含蜂窝夹层的V型底部复合装甲仿真研究.pdf

第 36 卷第 1 期 2019 年 3 月 爆破 BLASTING Vol． 36No． 1  Mar． 2019 doi 10． 3963/j． issn． 1001 －487X． 2019． 01． 007 含蜂窝夹层的 V 型底部复合装甲仿真研究* 李鹏， 周云波， 王显会， 周迪， 孙晓旺 南 京理工大学 机械工程学院， 南京 210094 摘要 车辆底部的抗爆炸冲击问题一直是防护型车辆领域的研究重点。为了提高车辆底板的抗爆炸冲 击能力， 利用 LS- DYNA 软件， 采用任意拉格朗日欧拉算法 Arbitrary Lagrange- Euler， ALE 对爆炸冲击作用 下某车辆台架 V 型底部结构响应进行了仿真分析。首先通过对比仿真结果与试验结果， 验证算法的准确 性， 然后在 V 型底部结构中安装单层横向、 纵向以及双层横向 3 种不同形式的蜂窝夹层结构， 通过比较不同 蜂窝夹层结构在爆炸冲击载荷作用下能量吸收、 底板变形量和底板加速度等物理量， 分析了不同蜂窝夹层结 构的防护性能。结论是 双层横向蜂窝夹层结构吸收能量最多， 底板变形和加速度最小， 防护性能最好。 关键词 车辆底部结构;爆炸冲击;任意拉格朗日欧拉算法;蜂窝夹层 中图分类号 TJ01文献标识码 A 文章编号 1001 －487X 2019 01 －0044 －05 Simulation on V-shaped Bottom Composite Armor with Honeycomb Sandwich LI Peng， ZHOU Yun- bo， WANG Xian- hui， ZHOU Di， SUN Xiao- wang School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science ＆ Technology， Nanjing 210094， China AbstractThe explosion impact to the bottom of the vehicle has been the focus of vehicle protection． In order to study the anti- blast impact capability of the vehicle floor， Arbitrary Lagrange- Euler ALEalgorithm was introduced to analyze the response of a vehicle benchs V- shaped structure at the bottom to the explosion with LS- DYNA． Exper- imentation was conducted to verify the simulation results． Then， three different models of honeycomb sandwich struc- tures were installed in the V- shaped bottom structure． The energy absorption， floor deation and floor acceleration under the impact load of explosion were obtained， and the protective perance of different honeycomb sandwich structure is analyzed． A conclusion can be drawn that the double- layer horizontal honeycomb sandwich structure can absorb the energy maximally， the bottom plate deation and the acceleration are the smallest， and the protective perance is the best． Key wordsblast impact;vehicle bottom structure;Arbitrary Lagrange- Euler algorithm;honeycomb sandwich 收稿日期 2018 －11 －09 作者简介 李鹏 1994 － ， 男， 湖北仙桃人， 硕士研究生， 爆炸冲击 动力学、 车身结构安全， E- mail 15250983772163． com。 通讯作者 周云波 1980 － ， 男， 山东淄博人， 博士、 副教授， 车身结 构安全、 车辆底部防护技术， E- mail yunbo31983 163． com。 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51405232 ; 中央高校基本 科研业务费专项资金资助项目 30918011303 面对地雷、 简易爆炸装置 IED 等对装甲车辆 的威胁， 车身底部防护性能的好坏直接关乎车内乘 员的人身安全 ［1 ］。目前国内外主要采用 V 型来提 高车辆底部的抗爆炸能力。Anant Kendal 对 V 型车 体进行了试验和仿真研究， 分析了不同车体形状下 乘员的损伤响应， 结果表明 V 型底部结构能够致偏 爆炸冲击波， 有效减小爆炸冲击作用力， 降低乘员伤 害， 具有良好的防护性能 ［2 ］。张中英等对车身底部 加装不同 V 型角度结构进行了爆炸仿真分析， 仿真 结果表明 V 型结构能够减弱爆炸冲击波的破坏作 用 ［3 ］， 综合考虑防护性能和通过性能， V 型结构角度 取值 140最合适。然而， V 型车身底部结构最大不 足在于车身距地高度较大， 车辆操纵性差， 越野能 力差。 蜂窝材料作为多孔材料的一种， 具有优越的比 吸能和较大的比刚度、 比强度， 广泛应用于航空航 天 ［4 ］。而且其内部孔结构尺寸规则， 排列有序， 许 多学者对其进行了大量的研究。Taylor 等认为双层 蜂窝板比单层有更好的屏蔽效果［5 ］。孙京帅分析 了在面内冲击载荷作用下， 蜂窝材料的变形机制和 相应的能量吸收性能［6 ］， 并分析了胞元的几何尺寸 对蜂窝吸能、 质量及比吸能的影响。 采用 ALE 算法对某车辆台架在爆炸作用下的 动态响应进行仿真分析， 并对比了仿真和实车试验 结果， 验证了算法的准确性。然后， 在 V 型底部间 隙中采用全填充式方法布置单层横向、 单层纵向和 双层横向的蜂窝夹层结构， 采用相同爆炸边界条件 对其动态响应进行仿真分析， 对不同形式蜂窝夹层 结构的吸能、 车身底板变形和加速度进行对比分析， 为后续车辆车身防护研究提供一定的参考。 1算法与计算模型 1． 1算法 ALE 方法的一个重要特征是计算网格是基于 参考构形而划分的， 也就是说计算网格可以独立于 物质构形和空间构形运动。这样通过指定合适的网 格运动形式就可以准确地描述物体的移动界面， 并 使单元在运动过程中保持合理形状， 克服了纯拉格 朗日描述和纯欧拉描述的缺陷［7 ］。 计算采用多物质算法和流固耦合算法， 其中 多 物质算法用于计算地雷爆炸过程中爆轰产物的扩散 及空气冲击波的形成与传播; 流固耦合算法用于计 算爆轰产物和空气冲击波联合作用下车身的动态响 应。流固耦合算法中， 固体结构采用拉格朗日方法 进行描述， 流体域则采用 ALE 用于描述， ALE 方程 组如下 ρ t  ρui x 0 1 u i t cj u i x j 1 ρ ρ x i σij x j fi 2 σij － p ρ σij μ u i x j u j x i 3 式中 ρ、 p 和 μ 分别为流体的密度、 压力和粘性 系数;fi为体积力。 1． 2计算模型 某车辆台架模型如图 1 所示。车体整体采用焊 接结构， 并通过横向加强筋增加其刚度。底部防护 板通过焊接固定在车体底板的两侧。防护板厚 10 mm， 前围板厚度为 8 mm， 底板厚 10 mm， 防护板 与底板之间的间隙为 30 mm。 图 1车辆台架试验模型 Fig． 1Vehicle prototype test model 有限元模型如图 2 所示， 其中包括土壤、 空气、 炸药、 试验台架、 防护组件以及配重块。为了确保仿 真模型重量分布与整车试验相近， 在车体横梁上方 通过质量单元对整车模型进行配重处理， 配重后总 质量为 3340 kg。在车身、 防护板零部件网格划分 时， 网格单元尺寸控制在 10 ～20 mm 之间。空气与 炸药均采用六面体实体网格进行划分， 为了防止流 场单元尺寸过大而导致渗漏的问题， 空气网格采用 与车身底部结构网格大小相一致的网格单元尺寸。 台架有限元模型的单元数量为 26341， 节点数量为 24144。 图 2有限元模型 Fig． 2Finite element model 采用* CONSTＲAINED_LAGＲANGE_IN_SOLID 关键字定义底板以及防护组件与空气与土壤域的流 固耦合， 车体不同位置的焊接位置处节点采用关键 字* CONTACT_TIDE_NODES_TO_SUＲFACE_OFF- SET 连接。考虑到焊缝相对于母材属于薄弱区域， 计算中引入焊缝开裂失效准则。TNT 当量为 6 kg， 炸点位于车身中心正下方， 炸距为 400 mm。 1． 3材料模型及参数选取 计算所涉及的材料有 装甲钢、 土壤、 空气和炸 药。其中装甲钢采用双线性随动强化材料模型 * MAT_PLASTIC _KINEMATIC σy1  ε C 1 [] p σ 0 Etεeff p 4 54第 36 卷第 1 期李鹏， 周云波， 王显会， 等含蜂窝夹层的 V 型底部复合装甲仿真研究 式中 σy为初始屈服极限; Et为硬化模量;ε 为 应变速率。材料参数如表 1 所示 ［8 ］。炸药采用 * MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BUＲN 高速燃烧材料模 型和* EOS_JWL 状态方程， 其压力、 体积和内能之 间的关系为 P2 A 1 － ω Ｒ1 V e－Ｒ1V B 1 － ω Ｒ2 V e－Ｒ2V ωE 0 V 5 式中 P2为压力; E0为初始内能密度; v 为相对 体积; A、 B、 Ｒ1、 Ｒ2、 ω 为材料常数， 燃烧模型和状态 方程中的参数分别见表 2 和表 3［9 ］。空气采用 * MAT_NULL 空材料模型和* EOS_LINEAＲ_POL- YNOMIAL 线性状态方程， 其中状态方程形式如下 P3C0C1μ1C2μ2 C3μ3 C4 C5μ C6μ2 E2 6 式中 P3为压力; μ 为相对体积; E2 为单位体积 内能; C0～ C6为多项式方程系数， C0 0． 1 MPa， C1 C2 C3 C60， C4 C50． 4 MPa［10 ］。土壤采 用* MAT_SOIL_AND_FOAM 材料模型。 表 1装甲钢材料参数 Table 1 Armor steel material parameters 材料 密度 ρ/ kgm －3 杨氏模量 E/GPa 屈服强度 σy/MPa 硬化模量 Et/GPa 装甲钢7． 80 1032102100． 7 表 2 TNT 的材料参数 Table 2TNT material parameters 密度 ρ/ kgm －3 爆速 D/ ms －1 爆压/ MPa 爆热/ MJkg －1 1． 60 103693021 0004． 520 表 3 TNT 炸药的 JWL 方程参数 Table 3JWL equation parameters of TNT A/GPaB/GPaＲ1Ｒ2μ E0/ GJm －3 3713． 334． 150． 950． 309． 60 2模型验证 2． 1仿真分析结果 仿真结果的底板应力云图如图 3 所示， 爆炸过 程中冲击载荷作用于防护板， 产生变形， 从而带动底 板向上运动。车身底板应力最大值为 1060 MPa， 达 到了材料的屈服极限， 材料发生塑性变形， 但未达到 其强度极限， 材料未发生破坏。 底板位移云图如图 4 所示， 地雷放置在车身底 部中间正下方， 在爆炸冲击作用下， 车身底板中部发 生较大的变形， 最大值为 243． 4 mm， 但车身底板没 有发生贯穿性损伤。 图 3底板应力云图 Fig． 3The stress contour of floor 图 4底板位移云图 Fig． 4The displacement contour of floor 2． 2试验验证 底部防护结构的变形直观地反映了底板的抗爆 炸冲击能力， 底部防护板首先受到爆炸冲击载荷作 用， 抵抗冲击波与破片侵彻， 发生较大的变形冲击到 底板。图 5 中， 仿真过程中底板中心处产生了较大 的塑性变形， 底板的最大变形量为 243． 4 mm， 试验后 对底板变形进行测量， 根据测量的结果进行试验结果 拟合， 得到变形后的拟合形状， 底板中心处最大变形 量为230 mm， 仿真计算值误差为 5． 8。图 6 中， 仿 真过程中底板侧围发生较大变形使得横梁与底板的 焊接处焊缝失效， 与试验结果的形态基本一致。 仿真过程底板的最大位移、 横梁焊缝失效等均 与试验比较吻合。综上所述， 通过对比验证， 仿真精 度能够满足实际的工程需要， 通过流固耦合算法模 拟爆炸条件下车辆台架的结构响应是比较合理的。 3蜂窝夹层结构防护方案 3． 1蜂窝夹层结构形式 为了在不进行较大结构调整的前提下提高整体 64爆破2019 年 3 月 的防护性能， 在防护板与底板 30 mm 间隙中以完全 填充式方法铺设蜂窝铝， 形成蜂窝夹层结构， 根据实 际的工程制造要求共设计了以下 3 种不同形式的蜂 窝铝夹层结构， 如图 7 所示。 图 5底板拟合变形图与仿真变形云图 Fig． 5Bottom plate fitting deation diagram and simulation deation cloud diagram 图 6横梁焊接处失效图 Fig． 6Barrier welding failure diagram 图 7 3 种不同蜂窝夹层结构 Fig． 7Three different honeycomb sandwich structure 其中不同蜂窝结构胞元单元具有相同的长度， 高度不同 ［11 ］。蜂窝结构以胶粘的形式布置在防护 板与底板之间。在 V 型底部结构中采用全填充的 方式布置不同形式的蜂窝夹层结构， 如图 8 所示。 图 8全填充式蜂窝夹层结构布置图 Fig． 8Full- filled honeycomb layout map 蜂窝铝的基体材料为 AA3003 铝， 材料模型采 用* MAT_PLASTIC_KINEMATIC， 材料参数见表 4。 接触类型为面面接触* CONTACT_AUTOMATIC_ SUＲFACE_TO_SUＲFACE， 并设置自接触* CON- TACT_AUTO MATIC_SINGLE_SUＲFACE。 表 4铝的材料参数 Table 4Aluminum material parameters 材料 密度 ρ/ kgm －3 杨氏模量 E/GPa 屈服强度 σs/MPa 泊松比 μ AA30032． 70 103701100． 33 3． 2不同形式蜂窝夹层结构仿真结构对比 在相同的爆炸边界条件下， 对采用不同形式蜂 窝夹层结构的车身底部进行了仿真分析， 并以蜂窝 夹层结构的吸能、 底板的变形量以及底板的加速度 等指标评价蜂窝夹层结构的抗爆炸冲击能力。 3． 2． 1蜂窝夹层吸能分析 在爆炸冲击作用下， 车体系统能量急剧上升， 冲 击加载结束后系统总能保持不变， 车体发生结构响 74第 36 卷第 1 期李鹏， 周云波， 王显会， 等含蜂窝夹层的 V 型底部复合装甲仿真研究 应， 动能向内能转化， 内能上升， 动能减少。爆炸过 程中， 爆炸冲击波引起的应力波在车身中自下而上 的传播， 当应力波传播到蜂窝夹层结构时， 由于蜂窝 夹层结构具有较小的屈服应力和很大的压实应变， 会在应力波作用下发生持续的塑性变形， 将爆炸动 能转化为蜂窝夹层结构内能， 从而有效的吸收、 缓冲 爆炸冲击载荷。图 9 为不同蜂窝夹层结构的内能时 程曲线， 如图所示， 蜂窝夹层结构的内能快速增加， 达到最大值后基本恒定。单层横向、 单层纵向和双 层横向夹层结构所吸收的最大能量为 48． 3 kJ、 57． 9 kJ、 64． 9 kJ; 其中单层横向蜂窝夹层结构所吸 收的能量最少， 双层横向蜂窝夹层结构所吸收的能 量最大。 图 9不同蜂窝夹层结构内能时程曲线 Fig． 9Internal energy curve of different honeycomb sandwich structures 3． 2． 2底板变形量分析 在爆炸冲击作用下， 防护板首先受到冲击载荷 作用， 产生应力波， 应力波经由得蜂窝夹层结构， 最 终传递到底板。蜂窝夹层结构所吸收的能量越多， 传递到底板的应力波能量越小， 因此蜂窝夹层结构 吸能量与底板的变形量负相关。图 10 显示了不同 蜂窝夹层结构 总厚度及总长度相同 车身底板的 位移时间曲线。如图所示， 无蜂窝夹层结构车身底 板的最大变形量为 243． 4 mm。与之相比， 三种填充 蜂窝夹层结构的车身底板的变形都有所减小， 其中 单层 横 向 蜂 窝 夹 层 结 构 的 底 板 变 形 最 大， 为 233． 4 mm; 双层横向蜂窝夹层结构的底板变形最 小， 为 211． 2 mm。这说明蜂窝夹层结构， 尤其是双 层横向蜂窝夹层结构， 能够很好的吸收应力波能量， 削弱传递到车身底板的应力波强度。 3． 3． 3车身底板加速度分析 车身底板加速度直接作用于乘员， 是评价车身 抗爆炸冲击能量的一个重要指标， 底板加速度反映 了蜂窝夹层结构的削波吸能能力。图 11 显示了车 身底板加速度时程曲线。无蜂窝夹层结构底板的最 大加速度为 4． 43 104m/s2。与之相比， 三种填充 蜂窝夹层结构的车身底板的加速度都有所减小， 其 中双层横向蜂窝夹层结构底板加速度最小， 其最大 加速度为 2． 54 104m/s2。这说明蜂窝夹层结构， 尤其是双层横向蜂窝夹层结构， 能够很好的削弱传 递到车身底板的应力波， 降低对乘员的冲击。 图 10底板中心位移时程曲线图 Fig． 10Curve of the displacement time of the center of the bottom floor 图 11底板加速度时程曲线 Fig． 11Acceleration time history curve of bottom floor 4总结 以车辆台架为研究对象， 首先通过对比仿真和 试验结果， 验证了模拟方法的准确性; 然后对包含不 同蜂窝夹层结构的车身底部在爆炸冲击下的动态响 应进行了仿真， 通过分析仿真结果， 对比研究了不同 蜂窝夹层结构的抗爆炸冲击能力结论如下 1 采用 ALE 算法对爆炸作用下车身台架的动 态响应进行仿真， 对比分析仿真结果与实爆结果， 验 证了仿真方法的准确性。 2 蜂窝夹层结构在爆炸冲击作用下能产生较大 变形， 能够很好的吸收冲击波能量， 有效的减小底板的 变形和加速度， 从而可以提高车辆的底部防雷能力。 下转第 69 页 84爆破2019 年 3 月 ［ J］ ． Coal Mine Blasting， 2002 1 7- 9． in Chinese ［ 17］ 付佳佳， 陈必港， 尤涛， 等．“空孔效应” 对光面爆破效 果的影响分析［J］ ． 有色金属 矿山部分 ， 2017， 69 1 44-49． ［ 17］FU Jia- jia， CHEN Bi- gang， YOU Tao， et al． Analysis of the effect of “ empty hole effect“ on smooth blasting effect［J］ ． Non- Ferrous Metals Mine Part ， 2017， 69 1 44-49． in Chinese ［ 18］ 岳中文， 郭洋， 王煦， 等． 空孔形状对岩石定向断 裂爆破影响规律的研究［ J］ ． 岩土力学， 2016， 37 2 376- 382． ［ 18］ YUEZhong- wen， GUO Yang， WANG Xu， et al． Study on the influence of void shape on directional fracture blas- ting of rock［ J］ ． Geotechnical Mechanics， 2016， 37 2 376- 382． in Chinese 英文编辑 袁必和 上接第 48 页 3 采用的 3 种蜂窝夹层结构中， 双层横向蜂 窝夹层结构的吸能能力最大， 底板的变形和加速度 最小， 具有良好的抗地雷防护效果。 参考文献 Ｒeferences ［ 1］ 李补莲， 原树兴． 现代军用车辆的防护措施［ J］ ． 国外 坦克， 2011 5 39-41． ［ 1］ LI Bu- lian， YUAN Shu- xing． Modern military vehicles pro- tective measures［ J］ ． Foreign Tanks， 2011 5 39-41． in Chinese ［ 2］KENDALE A， AMEＲICAS T， JATEGAONKAＲ Ｒ， et al． Study of occupant responses in a mine blast using MADY- MO［C］∥47th Annual SAFE Symposium， 2009 204- 216． ［ 3］ 张中英， 何洋扬， 王乐阳， 等． 车底结构对爆炸冲击波 响应特性影响研究［C］∥全国仿真技术学术会议， 2009 123- 126． ［ 3］ZHANG Zhong- ying， HE Yang- yang， WANG Le- yang et al． Study on the influence of vehicle bottom structure on blast shock response［ C］∥National Conference on Simu- lation Technology， 2009 123- 126． in Chinese ［ 4］LIU Ping， LIU Yan， ZHANG Xiong． Internal structure model based simulation research of shielding properties of honeycomb sandwich panel subjected to high- velocity im- pact［J］ ． International Journal of Impact Engineering， 2015， 77 120- 133． ［ 5］ TAYLOＲ E A， GLANVILLE J P， CLEGG Ｒ A， et al． Hy- pervelocity impact on spacecraft honeycomb hydrocode simulation and damage laws［J］ ． International Journal of Impact Engineering， 2003， 29 691- 702． ［ 6］ 孙京帅． 蜂窝材料面内冲击吸能性能优化及在电动汽 车耐撞性设计中的应用［D］ ． 大连 大连理工大学， 2013． ［ 6］SUN Jing- shuai． Optimization of the energy absorption characteristic under in- plane crushing and application to the electric vehicle crashworthiness design of honeycomb material［D］ ． Dalian Dalian University of Technology， 2013． in Chinese ［ 7］ 张雄， 陆明万， 王建军． 任意拉格朗日- 欧拉描述法研 究进展［ J］ ． 计算力学学报， 1997， 14 1 91- 102． ［ 7］ ZHANG Hong， LU Ming- Wan， WANG Jian- jun． Advanced Lagrangian- Euler Description ［ J］ ． Journal of Com- putational Mechanics， 1997， 14 1 91- 102． in Chinese ［ 8］ 陈学军， 杨学文， 张永珍． 地雷爆炸作用下装甲车辆底 部防护 结 构 优 化 仿 真 研 究［J］ ． 兵 工 学 报， 2014， 35 2 353- 357． ［ 8］CHEN Xue- jun， YANG Xue- wen， ZHANG Yong- zhen． A simulation study of structural optimization of armor vehicle bottom protection under the landmine explosion［J］ ． Acta Armamentar， 2014， 35 2 353- 357． in Chinese ［ 9］ 李丽莎， 谢清粮． 基于 Lagrange， ALE 和 SPH 算法的接 触爆炸模拟计算［ J］ ． 爆破， 2011， 28 1 18- 27． ［ 9］LI Li- sha， XIE Qing- liang． Numerical simulation of con- tact explosion based on Lagrange， ALE and SPH［J］ ． Blasting， 2011， 28 1 18- 27． in Chinese ［ 10］ＲANDEＲS U， BANNISTEＲ K． Air blast loading model for DYNA2D and DYNA3D， ADA322344［Ｒ］ ． Mary- land US Army Ｒesearch Laboratory， 1997． ［ 11］ 王显会， 师晨光， 周云波， 等． 车辆底部防护蜂窝夹层 结构抗冲击性能分析［J］ ． 北京理工大学学报， 2016 11 1122- 1126． ［ 11］WANG Xian- Hui， SHI Chen- guang， ZHOU Yun- bo， et al． Impact resistance analysis of honeycomb sandwich structure for the vehicle bottom protection［ J］ ． Transac- tion of Beijing Institute of Technology， 2016 11 1122- 1126． in Chinese 英文编辑 何松 96第 36 卷第 1 期于飞飞， 张娜， 张宪堂， 等水平层状岩隧道炮孔参数优化及爆破成形研究