.1。

對于螺栓組的受力（螺栓均勻受力，預(yù)緊力達(dá)到規(guī)定數(shù)值）計(jì)算，此處不需參考螺栓的安全系數(shù)，所以有螺栓組所受切應(yīng)力的計(jì)算：

式中，F(xiàn)為螺栓組受力（N），m為螺栓組螺栓數(shù)量，S0為螺栓截面積（m2），τ0為螺栓的許用切應(yīng)力（MPa）。

分動箱防護(hù)罩需通過剪斷固定螺栓達(dá)到吸收、削弱地雷爆轟能量，所以，此處應(yīng)取螺栓組的切應(yīng)力略大于螺栓的許用切應(yīng)力，即：

暫定使用M10、12.9級規(guī)格的連接螺栓，其參數(shù)分別為：

螺栓數(shù)量計(jì)算：

2.2.2 分動箱防護(hù)結(jié)構(gòu)校核

分動箱防護(hù)罩在底部爆炸發(fā)生時，其所受的最大應(yīng)力為：

F為分動箱防護(hù)罩所受的最大外力，前文已做計(jì)算，即：

S1為分動箱防護(hù)罩法向受力橫截面積，經(jīng)計(jì)算，得出橫截面積大小為：

所以，分動箱防護(hù)罩內(nèi)部最大應(yīng)力為：

又由于材料的許用應(yīng)力

（鋼材的安全系數(shù)n取1.6）

未超過材料的許用應(yīng)力，所以，分動箱防護(hù)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在發(fā)生底部爆炸時不會發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的情況，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 ? 乘員艙防護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.3.1 乘員艙防護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算。

防雷車乘員艙防護(hù)罩離地高度：1086mm;

實(shí)驗(yàn)條件：炸藥埋放后距地面距離為100mm。

作用到分動箱防護(hù)罩的爆壓計(jì)算：

爆炸當(dāng)量mω=8kg，

爆炸距離為：R2=1186mm

根據(jù)公式（1）可得：

由于：

所以：

防雷車乘員艙防護(hù)罩底部等效受力面積為：

防雷車乘員艙防護(hù)罩受力為：

由于防雷車乘員艙防護(hù)罩底部的V形結(jié)構(gòu)對爆炸能量的分散效果，其表面實(shí)際受力應(yīng)為：

防雷車乘員艙防護(hù)罩需通過剪斷固定螺栓達(dá)到吸收、削弱地雷爆轟能量，所以，此處應(yīng)取螺栓組的切應(yīng)力略大于螺栓的許用切應(yīng)力，即：

暫定使用M10、8.8級規(guī)格的連接螺栓，其參數(shù)分別為：

螺栓數(shù)量計(jì)算：

2.3.2 乘員艙防護(hù)結(jié)構(gòu)校驗(yàn)。

防雷車乘員艙防護(hù)罩在底部爆炸發(fā)生時，其所受的最大應(yīng)力為：

F2為防雷車乘員艙防護(hù)罩所受的最大外力，前文已做計(jì)算，即：

S2為防雷車乘員艙防護(hù)罩法向受力橫截面積，經(jīng)計(jì)算，得出橫截面積大小為：

所以，防雷車乘員艙防護(hù)罩內(nèi)部最大應(yīng)力為：

又由于：

未超過材料的許用應(yīng)力，所以，防雷車乘員艙防護(hù)罩設(shè)計(jì)合理，在發(fā)生底部爆炸時不會發(fā)生結(jié)構(gòu)失效的情況，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 ? 車底防護(hù)結(jié)構(gòu)的建模仿真[5]

在Creo3.0中對15t裝甲車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，直接承受沖擊波壓力，并應(yīng)用其自身的SIMULATE仿真模塊進(jìn)行仿真分析，定義了爆炸載荷模型，模擬了壓力場的時空變化，作為表面爆炸載荷。由于埋入炸藥的爆炸效應(yīng)與埋藏深度、土壤類型和條件以及爆炸波的入射角有很大關(guān)系，爆炸壓力模型通過在簡單模型上進(jìn)行的全尺寸爆炸試驗(yàn)進(jìn)行分析如圖7。

當(dāng)爆炸沖擊載荷作用在距車體最近的分動箱防護(hù)上，分動箱防護(hù)的中心為最大應(yīng)力處，從應(yīng)力云圖可以看出，防雷板在爆炸沖擊作用下，防雷板最大應(yīng)力達(dá)到183MPa，未超出防雷板材料的屈服強(qiáng)度極限，故滿足設(shè)計(jì)要求。

3 ? ?試驗(yàn)驗(yàn)證

在國內(nèi)某權(quán)威試驗(yàn)場，我們根據(jù)STANAG 45 69[6]進(jìn)行的全尺寸爆炸試驗(yàn)中，對乘員在發(fā)生車體下爆炸事件時的被動安全水平進(jìn)行了測試。爆炸試驗(yàn)如圖8所示。在受到8kgTNT當(dāng)量的爆轟型地雷替代裝藥爆炸后，車輛主體結(jié)構(gòu)完整，艙體內(nèi)部底板和車體頂部基本平整，未出現(xiàn)貫穿性裂紋;前、后橋無明顯變形、艙體與車架連接基本保持正常，右側(cè)大梁中段可見外傾扭轉(zhuǎn)變形;底部分動器保護(hù)罩脫落;駕駛位和乘員位HybridⅢ模擬假人均未脫離座椅，乘員位假人腳部落至地板上;所有數(shù)據(jù)均符合要求。

4 ? ?結(jié)語

通過可靠的理論計(jì)算，此防護(hù)結(jié)構(gòu)使得車體腹部及乘員艙底部能夠抵御8公斤TNT當(dāng)量爆炸物的攻擊，未發(fā)生貫穿;通過對各模塊連接結(jié)構(gòu)的受沖擊剪斷和部分塑性形變，消耗了車體底部爆炸物的爆轟能量，使車體本身收到的爆轟影響大為下降。因此，經(jīng)過試驗(yàn)證明：車底防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是有效的，可減輕車底爆炸物的起爆對車內(nèi)乘員的傷害。

參考文獻(xiàn)：

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