爆炸沖擊波對(duì)輕型裝甲車(chē)輛底裝甲毀傷效應(yīng)數(shù)值仿真*

李向榮,田延泰,李 帥,李 帆,王國(guó)輝

(1 裝甲兵工程學(xué)院,北京 100072; 2 總裝備部駐長(zhǎng)治地區(qū)軍事代表室,山西長(zhǎng)治 046010)

爆炸沖擊波對(duì)輕型裝甲車(chē)輛底裝甲毀傷效應(yīng)數(shù)值仿真*

李向榮1,田延泰1,李 帥1,李 帆2,王國(guó)輝1

(1 裝甲兵工程學(xué)院,北京 100072; 2 總裝備部駐長(zhǎng)治地區(qū)軍事代表室,山西長(zhǎng)治 046010)

為了分析爆炸沖擊波對(duì)輕型裝甲車(chē)輛底裝甲的毀傷規(guī)律,在確定底裝甲遭受爆炸沖擊波毀傷主要影響因素的基礎(chǔ)上,采用數(shù)值仿真方法進(jìn)行毀傷效應(yīng)研究。利用非線性動(dòng)力學(xué)軟件AUTODYN進(jìn)行有限元建模,重點(diǎn)對(duì)底裝甲厚度、材料、結(jié)構(gòu)和爆距等因素對(duì)裝甲底板遭爆炸沖擊波毀傷的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明單一金屬結(jié)構(gòu)中均質(zhì)裝甲的防護(hù)性能最優(yōu),與復(fù)合裝甲防護(hù)性能相似,硬鋁防護(hù)性能最差。V形底裝甲結(jié)構(gòu)角度為10°時(shí)綜合防護(hù)性能最佳,如果在V形板上加裝平板后的抗毀傷能力更強(qiáng)。研究結(jié)果將對(duì)輕型裝甲車(chē)輛底部防護(hù)與毀傷效能評(píng)估提供基礎(chǔ)。

爆炸沖擊波;輕型裝甲車(chē)輛;毀傷效應(yīng);毀傷準(zhǔn)則

0 引言

傳統(tǒng)的地面戰(zhàn)爭(zhēng)中,認(rèn)為裝甲車(chē)輛正面是最容易受到攻擊的部位,然而歷次戰(zhàn)爭(zhēng)中[1]由于底部受到地雷、簡(jiǎn)易爆炸物爆炸而造成車(chē)輛損失和乘員傷亡的比例一直比較大,且此比例在逐漸增加。輕型裝甲車(chē)輛底部攻擊主要來(lái)自于地雷和簡(jiǎn)易爆炸裝置,而地雷與簡(jiǎn)易爆炸裝置對(duì)目標(biāo)的毀傷元素最終表現(xiàn)為爆炸沖擊波。沈曉軍[2]等通過(guò)分析爆炸沖擊波對(duì)坦克目標(biāo)的毀傷規(guī)律,發(fā)現(xiàn)坦克密封不嚴(yán)時(shí),爆炸沖擊波的毀傷能力會(huì)大大增加。而Uribe[3]等研究了不同因素對(duì)地雷爆炸傳輸給目標(biāo)能量的影響,發(fā)現(xiàn)有角度的靶板(如V形板),一定程度上能夠削弱地雷對(duì)目標(biāo)的作用。韓輝[4]等認(rèn)為,V形殼體可由纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成,也可以采用雙層結(jié)構(gòu),以便獲得更好的防雷效果。

因此,掌握爆炸沖擊波對(duì)輕型裝甲車(chē)輛底裝甲的毀傷規(guī)律,是開(kāi)展防地雷反伏擊車(chē)研制與裝甲車(chē)輛戰(zhàn)場(chǎng)損傷快速評(píng)估等工作的基礎(chǔ)。

1 爆炸沖擊波對(duì)裝甲車(chē)輛底部毀傷效應(yīng)分析

1.1 爆炸沖擊波在車(chē)輛周?chē)鷤鞑ヌ卣?/p>

彈藥在空氣中爆炸后,高溫高壓爆轟產(chǎn)物猛烈膨脹,急劇沖擊與壓縮周?chē)目諝?使空氣的壓力和密度迅速上升,形成空氣壓縮層。該空氣壓縮層以超音速運(yùn)動(dòng)、狀態(tài)參數(shù)有突躍變化,即為爆炸沖擊波。

當(dāng)爆炸沖擊波傳到裝甲車(chē)輛底盤(pán)表面時(shí),將產(chǎn)生波的透射和反射現(xiàn)象。在接觸爆炸的情況下,介質(zhì)首先受到爆炸沖擊波的前沿沖擊波作用,此時(shí)必然有一沖擊波由介質(zhì)的外界面?zhèn)魅虢橘|(zhì)內(nèi),即產(chǎn)生了透射沖擊波;同時(shí),在爆轟產(chǎn)物中也將反向傳入沖擊波,即反射波。爆炸沖擊波在車(chē)輛底部周?chē)膫鞑ナ疽鈭D如圖1所示。

圖1 爆炸沖擊波沿車(chē)體傳播示意圖

1.2 沖擊波對(duì)裝甲車(chē)輛底部毀傷效應(yīng)影響因素分析

爆炸沖擊波本身的破壞力主要用沖擊波超壓來(lái)衡量,影響產(chǎn)生的超壓峰值大小的主要因素包括炸藥本身能力、炸藥質(zhì)量等有關(guān)因素,而目標(biāo)的結(jié)構(gòu)、材料、幾何尺寸也對(duì)目標(biāo)毀傷程度有影響。

由于底部裝甲是輕型裝甲車(chē)輛底部防護(hù)爆炸沖擊波的主要部件,分析爆炸沖擊波對(duì)輕型裝甲車(chē)輛底部的毀傷,必須首先分析對(duì)底裝甲的破壞能力,并分析底裝甲后面即車(chē)輛內(nèi)部的超壓值。認(rèn)為影響爆炸沖擊波對(duì)輕型裝甲車(chē)輛底部的毀傷效應(yīng)與毀傷威力的主要因素包括:底裝甲板的厚度、材料、結(jié)構(gòu)形式,以及炸藥類(lèi)型、炸藥質(zhì)量和爆距等。

2 數(shù)值模擬有限元模型構(gòu)建

進(jìn)行爆炸沖擊波對(duì)底裝甲毀傷效應(yīng)數(shù)值仿真時(shí),采用裸裝藥爆炸形成爆炸沖擊波,主要考慮以下幾點(diǎn):

1)對(duì)輕型裝甲車(chē)輛底部裝甲造成毀傷的為地雷或簡(jiǎn)易爆炸物,炸藥質(zhì)量一般為1～8 kg。

2)如果不加裝反地雷組件,輕型裝甲車(chē)輛底板距地高度一般為400 mm。

3)V形板的度數(shù)α一般為8°～12°,同時(shí)厚度也需要適當(dāng),以免影響輕型裝甲車(chē)輛的機(jī)動(dòng)性。

底裝甲為單一金屬結(jié)構(gòu),擬采用Lagrange算法;炸藥爆炸后將形成流動(dòng)性很強(qiáng)的氣態(tài)爆轟產(chǎn)物,采用適合較大變形的Euler算法;炸藥爆炸后形成的沖擊波與裝甲板之間的作用采用流固耦合Lagrange-Euler算法[5]。V形裝甲板2D模型圖如圖2所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

重點(diǎn)針對(duì)底裝甲板厚度、材料、結(jié)構(gòu)與爆距等因素,進(jìn)行爆炸沖擊波對(duì)車(chē)輛底部毀傷效應(yīng)數(shù)值計(jì)算與規(guī)律分析。靶板長(zhǎng)度為800 mm,狀態(tài)方程為Shock,應(yīng)力模型為Johnson cook,I方向與J方向所劃分網(wǎng)格邊長(zhǎng)均為1 cm。空氣采用多物質(zhì)歐拉計(jì)算方法,I方向與J方向網(wǎng)格劃分邊長(zhǎng)都為2 cm,狀態(tài)方程為Ideal Gas。炸藥在歐拉網(wǎng)格中采用填充方法,狀態(tài)方程為JWL。

圖2 V形裝甲板2D模型圖

3.1 底裝甲板厚度對(duì)毀傷效應(yīng)影響分析

裝甲板厚度h分別選取10 mm、20 mm、30 mm和40 mm,其余條件為:炸藥質(zhì)量m=2 kg,炸藥為B炸藥,爆距l(xiāng)=400 mm,材料為均質(zhì)裝甲[6]。所建模型以及所取觀測(cè)點(diǎn)如圖3所示。

圖3 仿真模型

底裝甲板不同厚度條件下,典型時(shí)刻,爆炸沖擊波對(duì)底裝甲板的毀傷效果數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

圖4 爆炸沖擊波作用下不同厚度底裝甲毀傷效應(yīng)

從圖4可以看出,當(dāng)h=10 mm時(shí),裝甲板明顯碎裂;但隨著裝甲板厚度增加,碎裂程度變小,在h=40 mm時(shí),裝甲板基本沒(méi)有變形碎裂。為了更好的定量化分析底裝甲板毀傷,進(jìn)行最大壓力值與板后壓力分析。不同底裝甲厚度條件下,觀測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化如圖5所示。

圖5 不同底裝甲厚度條件下靶前后觀測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化

從圖5中變化曲線可以看出,各裝甲板前端面相同點(diǎn)的壓力變化趨勢(shì)基本相同,并且都是在點(diǎn)1處存在最大壓力,且點(diǎn)1到達(dá)最大壓力的時(shí)間都約為0.14 ms,炸藥爆炸后沖擊波傳播特性基本一致,到達(dá)板前的時(shí)間與最大峰值都基本一致;后端面的各觀測(cè)點(diǎn)中都存在一個(gè)壓力最大的觀測(cè)點(diǎn),但裝甲板厚度不同時(shí),最大壓力點(diǎn)的位置不一樣,這是因?yàn)榈装宓暮穸扔绊懥瞬ǖ膫鞑ヂ窂脚c傳播特性。底裝甲板厚度不同時(shí),板后端面達(dá)到的最大壓力值及其對(duì)應(yīng)的觀測(cè)點(diǎn)位置列于表1。

表1 各裝甲板后端面壓力最大點(diǎn)及其壓力值

由表1中數(shù)據(jù)可以看出,板厚為10 mm時(shí),板后最大壓力明顯大于其他底裝甲厚度,這可能是因?yàn)榘搴駷?0 mm時(shí),裝甲板在爆炸沖擊波的作用下出現(xiàn)了明顯的斷裂;而其他厚度的情況下,沒(méi)有出現(xiàn)明顯斷裂,波完全是通過(guò)金屬固體傳播。但是,即使底裝甲沒(méi)有出現(xiàn)裂縫,但板后10 mm處的最大壓力也達(dá)到了6個(gè)大氣壓左右,由參考文獻(xiàn)[7]可知,當(dāng)超壓達(dá)1個(gè)大氣壓時(shí),人員大部分會(huì)死亡。因此,這種采用板結(jié)構(gòu)進(jìn)行爆炸沖擊波防護(hù),即使板沒(méi)有破壞,車(chē)輛內(nèi)部的人員還是會(huì)遭受到嚴(yán)重傷害甚至死亡。

3.2 底裝甲板材料對(duì)毀傷效應(yīng)影響分析

裝甲板材料分別選取AL 2024(硬鋁)、STEEL 1006(鋼)、均質(zhì)裝甲、復(fù)合裝甲,其余條件為:炸藥質(zhì)量m=5 kg,炸藥為B炸藥,裝甲板厚度h=20 mm,爆距l(xiāng)=400m m。在裝甲板內(nèi)部及其后端面10 mm處各取9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。不同底裝甲板材料條件下,爆炸沖擊波對(duì)底裝甲板毀傷效應(yīng)對(duì)比如圖6所示。

圖6 底裝甲板材料不同時(shí)爆炸沖擊波對(duì)板毀傷效應(yīng)對(duì)比

從圖6可以看出,當(dāng)材料為AL 2024、STEEL 1006、均質(zhì)裝甲時(shí),底裝甲底板明顯產(chǎn)生碎裂,但碎裂程度依次減小;復(fù)合裝甲板基本沒(méi)有變形碎裂。

不同材料時(shí),底裝甲板后端面10 mm處各觀測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化如圖7所示,復(fù)合裝甲板各點(diǎn)的最大壓力遠(yuǎn)小于其他材料板各點(diǎn)的壓力,充分說(shuō)明了復(fù)合裝甲強(qiáng)大的抗毀傷性能[8]。AL 2024、STEEL 1006、均質(zhì)裝甲這三種材料的密度與強(qiáng)度參數(shù)分別列于表2[9],從表中數(shù)據(jù)可以看出,ALUMINIUM、STEEL 1006、均質(zhì)裝甲的密度與強(qiáng)度極限依次提高,復(fù)合裝甲材料的強(qiáng)度與密度雖然不是最大,但其抗爆炸沖擊波能力最強(qiáng)。這說(shuō)明材料的強(qiáng)度極限越大,均質(zhì)裝甲板的抗爆炸沖擊波能力越大;中間夾有陶瓷的復(fù)合裝甲的抗毀傷性能優(yōu)于用同種材料制作的均質(zhì)裝甲[10]。

圖7 不同材料裝甲板后端面10 mm處觀測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間變化

表2 不同材料的密度與強(qiáng)度參數(shù)

3.3 底裝甲板結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)影響分析

平板結(jié)構(gòu)的裝甲板防爆炸沖擊波的能力有限。現(xiàn)代輕型裝甲車(chē)輛大多數(shù)采取V形底板來(lái)提高車(chē)輛的抗毀傷能力[11]。在相同條件下,不同角度裝甲板的抗毀傷能力不同。在只改變裝甲板角度、不改變其他條件的情況下進(jìn)行仿真計(jì)算,可獲取V形板角度對(duì)爆炸沖擊波作用下板毀傷效應(yīng)的影響規(guī)律。角度取α=0°(即平板)、α=2°、α=4°、α=6°、α=8°、α=10°、α=12°,其余條件為:炸藥質(zhì)量m=5 kg,炸藥為B炸藥,V形板厚度h=10 mm,爆距l(xiāng)=400 mm,材料為均質(zhì)裝甲。由于V形板的板厚一般比平板小,所以取裝甲板厚度h=10 mm。數(shù)值計(jì)算模型如圖8所示。不同角度條件下,爆炸沖擊波對(duì)V形裝甲板的毀傷效應(yīng)對(duì)比如圖9所示。

從圖9可以看出,當(dāng)α=0°時(shí),裝甲板完全碎裂;α=2°時(shí),裝甲板幾乎完全碎裂;α=4°、α=6°時(shí)裝甲板中部和兩側(cè)碎裂,其余部分產(chǎn)生變形;α=8°時(shí)只有兩側(cè)碎裂,其余部分產(chǎn)生變形;α=10°時(shí),裝甲板產(chǎn)生輕微變形,沒(méi)有碎裂;α=12°裝甲板情況與α=10°時(shí)基本相同,只是變形更小,可忽略不計(jì)。由此可以看出,V形板減少了沖擊波向車(chē)體內(nèi)部的傳播,較好的提高了底裝甲防護(hù)爆炸沖擊波的能力。爆炸沖擊波沿板表面法線方向被反射后,從裝甲車(chē)輛兩側(cè)傳播到了周?chē)?這也充分說(shuō)明了V形板與輪式結(jié)構(gòu)配合,防爆炸沖擊波的能力更好。另外,V形板夾角在略小于180°范圍內(nèi)越小,抗爆炸沖擊波毀傷性能就越好,不過(guò),當(dāng)角度增加到一定值時(shí),對(duì)防護(hù)爆炸沖擊波能力的提高就不是很顯著了[11]。

圖8 爆炸沖擊波對(duì)V形板毀傷數(shù)值仿真模型

圖9 V形底裝甲板角度不同時(shí)爆炸沖擊波對(duì)板毀傷效應(yīng)

采用V形底裝甲結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)影響車(chē)輛生存能力的問(wèn)題,那就是隨著V形板角度的增大,V形板的高度也越來(lái)越高,相應(yīng)的輕型裝甲車(chē)輛的高度也越高,這樣就會(huì)使車(chē)輛更容易被發(fā)現(xiàn)、擊毀,不利于隱蔽[12]。V形板高度隨角度變化情況列于表3。考慮到車(chē)輛底盤(pán)高度,綜合仿真計(jì)算結(jié)果,認(rèn)為V形板角度取10°比較合適。

為解決這一問(wèn)題,有人提出了在V形板后再加裝一塊平板的方法來(lái)提高輕型裝甲車(chē)輛的底部抗毀傷能力。文中對(duì)這種情況也進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算,取角度α=10°,炸藥質(zhì)量m=5 kg,炸藥為B炸藥,V形板厚H=10 mm,平板厚h=10 mm,爆距l(xiāng)=400 mm,材料均為均質(zhì)裝甲,數(shù)值計(jì)算模型如圖10所示。

表3 V形板高度隨其角度變化情況

圖10 V形板后加裝平板的底裝甲結(jié)構(gòu)圖

爆炸沖擊波對(duì)V形板平板復(fù)合結(jié)構(gòu)底裝甲的毀傷效果如圖11所示,對(duì)比圖9(f)可看出,單純的V形板產(chǎn)生輕微變形,沒(méi)有碎裂;復(fù)合板的V形板雖然毀傷較為嚴(yán)重,發(fā)生了較大程度的碎裂,但平板基本是完好的,在V形板后10 mm處測(cè)得的最大超壓值為314.2 kPa,與不加平板測(cè)得的最大值652.3 kPa相比,減小了52.15%,較好的保護(hù)了車(chē)輛內(nèi)部的組件。

復(fù)合結(jié)構(gòu)的V形板會(huì)有較嚴(yán)重破壞,是因?yàn)閺?fù)合板中平板對(duì)爆炸沖擊波的阻擋作用,引起爆炸沖擊波反射,對(duì)V形板造成二次甚至更多次的沖擊,使V形板發(fā)生碎裂。通過(guò)對(duì)比說(shuō)明復(fù)合板比單純的V形板具有更好的抗毀傷能力。

圖11 爆炸沖擊波對(duì)V形平板復(fù)合裝甲結(jié)構(gòu)的毀傷效應(yīng)

3.4 爆距對(duì)毀傷效應(yīng)影響分析

采用控制變量法,在只改變爆距l(xiāng)、不改變其他條件的情況下進(jìn)行爆炸沖擊波毀傷效應(yīng)仿真計(jì)算。爆距l(xiāng)分別取100 mm、200 mm、300 mm、400 mm和500 mm,其余條件為:炸藥為B炸藥,炸藥質(zhì)量m=5 kg,裝甲板厚度h=20 mm,材料為均質(zhì)裝甲。爆距不同條件下,爆炸沖擊波對(duì)裝甲板的毀傷效應(yīng)對(duì)比如圖12所示。

從圖12可以看出,當(dāng)爆距l(xiāng)=100 mm時(shí),裝甲板完全碎裂,已經(jīng)失去了防護(hù)性能,隨著爆距的增高,爆炸沖擊波對(duì)裝甲板造成的毀傷越來(lái)越小,當(dāng)l=500 mm時(shí),裝甲板只是一小部分碎裂,保存著一定的防護(hù)能力。輕型裝甲車(chē)輛一般是受地面的地雷、簡(jiǎn)易爆炸物的毀傷,要讓爆距增大,就意味著裝甲底板離地面越遠(yuǎn)。這將帶來(lái)裝甲車(chē)輛高度增加的問(wèn)題,所以,也不能一味得靠提高底板距地高度來(lái)提高防爆炸沖擊波能力,需要根據(jù)輕型裝甲車(chē)輛總體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化取值。

圖12 爆距不同時(shí)爆炸沖擊波對(duì)裝甲底板毀傷效應(yīng)對(duì)比

4 結(jié)論

文中進(jìn)行了爆炸沖擊波對(duì)輕型裝甲車(chē)輛底部毀傷效應(yīng)的數(shù)值模擬與分析,獲取了主要參數(shù)對(duì)毀傷效應(yīng)的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下:

1)相同條件下,底裝甲板厚度越大,抗爆炸沖擊波毀傷效能越好。但是裝甲板較厚時(shí),即使板沒(méi)有出現(xiàn)裂縫,也會(huì)對(duì)人員會(huì)造成嚴(yán)重傷害甚至引起死亡,所以急需新型防爆炸沖擊波底板結(jié)構(gòu),將爆炸沖擊波阻隔在裝甲底板前端。

2)相同條件下,密度越大、強(qiáng)度越高的裝甲材料對(duì)爆炸沖擊波的抵抗能力越強(qiáng),中間夾有陶瓷的復(fù)合裝甲的抗毀傷性能優(yōu)于用同種材料制作的均質(zhì)底裝甲。對(duì)于文中分析的材料,抗爆炸沖擊波能力由高到低依次為:復(fù)合裝甲、均質(zhì)裝甲、STEEL 1006、AL 2024。

3)相同條件下,V形板能起到較好保護(hù)作用,抗爆炸沖擊波毀傷能力優(yōu)于平板;V形板角度數(shù)越大,抗毀傷性能越好,不過(guò),當(dāng)角度增加到一定值時(shí),對(duì)防爆炸沖擊波能力的提高作用就不是很明顯。考慮到角度對(duì)車(chē)底高度的影響,認(rèn)為10°的取值較好,有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4)相同條件下,底板距離爆炸點(diǎn)越近,爆炸沖擊波造成的毀傷越大。但是過(guò)高的底板高度會(huì)使裝甲車(chē)輛更容易被發(fā)現(xiàn)擊毀,需要根據(jù)車(chē)輛總體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化取值。

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NumericalSimulationonDamageEffectsofShockWavetoLightArmoredVehicleBottom

LI Xiangrong1,TIAN Yantai1,LI Shuai1,LI Fan2,WANG Guohui1

(1 Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China; 2 Military Representative Office of General Armament Department in Changzhi Area,Shanxi Changzhi 046010,China)

Blast shock wave damage effects were analyzed and main influence parameters about light armored vehicle bottom damage effects against blast shock wave were identified,which based on damage rule was researched using numerical simulation method.Finite element models were built using non-linear dynamics software of AUTODYN.Influence rules about bottom armor damage effects affected by such key parameters as bottom armor thickness,material,construct and explosion distance were studied.Results show that the single metal structure in homogeneous armor protection has the best optimal performance and dural’s protective performance is the worst.When the angle is 10 degrees,V armor structure comprehensive protective performance is the best.After installing mounted flat,anti-damage ability is stronger.Results can provide reference to light armored vehicle bottom defense and damage effectiveness assessment.

blast shock wave; light armored vehicle; damage effects; damage criterion

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.013

2016-06-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(11502302)資助

李向榮(1980-),女,教授,湖南南縣人,博士,研究方向:彈藥毀傷效能評(píng)估與裝甲裝備防護(hù)技術(shù)。

TJ012.4

A