防地雷反伏擊車車底防護結構設計與研究

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結構的設計方法，并通過計算、仿真和試驗驗證的手段，模擬了爆炸沖擊載荷作用的過程，分析了防護結構對爆炸沖擊波的影響和對人員的保護作用。最后，在國內某權威試驗場，我們根據STANAG 4569相關標準和要求，進行了全尺寸爆炸沖擊試驗，試驗中對乘員在發生車體下爆炸事件時的被動安全水平進行了測試。在受到8kgTNT當量的爆轟型地雷替代裝藥爆炸后，車輛主體結構完整，艙體內部底板和車體頂部基本平整，未出現貫穿性裂紋，充分驗證了該結構的防護性。

關鍵詞：防護結構;爆炸沖擊;仿真;試驗

中圖分類號：TJ811+.9 ? ? ?文獻標識碼：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

畢業于佳木斯大學，碩士學歷，高級工程師。現就職于中國重汽集團青島重工有限公司，任特裝部經理，從事裝甲車類產品的研發和產品規劃工作。

1 ? 前言

在當前國際以和平和發展為主題的大局勢下，局部沖突、小規模戰爭仍時常發生，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。二十一世紀以來，國際局勢的變化使得世界各國軍隊基本職責已經由大規模軍事行動轉變為反恐、防暴、維和、救災等小規模行動為主，各國陸軍部隊面臨大量反恐、防暴作戰任務的考驗，如：阿富汗和伊拉克的治安戰，阿拉伯國家的內亂等新的軍事行動。西方國家的軍事系統已察覺到僅僅采用附加裝甲的防雷車輛方案已無法應對現代戰場的需要，因此迫切需求研發出一種防護性、機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一直致力于軍用車輛的地雷防護方面的研究、開發和制造試驗等，其設計性能重點主要是保證車內乘員的生命安全。地雷在車輛底部爆炸時易于撕裂車身底部結構，使得破片、沖擊波、有毒氣體進入車內危及乘員安全，另外車身底部結構的變形、瞬態強加速度和脈沖載荷同樣會對乘員造成巨大損傷。

國內的防地雷車輛研發起步較晚，少有性能突出的防地雷作戰車輛。近幾年國內各研發廠商相繼推出自家的設計產品方案。軍方也在尋求采購防地雷的作戰車輛，探索使用場景，總結使用經驗[1]。

2 ? ?車底防護方案設計及仿真

2.1 ? 車輛受到爆炸沖擊響應過程的分析

車輛在爆炸載荷的作用下，最危險的情況是車身下爆炸（UBB）。當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，爆炸的氣體產物將能量轉移到地面。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，彈性波在車輛結構中以聲速傳播，產生高振幅、高頻振動。由于波的高速性，這個相位的持續時間只有幾毫秒。在第二階段，由于車體底板在爆炸沖擊下產生塑性應變和垂直于地板平面的彈性振動，車底發生局部變形。這個階段和下肢損傷的風險有關。整個過程的最后一個階段是整車的整體運動。傳遞的部分爆炸能量轉化為車體的動能。這一階段與座椅快速垂直加速度導致脊柱受傷的風險有關[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形防雷組件達到對爆炸沖擊波的泄流作用，該組件的防雷板內層噴涂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，達到減少人體損傷的目的。

2.2 ? 車底防護方案設計計算

本方案是基于成熟的輕型輪式步兵輸送車輛發展而來，在原有防護方案上，加強了車輛的防護性能，尤其是車身底部方向對地面地雷和各類爆炸物的防護。車身底部的防雷模塊由分動箱防護罩、乘員艙防護罩、駕駛室防護罩和側防護披掛組成。我們在設計中選用St防雷鋼板，其屈服強度能達到900Mpa，抗拉強度在940-1100Mpa。各模塊采用最佳的防雷外形，對車底爆破的沖擊波進行偏轉，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，結構性的吸收作用于車身的爆轟能量，以達到保證車內乘員生命安全的目的。

2.2.1 分動箱防護結構計算

防雷車分動箱防護罩離地高度：422mm;

實驗條件：炸藥埋放后距地面距離為100mm。

作用到分動箱防護罩的爆壓計算：

公示（1）中 ? ? ? ? ? ，R是距爆點距離，mw為TNT當量。

爆炸當量mω=8kg ，

爆炸距離為：R=522 mm

根據公式（1）可得：

由于：

所以：

分動箱防護罩底部等效受力面積為：

分動箱防護罩受力為：

式（2）

由于分動箱防護罩底部的V形結構對爆炸能量的分散效果，其表面實際受力應為：

式（3）

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

對于螺栓組的受力（螺栓均勻受力，預緊力達到規定數值）計算，此處不需參考螺栓的安全系數，所以有螺栓組所受切應力的計算：

式中，F為螺栓組受力（N），m為螺栓組螺栓數量，S0為螺栓截面積（m2），τ0為螺栓的許用切應力（MPa）。

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

暫定使用M10、12.9級規格的連接螺栓，其參數分別為：

螺栓數量計算：

2.2.2 分動箱防護結構校核

分動箱防護罩在底部爆炸發生時，其所受的最大應力為：

F為分動箱防護罩所受的最大外力，前文已做計算，即：

S1為分動箱防護罩法向受力橫截面積，經計算，得出橫截面積大小為：

所以，分動箱防護罩內部最大應力為：

又由于材料的許用應力

（鋼材的安全系數n取1.6）

未超過材料的許用應力，所以，分動箱防護罩結構設計合理，在發生底部爆炸時不會發生結構失效的情況，滿足設計要求。

2.3 ? 乘員艙防護結構計算

2.3.1 乘員艙防護結構計算。

防雷車乘員艙防護罩離地高度：1086mm;

實驗條件：炸藥埋放后距地面距離為100mm。

作用到分動箱防護罩的爆壓計算：

爆炸當量mω=8kg，

爆炸距離為：R2=1186mm

根據公式（1）可得：

由于：

所以：

防雷車乘員艙防護罩底部等效受力面積為：

防雷車乘員艙防護罩受力為：

由于防雷車乘員艙防護罩底部的V形結構對爆炸能量的分散效果，其表面實際受力應為：

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

暫定使用M10、8.8級規格的連接螺栓，其參數分別為：

螺栓數量計算：

2.3.2 乘員艙防護結構校驗。

防雷車乘員艙防護罩在底部爆炸發生時，其所受的最大應力為：

F2為防雷車乘員艙防護罩所受的最大外力，前文已做計算，即：

S2為防雷車乘員艙防護罩法向受力橫截面積，經計算，得出橫截面積大小為：

所以，防雷車乘員艙防護罩內部最大應力為：

又由于：

未超過材料的許用應力，所以，防雷車乘員艙防護罩設計合理，在發生底部爆炸時不會發生結構失效的情況，滿足設計要求。

2.4 ? 車底防護結構的建模仿真[5]

在Creo3.0中對15t裝甲車輛結構進行三維建模，直接承受沖擊波壓力，并應用其自身的SIMULATE仿真模塊進行仿真分析，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系，爆炸壓力模型通過在簡單模型上進行的全尺寸爆炸試驗進行分析如圖7。

當爆炸沖擊載荷作用在距車體最近的分動箱防護上，分動箱防護的中心為最大應力處，從應力云圖可以看出，防雷板在爆炸沖擊作用下，防雷板最大應力達到183MPa，未超出防雷板材料的屈服強度極限，故滿足設計要求。

3 ? ?試驗驗證

在國內某權威試驗場，我們根據STANAG 45 69[6]進行的全尺寸爆炸試驗中，對乘員在發生車體下爆炸事件時的被動安全水平進行了測試。爆炸試驗如圖8所示。在受到8kgTNT當量的爆轟型地雷替代裝藥爆炸后，車輛主體結構完整，艙體內部底板和車體頂部基本平整，未出現貫穿性裂紋;前、后橋無明顯變形、艙體與車架連接基本保持正常，右側大梁中段可見外傾扭轉變形;底部分動器保護罩脫落;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;所有數據均符合要求。

4 ? ?結語

通過可靠的理論計算，此防護結構使得車體腹部及乘員艙底部能夠抵御8公斤TNT當量爆炸物的攻擊，未發生貫穿;通過對各模塊連接結構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，經過試驗證明：車底防護結構設計是有效的，可減輕車底爆炸物的起爆對車內乘員的傷害。

參考文獻：

[1]王虹，潘小強，龍濤《車輛防雷技術與對策研究》2011年中國系統工程學會.

[2]韓輝，焦麗娟，徐平《戰車底部防雷技術研究》四川兵工學報2007年第28卷第3期.

[3]Hryciów Z.， Borkowski W.， Rybak P.， Wysocki J.， Wi?niewski A.： Experimental researches of safety of armoured personel carrier crew during collision with obstacle， Arch. Automot. Eng. Motoryz.， vol. 61， no. 3， 2013.

[4]張中英，何洋揚，王樂陽，王桂貞，《車底結構對爆炸沖擊波響應特性影響研究》2009全國仿真技術學術會議論文集.

[5]王大奎，楊小銀，婁文忠等《防雷車抗爆性能仿真方法》中北大學學報2017年第38卷第2期.

[6]Procedures for Evaluating the Protection Level of Logistic and Light Armoured Vehicles， AEP-55 Volume 2 Edition 1， 2006.