轻型装甲车辆不同底板结构防爆性能比较分析*

李 帅,李向荣,田延泰,杨建兵

(1 陆军装甲兵学院兵器工程系,北京 100072;2 陆军装甲兵学院教保处，北京 100072)

0 引言

现代装甲车辆为提升基本防护能力,其中的一项重要改进措施就是改变轻型装甲车辆底部结构,以更好地降低地雷与简易爆炸装置对轻型装甲车辆的破坏效果[1-3]。现代主流装甲车辆为防范地雷与简易爆炸装置的袭击,在对底部结构的研究中,首先使用的新型结构是V型底板[4-5],美国“斯特赖克”系列装甲车则采用了W型结构底板,除此之外还有其他一些结果也开始受到关注[6-7]。文中对V型、W型、船型、波浪型、平板-船型等结构底装甲的轻型装甲车辆,在爆炸冲击波作用下的毁伤效应进行数值仿真研究,以车内同一位置的压力值,以及表征底板变形程度的位移量作为参量,与平板的防爆能力进行比较分析,为具有较强防爆能力的轻型装甲车辆底装甲结构设计与防护能力评估提供科学依据。

1 不同结构底板装甲车模型简化与构建

根据爆炸冲击波传播特性以及当前防地雷反伏击车结构情况[8-9],选取V型、W型、波浪型、船型、平板-船型等单一或复合结构做为轻型装甲车辆底部拟用结构。简化后的装甲车辆车体正视图,结合上述5种结构的计算模型如图1所示。数值模型构建过程中,假设射击孔等小孔对车体强度影响不大,直接略去较小开口及周边加强结构,但保留了泄压孔的位置;车体与底板模型材料全部采用钢。

车体基本尺寸为,宽度为3 000 mm,高度为1 500 mm;炸药采用TNT,质量相同,放置在中心轴线偏左侧车底下。图1中,V型板的角度为10°(角度是指平板与水平面的角度);W型板中,每个V形角度为20°,底板中间平板长度为1 000 mm;波浪型中的每个V型角度为30°,宽度为1 000 mm,厚度为10 mm;对于船型,两侧斜板角度为10°,底部平板长度为2 000 mm。

图1 具有不同底板结构的轻型装甲车辆计算模型简化示意图

2 防爆炸毁伤效应计算结果对比分析

2.1 底板附近压力比较分析

通过仿真计算,当TNT炸药在装甲车辆左侧底部爆炸时,装甲车辆车体内左半侧的压力明显高于车体内右半侧的压力。为了分析车体内部的压力值变化规律,在车体左1/2的范围内取四个观测点,从中心线起每间隔0.25 m取一个观测点,每种结构所取观测点距地面高度均为1.2 m,如图1(a)所示。每一种底板结构对应的观测点的压力变化如图2所示。

图2 不同底板结构在爆炸冲击波作用下观测点压力变化图

由于车体内是一个近乎封闭的空间,当爆炸冲击波传入车体内在观测点处产生第一个压力峰值,然后碰到车体壁板,发生反射、干涉、叠加与抵消等现象,最终传导到该观测点时会产生第二个峰值。从压力值曲线可以看出:整体上看,压力峰值是在不断减小的,但是在部分时刻可能由于多重冲击波的叠加会产生一个新的高峰值,例如V型底板中观测点C的第四个峰值,明显高于第二、三峰值。

比较图2(a)与图2(b),从压力变化曲线可以看出,波浪型板产生峰值的间隔与W型板基本相同,较V型板间隔更大。从最大压力值看,波浪型底板的压力最大值与船型板、V型板基本相同,较W型板压力值更低。为此,可以认为:爆炸冲击波在车体内产生了反射,由于W型板较V型板反射面更多,角度更大,因此,W型板压力值峰值出现的周期相较于V型板来说更短,叠加的也更多,更容易产生大的峰值。

对于船型底板,爆炸冲击波在车体内产生了反射、干涉和叠加,并在观测点产生了压力峰值。由于采用船型底板,相较于W型板,反射面减少,因此产生峰值的周期变大;与V型板比较,压力峰值产生的时间基本一致,间隔周期基本相同。

对于平板-船型,从压力变化曲线图可看出,峰值出现次数较其他结构有所减少,峰值有所降低。

2.2 底板位移情况分析

为了进一步分析底板的变形程度,在正对TNT爆炸点的底板上取一观测点,对不同结构底板的变形程度进行对比分析,以确定性能更好的轻型装甲车辆底部防爆结构。不同结构底板在爆炸冲击波作用下的位移,如图3所示。

从图3中位移变化可以看出,底板在爆炸冲击波作用下的位移可以分为两个阶段:第一阶段,炸药爆炸后,底板受到冲击波的作用,先向上运动,反映在图像上即曲线急速上升;第二阶段,冲击波穿过车辆底板进入到车体内部,一部分冲击波穿出车体,另一部分冲击波碰到壁板反射、作用到底板,造成底板向下运动,反映在图像上即曲线减速下降。

对于W型底板,B观测点即1957号观测点为正对炸药的观测点,且该观测点为W型板交接处,所受到的冲击压力最大,产生的位移量也最大。对于波浪型底板,其他结构底板一致,冲击波会在车体内产生反射并多次作用于底板,对底板产生一个向下运动的作用力,反映在位移图像上,位移量在快速上升达到峰值后,受到反射波的力,向下作减速运动。对于船型底板,第一阶段,装甲车辆底板受到爆炸冲击波的冲击,底板急剧变形、上升,位移量快速达到峰值;第二阶段,进入装甲车辆内部的冲击波产生了反射,作用在底板上,底板开始产生速度逐渐减小的下降运动。对于平板-船型,从曲线可以看出,与其他结构底板变形类似,先是急剧上升,然后减速下降,但其最大变化量有所减小。

图3 不同结构底板观测点及其位移比较

2.3 不同结构底板对底板毁伤效应对比分析

通过对五种主体结构(V型结构、W型结构、波浪型结构、船形结构、船型-平板型结构)仿真计算,取最大压力值和最大位移量,列于表1,表中还列出了研究过程中平板的最大压力值与最大位移量。

表1 不同结构的压力值与位移量表

注:W型结构的两个最大位移量测试点分别为顶点处与斜板中心。

从表1可以看出:W型结构底板的最大位移量与最大压力值明显大于另外四种结构,V型结构、波浪型结构、船型结构的压力值与位移量基本相同,船型-平板型结构的压力值与位移量明显小于另外四种结构。通过对这5种结构的对比分析,可以得到以下结论:

(1)平板结构的压力值明显大于其他结构的压力值,说明采用不同于平板的新型底板能够有效提升装甲车辆抗爆炸冲击波毁伤的能力;

(2)平板-船型结构的压力值明显小于其他结构的压力值,说明这两种结构的复合形式对于抗爆炸冲击波毁伤的能力能有显著提升;

(3)虽然平板-船型结构显著地提升了抗毁伤能力,但是车内空间大幅减小,影响车体高度和内部装备设置。因此,从抗毁伤能力、车内空间和车体高度综合考虑,轻型装甲车辆底部结构采用船型结构和V型结构更适用。

3 结论

文中进行了爆炸冲击波对轻型装甲车辆底部毁伤效应的数值模拟与分析,以压力值与变形程度作为衡量参数,对不同结构底板的防爆能力进行对比分析,主要有以下结论:

1)相同条件下,V型、W型、波浪型、船型等新型结构的装甲底板都能比平板起到更好的泄压作用,其抗爆炸冲击波能力明显优于平板。

2)V型、W型、波浪型、船型、平板-船型复合型这5种底板结构中,V型、波浪型、船型抗毁伤能力基本相同,平板型、W型底板较弱,平板-船型复合型效果最好。

3)各种结构在增强抗毁伤能力的同时也改变了车体高度、内部空间大小,在实际运用过程中,要综合考虑,合理选择,因此,现代轻型装甲车辆底部结构一般采用船型和V型结构。