地雷爆炸作用下裝甲車輛底部防護結構優化仿真研究

陳學軍，楊學文，張永珍

(內蒙第一機械集團有限公司，內蒙古 包頭014030)

0 引言

隨著地雷或簡易爆炸裝置在各種非對稱戰爭中的頻繁使用，以及由此造成的人員傷亡逐年上升，地雷防護顯得越來越重要。這種戰場形式促成了防地雷反伏擊裝甲車的蓬勃發展［1］。由南非研制的V型車底結構是被廣泛應用裝甲車地雷防護結構，目前這種結構已大量裝備于美英等國部隊。V 型結構裝甲車體最大不足在于車輛距地高度較大，車輛操縱性差，越野能力差。為了改善V 型結構不足、降低車輛輪廓，新研發的防地雷裝甲車更傾向于采用吸能結構，通過該結構可達到北約4a/4b 級別防雷能力［2］。

一種基本的新型吸能結構地雷防護組件為“三明治”復合結構，采用高性能裝甲鋼或高強復合材料作外層，低密度多孔芯材作夾心［3］。通過匹配外層和夾心的不同厚度，從而達到地雷防護指標要求。由內蒙古第一機械集團研制的某輪式裝甲車即采取了底部掛裝防護板，防護板和車底板件填充泡沫結構材料的方式，實現對6 kgTNT 當量地雷爆炸的有效防護。如圖1 所示，為了獲得防雷組件最佳的防護性能，共設計了3 種不同結構形式的地雷防護組件:方案1 為全填充結構，即在防護板車底板間完全填充泡沫結構材料;方案2 為上間隙結構，即車底板和泡沫結構材料間留有30 mm 間隙;方案3 為下間隙結構，即在防護板和泡沫結構材料間留有30 mm 間隙。

圖1 不同結構形式的地雷防護組件

1 算法與模型

1.1 幾何模型

某裝甲車輛試驗樣件CAD 模型如圖2 所示。車體整體采用焊接結構，并通過橫向和縱向加強筋增加車體剛度。防護板以螺栓連接的方式固定在車兩側底部。泡沫結構材料以膠粘結的方式夾在車底板/支撐背板/防護板間，支撐背板與防護板采用焊接結構連接。防護板厚12 mm，支撐背板厚8 mm，車底板厚6 mm.

1.2 算法

計算采用多物質算法和流固耦合算法，其中:多物質算法用于計算地雷爆炸過程中爆轟產物的擴散及空氣沖擊波的形成與傳播;流固耦合算法用于計算爆轟產物和空氣沖擊波聯合作用下防護組件及車輛的動態響應。流固耦合算法中，固體結構采用拉格朗日方法進行描述，流體域則采用ALE 用于描述，ALE 方程組［4］如下:

圖2 某輪式裝甲車輛CAD 模型

式中:ρ、p 和μ 分別為流體的密度、壓力和粘性系數;fi為體積力。

LS-DYNA 顯式動力分析軟件包，通過直接耦合拉格朗日和歐拉網格之間的響應，自動精確地計算每個時間步長，流—固界面處的物理性質。具體流固耦合計算處理如下:

式中:Δpc為流體與固體之間的耦合壓力;pin、pout分別為流體與固體耦合界面的內、外法向壓力值。

建立的有限元模型如圖3 所示，包括地雷、土壤、空氣、裝甲車輛樣件、防護組件。

圖3 有限元計算模型

圖3 中:地雷、土壤、空氣采用歐拉網格建模;單元使用多物質ALE 算法;裝甲車輛樣件及防護組件采用拉格朗日網格建模;裝甲車輛樣件及防護組件與地雷、土壤、空氣之間流固耦合。車體不同部件焊接位置處節點采用關鍵字* CONSTRAINED_GENERALIZED_WELD_BUTT 連接?？紤]到焊縫相對于基體母材屬于薄弱區域，計算中引入焊縫開裂失效準則。焊縫的開裂從機理上可分為塑性撕裂和脆性斷裂。塑性撕裂主要是由于塑性變形引起的，計算中取臨界塑性應變值0.12，即當單元等效節點塑性應變值超過臨界塑性應變值，焊縫發生撕裂;脆性斷裂以焊縫的抗拉強度作為主要判據，根據試驗數據取中硬度裝甲鋼焊縫抗拉強度700 MPa.當焊縫處單元節點受力狀態滿足(5)式時，焊縫發生脆性開裂:

式中:fnor和fsh分別為作用于焊縫處的正應力和剪應力;snor和ssh分別為焊縫脆性斷裂臨界正應力和剪應力。

防護板和車體螺栓連接處節點通過關鍵字*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY 連接。車體橫梁上方通過質量單元對整車模型配重4.5t. 計算時，由于車體結構的對稱性，選取1/2 模型，施加對稱約束以簡化計算量。

1.3 材料模型及參數選取

計算共涉及5 種材料參數模型:裝甲鋼、地雷、泡沫結構材料、土壤、空氣。計算中，各種材料模型均選用LS -DYNA 中推薦的材料模型。其中，裝甲鋼材料采用雙線性隨動強化材料模型MAT_PLASTIC_KINEMATIC:

式中:σ0為初始屈服極限;Et為硬化模量;˙ε 為應變速率。具體參數如表1 所示。泡沫結構材料模型選取蜂窩狀泡沫材料模型MAT_HONEYCOMB［5］. 該模型為各向異性材料模型，需輸入材料在不同方向上正應力—正應變及剪應力—剪應變曲線，具體參數如表2 所示。地雷選用TNT 高能炸藥模型MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN，配合JWL 狀態方程以描述炸藥的爆轟過程;空氣選用MAT_NULL，土壤選用MAT_SOIL_AND_FOAm.

表1 裝甲鋼材料參數

表2 泡沫鋁材料參數

2 結果分析

2.1 防雷組件優選

如圖4 所示地雷爆炸過程中整個車體系統的能量變化曲線。

地雷爆炸作用持續時間約0.3 ms. 由于沖擊波的作用，車體系統能量急劇上升，沖擊加載結束后系統總能保持不變，車體發生結構響應，動能向內能轉化，內能上升，動能減小，至8 ms 時，動能和內能基本達到平衡，車體結構響應結束。同等TNT 當量炸藥的地雷發生爆炸，不同防護方案的車體系統吸收能量大小略有差別，總能從大到小依次為上間隙結構、下間隙結構、全填充結構。造成這種差別的主要原因是爆炸球形波作用壓力和其入射角有關，車體在承受爆炸壓力沖擊時，防護板首先發生變形，變形后單元法線方向改變，使得爆炸沖擊波入射角發生變化，從而改變了沖擊波對防護板的壓力作用。使沖擊波入射傾角增大的形變有助于減小輸入到整個車體的能量［6］，從能量角度而言，對結構易造成破壞的主要是動能［7］。車體結構動能從大到小依次為下間隙結構、全填充結構、上間隙結構。上間隙結構雖然在爆炸中吸收了較多能量，但大部分動能轉換成了內能。從能量角度而言，上間隙結構具有最佳的地雷防護性能。

圖4 整車系統能量變化曲線

如圖5 所示為3 種結構方案車底板中心背凸位移時間曲線圖。如圖6 所示為車底板加速度隨爆炸時間變化的曲線圖?？梢姡祥g隙結構(方案2)，具有最小的車底板背凸變形120 mm 和加速度值50 g，該防護結構爆炸壓力對車體底板的沖擊作用最小。

圖5 車底板中心背凸位移時間曲線圖

圖6 車底板加速度隨爆炸時間變化曲線圖

2.2 計算試驗驗證

根據上述防雷組件的優選結果，對上間隙結構的防護方案進行了試驗驗證。如圖7 ～圖9 所示分別為試驗后拆解了的防護組件各部件的實際變形情況和仿真計算結果對比。圖7 中，計算值防護板在地雷爆炸作用中心處產生開裂，表現為有限單元刪除，整個防護板在直徑500 mm 范圍內背凸變形140 mm.實際測量值防護板背凸高125 mm，裂紋長150 mm，計算值誤差12%;圖8 中，泡沫結構材料產生強烈壓縮變形，計算變形最大處材料壓縮率達70%，實測泡沫結構材料凹坑深90 mm，且有少量破碎，壓縮量約83%，計算值誤差16%;圖9 中，支撐背板和防護板間部分連接焊縫開裂，支撐背板靠近焊縫處出現波浪變形，整個背板在直徑500 mm 范圍內背凸變形68 mm，這一計算結果同支撐背板實際背凸測量值30 mm 相比，誤差達56%，分析原因可能在于支撐背板后續響應產生了較大的回彈變形。

如圖10 所示為6 kgTNT 當量地雷爆炸后，車體樣件的計算變形云圖和實物對比圖。計算結果較為準確地模擬了車底板的背凸變形和對接焊縫開裂。

圖7 面板變形云圖和實物圖

圖8 泡沫結構材料相對變形云圖和實物圖

圖9 背板的變形云圖和實物圖

圖10 車體樣件變形云圖和實物圖

3 結論

1)以泡沫結構材料為夾心的“三明治”地雷防護組件，受爆炸沖擊后可產生高達70% ～80%的壓縮變形量，具有良好的吸收沖擊波能量的效果，可應用于裝甲車輛底部地雷的防護。

2)裝甲車輛采用上間隙結構的地雷防護組件掛裝方式，可有效減少車底板的背凸變形和加速度值，從而減小地雷爆炸對乘務員的沖擊，具有最佳的地雷防護效果。

3)數值模擬和試驗結果吻合良好，用于指導裝甲車輛底部防護結構設計，具有一定的準確性和可行性，可顯著縮短研發周期和研發成本。

References)

［1］現兵. 地雷防護技術的最新發展［J］. 兵器知識，2010(2):87-89.XIAN Bing. The latest development of mines protection technology［J］. Ordnance Knowledge，2010(2):87 -89.(in Chinese)

［2］Brill A，Cohen B，Du Bois P A. Simulation of a mine blast effect on the occupants of an APC［C］// 6th European LS-DYNA Users’Conference. Detroit:Livermore Software Technology Corporation，2000:4.155 -4.166.

［3］Mullin M J，O’Toole B J. Simulation of energy absorbing materials in blast loaded structures［C］// 8th International LS-DYNA Users’Conference. Detroit:The Army Research Office，2014:8 -67-8 -80.

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［5］韓守紅，呂振華. 鋁泡沫夾層結構抗爆炸性能仿真分析及優化［J］. 兵工學報，2010，31(11):1468 -1474.HAN Shou-hong，LYU Zhen-hua. Numerical simulation of blast-resistant performance of aluminum foam sandwich structures and optimization［J］. Acta Armamentarii，2010，31 (11):1468 -1474.(in Chinese)

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