0 引言
现代及未来战争的作战样式是以城市化作战和反恐维和行动为主,相关数据统计表明,从二战至今的众多大小战场上,爆轰型地雷和简易爆炸装置(improvised explosive devices,IED)已成为装甲车辆的主要威胁[1-4]。随着现代战争及维和行动对车辆防护性能要求的提升,装甲车辆抗地雷和简易爆炸物爆轰的防护性能越来越受到世界各国的重视,抗地雷及简易爆炸物已成为装甲车辆的一项重要的防护能力需求[5-8]。
面对日益严重的底部威胁,美国陆军未来创新研究计划提出了“提高轻型战术车辆防护能力的智能防爆材料技术”、“超高强度和高硬度纳米铝复合防护材料”、“一种低成本超轻吸能防爆材料”(金属包覆陶瓷面板+铝合金泡沫吸能层+薄复合材料背板)、“新型多功能纳米复合材料开发应用”等多个创新研发项目。为有效合理考核、评价防爆组件设计的可行性、高效性,国外研究了装甲防爆效能考核与评价方法,并形成了完善的考核评价防护标准,现有2种公开的爆轰型地雷防护效能考核测试标准为南非的RSA-MIL-STD-37和北约STANAG 4569的AEP-55,两者均制定了详细的测试条件、方法、指标考核体系[9-10]。
而我国在装甲车辆底部防爆复合结构抗爆性能试验考核与评价领域还处于起步阶段。马洋洋等[11]通过数值仿真模拟对多层复合抗爆结构进行了优化设计,并通过缩比试验进行了验证,结果表明:最优多层复合抗爆结构可抵抗一定的爆炸载荷,且与数值仿真结果较为一致。沈志伟[12]通过数值模拟对钢-橡胶多层结构的抗爆炸性能进行了研究,结果表明2种材料组成的多层结构的力学特性与多层厚度的梯度有关。荣吉利等[13]利用ABAQUS数值模拟了铝蜂窝夹芯结构的抗爆性能,结果表明相比于背板厚度变化,面板厚度的变化对铝蜂窝夹芯结构抗爆性能指标的影响更显著。赵君临等[14]基于爆炸相似理论,利用缩比试验开展了防雷试验研究,结果表明按照相似理论缩小后的车辆响应情况与整车响应结果吻合度较高。现阶段国内主要还以模拟仿真计算和缩比试验为主,急需建立用于指导防爆复合结构抗爆性能试验考核与评价的方法与标准。
本文主要提出基于底甲板损伤等级和人体伤害/防护等级为防爆判据的台架试验方法和模拟舱体试验方法,建立了防爆复合结构抗6 kg TNT当量的试验平台,并对其进行了验证试验。
1 试验方法及评价
1.1 爆炸冲击载荷对人员损伤机制
爆轰型地雷或IED爆炸后,瞬间产生大量高温高压的反应气体,反应气体迅速膨胀将能量传递到周围介质当中,引起介质的压缩和运动。这种高密度能量快速传播使空气产生振荡而形成冲击波,在冲击波前沿压力值急剧上升,当冲击波到达空间某一点时,该点压力急剧上升,随后压力衰减至常压后,压力值继续衰减,在该点形成一定程度的真空度后恢复至常压。
爆轰型地雷或IED对装甲车辆的毁伤大多属于近场爆炸,这类爆炸冲击波对装甲车辆的损伤主要是造成车体底甲板的大变形,严重的将引起的车体焊缝开裂和结构失效,进而对车内乘员造成伤害。爆炸对车内乘员造成的伤害主要分为如下几种:一是车体破裂使得爆炸冲击波进入舱体对乘员造成的直接伤害,表现为软组织变形,爆炸震力造成的骨折,肺部震伤,胃肠伤害等;二是爆炸产生的碎片高速飞溅的土壤或土块以及车辆内部产生的碎片造成的伤害,表现为对身体(下肢尤甚)产生的穿透性伤害、表皮伤害等;三是车体结构完整的情况下,由于车体整体加速度以及底板变形产生的局部加速度,超出人体的耐受极限,巨大的轴向载荷造成下肢、骨盆和脊柱的伤害,该类型伤害目前最为严重[15]。
根据上述分析,本文依据爆炸冲击波造成车体底甲板的变形提出了台架试验方法,考核防爆复合结构对车体底甲板材料的防护效能。依据爆炸造成车内乘员的伤害提出了模拟舱体试验方法,评价防爆复合结构对车内乘员的保护作用。
1.2 台架试验方法
台架试验采用如图1所示的台架装置。在支撑台架上依次放置防爆复合结构、试验用基板、方管钢框、垫板以及相应的配重。6 kg TNT当量爆炸物在组合受试件几何中心下方爆炸,炸高400 mm(地面到基板下面的距离),爆炸物上表面埋置于地下(距地面深度100 mm)。炸药起爆后,通过观测基板的试验破坏情况,测量基板变形量,进而初步评估防爆复合结构的抗爆轰性能。
图1 台架试验现场布设示意图
Fig.1 Schematic diagram of the bench test site layout
表征防爆复合结构抗爆性能参数分别为最大瞬态变形值、稳态变形值以及损伤状态(裂纹、断裂)。在冲击波作用下,被防爆复合结构保护的基板的变形量不断增大,变形达到最大时,即出现最大瞬态变形值,然后变形呈震荡现象,变形值趋于稳态,也就是变形为恒定值,即稳态变形值。
本文台架试验采用基板稳态变形量以及损伤状态(裂纹、断裂)作为防爆复合结构抗爆性能的评价指标。
1.3 模拟舱体试验方法
模拟舱体试验采用模拟舱体附加防爆复合结构的试验方式如图2所示。模拟舱体为某装甲车辆的真实车体,组件安装在模拟舱体底甲板的下面。模拟舱体内部安装座椅,座椅上放置1套模拟假人测试系统(标准混合三型第五十百分位男性假人)。6 kg TNT当量爆炸物按照北约AEP 55中规定的标准加工定制,在组合受试件几何中心下方爆炸,炸高400 mm(地面到基板下面的距离),爆炸物药柱上表面埋置于地下,上面覆盖土壤厚度100 mm。炸药起爆后,主要根据模拟舱内超压和模拟假人测试系统的测试结果,完成人员的安全性评估。
图2 模拟舱体试验舱内假人布设图
Fig.2 Layout drawing of dummy in the simulated cabin test cabin
有关研究认为,判断装甲车辆防护能力有效性的基本指标为乘员的生存力。为此,本文制定了车内乘员各关键部位所能承受冲击过载(力)、超压等威胁的极限值,通过测试各部位的各关键部位所能承受冲击过载(力)、超压等来考核评价防爆复合结构抗爆性能。
采用标准混合三型第五十百分位男性模拟假人测试防护效能时,强制执行的防护效能判定指标及损伤阈值如表1所示。对表中各相关指标建立了对应的计算方法。
表1 模拟假人各部位防护效能判定指标及损伤阈值
Table 1 Evaluation index and damage threshold of protective effectiveness of various parts of simulated dummy
部位判定指标损伤阈值头部HIC15250颈部前倾弯矩/(N·m)190后仰弯矩/(N·m)77胸部胸部压缩量/mm30粘性指数/(m·s-1)0.7胸腰椎DRIz17.7股骨轴向力/kN6.9胫骨轴向力/kN5.4内脏胸部移动速度/(m·s-1)3.6
头部伤害标准(HIC)是头骨和大脑伤害风险的伤害评估参考数值。HIC数值是标准化的头部加速度最大整数值。
(1)
式(1)中: a为头部重心在g的合成加速度; t1和t2为事件持续时间中HIC取最大值的时刻。
颈部伤害指标,颈部的力与力矩应分别按照SAE J211给出的CFC1000和CFC600滤波。颈部力的峰值及其持续时间需确定。确定力量等级持续时间的方法在标准SAE J1727中给出。
胸腔压缩标准(TCC)是胸骨和脊椎间胸腔压缩量的评估标准,由胸腔压缩的绝对量确定,单位为毫米(mm)。
粘性标准(VC)是胸部区域的伤害标准。VC值(m/s)是胸腔变形速度和胸腔变形量的最大瞬时乘积。计算公式如下:
(2)
式(2)中: D为胸部压缩量。对于混合三型第五十百分位男性假人,scalingfactor常量为1.3,Defkonst常量为229 mm。
动态响应指数(DRIz)是胸部至腰部之间脊柱轴向挤压伤害的评估标准。DRIz是与脊柱挠度(压缩)有关的无量纲量。该挠度是2阶质点-弹簧-阻尼系统的输出量,该系统的输入量为骨盆垂向加速度。
大腿轴向压缩力:应连续计算2大腿(股骨)的压力方向的力的数值(Fz负方向)。 小腿轴向压缩力:应连续计算2条小腿(股骨)的压力方向的力的数值(Fz负方向)。
胸壁速度(CWV)模型:CWV模型用于评价冲击波对人体非听力器官造成的损伤。
2 验证试验结果及分析
2.1 被试品
“钢板+泡沫铝/蜂窝铝+钢板”组成构成的“三明治”防爆复合结构在继承了泡沫铝/蜂窝铝材料优良的吸能性能的基础上,又具有刚度大、强度高以及质量轻的优点,被广泛运用在军用车辆抗爆防护结构中。因此验证被试品选择某“三明治”防爆复合结构。该防爆复合结构主要以某高强高韧钢板作为迎爆面板,以某中强高韧性钢板作为背板,内部采用泡沫铝和蜂窝铝作为夹层吸能材料,各层之间均采用高强度胶粘连接。
2.2 台架试验方法验证试验结果
按照上述试验方法进行了台架试验方法验证试验。试验后采用HyperScan 717三维扫描设备测量了基板的稳态变形量以及损伤状态,台架验证试验结果如表2所示。
表2 台架验证试验结果
Table 2 The results of bench verification test
编号基板三维扫描图稳态变形量/mm147.451
由表2可知,爆炸后基板仅发生了形变,其稳态变形量为47.451 mm,这表明被试品对基板具有一定的保护作用。爆炸物起爆后,爆炸载荷首先作用于高强高韧钢板上,钢板通过弹性形变吸收部分能量,冲击波载荷进一步传递通过泡沫铝和蜂窝铝。泡沫铝材料通过孔隙的坍塌压实,蜂窝铝材料通过蜂窝结构的坍塌变形,进一步吸收冲击波能量,最后,再通过中强高韧性钢板弹性形变吸收部分能量,达到保护基板的作用。此外,验证试验结果还表明该台架试验方法能够直观、有效地考核防爆复合结构抗爆性能。
2.3 模拟舱体试验验证试验结果
按照上述试验方法进行了模拟舱体试验方法验证试验。舱内模拟假人各关键部位测试结果如表3所示。
表3 模拟假人各关键部位测试结果
Table 3 The test results of key parts of simulated dummy
部位评价指标损伤阈值测试结果头部HIC1525026颈部前倾弯矩/(N·m)19030后仰弯矩/(N·m)7719胸部胸部压缩量/mm3015粘性指数/(m·s-1)0.70.03胸腰椎DRIz17.78.0股骨轴向力(左)/kN轴向力(右)/kN6.94.43.6胫骨轴向力(左)/kN轴向力(右)/kN5.45.23.4内脏胸部移动速度/(m·s-1)3.60.9
由表3可知,在爆炸冲击波作用后,而模拟假人各项测试结果则均未超出损伤阈值范围。这表明在遭受爆轰型地雷或IED爆轰时,该防爆复合结构对车内模拟假人具有优异的保护性,也表明模拟舱体试验方法能够较为真实地考核防爆复合结构抗爆性能。此外,对各关键部位的测试结果与损伤阈值进行对比分析发现,下肢(胫骨、股骨)的测试结果与相应损伤阈值处于一个量级水平,而其他部位的测试结果较相应损伤阈值则低一个量级水平,这表明在爆炸过程中,人体下肢受车体整体加速度以及底板变形产生的局部加速度的影响最大,最容易受到巨大的轴向载荷造成的伤害。
3 结论
本文主要提出了基于底甲板损伤等级和人体伤害/防护等级为防爆判据的台架试验方法和模拟舱体试验方法,建立了抗6 kg TNT当量防爆复合结构的试验平台,并进行了抗6 kg TNT当量防爆复合结构抗爆性能试验。结果表明:
1) 基于底甲板损伤等级和人体伤害/防护等级为防爆判据的台架试验方法和模拟舱体试验方法,能够有效的指导防爆复合结构抗爆性能试验的开展,合理的考核和评价防爆复合结构的抗爆性能。
2) 抗6 kg TNT当量防爆复合结构具有良好的抗爆性能。在台架试验中,防爆复合结构显示出了较好的抗爆性能。在模拟舱体试验中,防爆复合结构对模拟假人具有多方位的保护性。验证试验的初步成功,对相关产品的后续研究提供了宝贵的技术支撑。
3) 鉴于近年来风云突变的国际局势,我国应加快装甲车辆底部防护技术开发的步伐,建立健全装甲车辆用防护标准体系,加强对爆轰型地雷和简易爆炸装置等威胁的防护研究,尽快提升我国装甲车辆的防护水平和防护级别。
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