張 琳, 張 澤, 姚李剛, 楊劍波, 秦 將, 潘 登, 王軍龍*

(1.北京航天控制儀器研究所， 北京 100039； 2.中國人民解放軍96609部隊， 寧夏 750000；3.中國人民解放軍32184部隊， 北京 100093)

防爆駕駛操作艙(簡稱防爆艙)作為一種防爆艙室，主要是為了確保操作駕駛?cè)藛T在處置地雷、炸彈等爆炸物的安全。近距離的艙外爆炸物爆炸，防爆艙結(jié)構(gòu)承受較大的爆炸破片和爆炸沖擊波的聯(lián)合載荷作用[1-3]，可能會對駕駛操作人員的人身安全造成危害，在滿足對破片的防護(hù)能力后，其對沖擊波超壓防護(hù)顯得尤為重要。

針對防爆艙類似的安全性設(shè)計，李峰等[4]分析了爆炸沖擊波對裝甲車輛的毀傷效應(yīng)，表明毀傷程度隨裝甲厚度和炸高增加而減??；范俊奇等[5]試驗研究了爆炸沖擊波作用下工事艙室內(nèi)動物損傷效應(yīng)，獲得了兩種不同情況下的動物損傷閾值；李營等[6]設(shè)計了多艙結(jié)構(gòu)，研究了艙內(nèi)爆炸下毀傷特性，測量了破片及沖擊波數(shù)據(jù)，分析了不同的毀傷模式；陳長海等[7]研究了近距空爆載荷作用下雙層防爆艙壁結(jié)構(gòu)的抗爆性能，表明雙層艙壁結(jié)構(gòu)在沖擊波載荷作用下能夠有效避免局部撕裂失效的破壞模式;目前防爆方艙防爆能力方面的研究較多，且多是對于子彈及破片的防護(hù)，對于近距離工作的防爆駕駛操作艙抗沖擊波性能的研究相對較少。

爆炸沖擊波的防護(hù)可驗證防爆艙的結(jié)構(gòu)強度和密封性能，如何驗證防爆艙對爆炸沖擊波的防護(hù)能力，面對爆炸的復(fù)雜作用過程，采用等效三硝基甲苯(trinitrotoluene，TNT)裝藥進(jìn)行靜態(tài)爆炸試驗可視為最能反映真實情況的一種手段。現(xiàn)針對某防爆艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，數(shù)值計算結(jié)構(gòu)強度，開展12 kg TNT在距離防爆艙9 m處的爆炸試驗研究，試驗結(jié)果可為防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計及對爆炸沖擊波的防護(hù)提供參考。

1 防爆艙設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

防爆艙采用整體式設(shè)計，由鋼構(gòu)框架和固定在框架內(nèi)的防護(hù)材料組成，防爆艙底部周圍用螺栓將框架固定在車輛平臺上。

為便于安裝防彈材料和提高框架的強度和剛度，選用Q345B角鋼作為框架構(gòu)件，相互焊接，各種角鋼的截面尺寸根據(jù)防護(hù)材料安裝要求而定，框架如圖1所示。

圖1 防爆艙框架實物圖Fig.1 Real diagram of explosion-proof cabin frame

1.2 防護(hù)材料

針對防爆艙的6個面采用不同的防護(hù)材料和不同厚度來設(shè)計，前面觀察窗安裝150 mm厚防爆玻璃，滿足對人員駕駛和操作的便捷，防爆玻璃的四周及其余部位均安裝150 mm厚復(fù)合防護(hù)材料，左側(cè)面設(shè)計進(jìn)出門，左右側(cè)面防護(hù)材料的安裝與前面一致，頂面、底面和背面安裝50 mm厚度的防彈鋼板進(jìn)行防護(hù)，防爆艙外形示意圖如圖2所示。

復(fù)合防護(hù)材料的組合形式為從前面至背面的安裝依次為陶瓷、鋼板和高強纖維[8-9]，通過前后骨架結(jié)構(gòu)焊接進(jìn)行壓緊固定，安裝時用鋼條與框架結(jié)構(gòu)點焊，達(dá)到固定防護(hù)材料的目的。

圖2 防爆艙示意圖Fig.2 Schematic diagram of explosion-proof cabin

1.3 密封設(shè)計

防爆艙與車輛平臺各連接螺釘處增加密封墊，整體連接之間采用密封海綿填充；防彈材料與角鋼接觸處、防彈材料與防彈材料對接處均涂抹密封膠進(jìn)行密封；透明裝甲四周加注彈性玻璃膠密封防松；防爆艙進(jìn)出門框上均安裝雙層B型橡膠密封條，確保進(jìn)出門緊閉時的密封性。

進(jìn)出門設(shè)置閉鎖裝置2組，一組為通常關(guān)閉用的閉鎖軸，手柄轉(zhuǎn)動式；另一組為緊急閉鎖裝置，當(dāng)受到外界沖擊波超壓時，門與門框瞬間緊閉，壓縮密封條，鎖頭進(jìn)入鎖芯，撥動雙片彈簧，制動閉鎖，防止門反彈，確保密封效果。

2 數(shù)值分析

2.1 爆炸參數(shù)

根據(jù)常規(guī)武器爆炸在空氣中的沖擊波參數(shù)，根據(jù)爆炸物在地面爆炸理論，12 kg TNT在9 m處爆炸時的沖擊波、反射沖擊波和持續(xù)時間[10-11]計算公式如下。

(1)

當(dāng)ΔPm≤2.0時，反射沖擊波超壓值為

(2)

當(dāng)0.014≤ΔPm≤0.5時，沖擊波超壓作用時間為

(3)

式中:C為爆炸物的TNT當(dāng)量，kg；R為距爆炸中心的距離，m。

計算可得入射空氣沖擊波超壓峰值為ΔPm=0.069 MPa，反射沖擊波超壓峰值為ΔPrm=0.175 MPa，沖擊波作用時間為t+=0.006 7 s。

2.2 數(shù)值計算

采用ANSYS-LSDYNA軟件對防爆艙框架結(jié)構(gòu)抗沖擊波進(jìn)行數(shù)值計算[12]，計算采用三維模型，單元劃分采用三維實體solid 164單元[13]，計算模型如圖3所示。

整個計算模型由炸藥、空氣和防爆結(jié)構(gòu)三部分組成，其中炸藥和空氣采用歐拉網(wǎng)格建模，單元使用多介質(zhì)任意拉格朗日歐拉(arbitrary Lagrange-Euler，ALE)算法，防爆結(jié)構(gòu)采用拉格朗日網(wǎng)格建模，并且防爆結(jié)構(gòu)與空氣之間采用耦合算法[14]。

炸藥采用燃燒模型描述，該模型需要與JWL(Jones-Wilkins-Lee)狀態(tài)方程聯(lián)用，炸藥材料模型TNT參數(shù)如表1所示，其中ρ為炸藥密度，D為爆炸速度，P為爆炸壓力，A、B、R1、R2、ω為JWL狀態(tài)方程中材料常數(shù)。

空氣采用流體模型，狀態(tài)方程為線性多項式[式(4)]，具體輸入?yún)?shù)如表2所示[15]。

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E0

(4)

式(4)中：C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6為常數(shù)；μ為空氣即時密度與初始密度的比；E0為每單位體積的初始內(nèi)能。

防爆框架材料為Q345B鋼，其材料模型采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC，該模型適合用于梁、殼和實體單元?？蚣懿牧夏Ｐ蛥?shù)如表3所示。

1為炸藥；2為空氣；3為防爆艙圖3 計算模型圖Fig.3 Calculation model diagram

表1 炸藥材料模型參數(shù)

表2 空氣材料模型參數(shù)

框架上最大應(yīng)力發(fā)生在左側(cè)門上方水平梁上，如圖4所示，最大應(yīng)力值為62.8 MPa，小于Q345B鋼的抗拉強度，框架處于彈性變形范圍內(nèi)，整個結(jié)構(gòu)安全。

分析原因主要是防爆艙前面為迎彈面，防護(hù)材料及結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊波的作用時，會向艙內(nèi)方向移動，從而擠壓左右兩側(cè)框架結(jié)構(gòu)，由于左側(cè)面設(shè)計有進(jìn)出門，強度小于右側(cè)面，故應(yīng)力最大點發(fā)生在左側(cè)門上方水平梁上，符合實際情況。

如圖5所示，框架前上方沿沖擊波方向的水平位移最大值為0.122 cm；框架整體沿沖擊波方向的水平位移為0.048 cm。

表3 Q345B鋼力學(xué)參數(shù)

圖4 框架最大應(yīng)力單元及曲線圖Fig.4 Maximum stress element and curve of frame

圖5 框架位移曲線圖Fig.5 Displacement curve of frame

3 試驗設(shè)計

3.1 試驗內(nèi)容

沖擊波超壓試驗在某靶場進(jìn)行，采用12 kg TNT裝藥，對防爆艙進(jìn)行抗沖擊波超壓測試，試驗用防爆艙最大限度模擬艙內(nèi)實際環(huán)境。

試驗內(nèi)容主要包括：①考察防爆艙整體結(jié)構(gòu)的安全性；②監(jiān)測防爆艙內(nèi)外特定位置的沖擊波超壓峰值；③監(jiān)測防爆艙內(nèi)座椅位置的振動加速度；④監(jiān)測防爆艙內(nèi)的爆炸噪聲。

3.2 試驗裝置

沖擊波超壓試驗裝置示意圖如圖6所示，TNT藥柱放置在距離防爆駕駛艙正前方約9 m處位置，底部采用沙袋墊高約20 cm，沙袋位于尺寸為2.5 m×2.5 m，厚度為12 mm的鋼板上，鋼板下方為2 m深，長寬均為2 m的填充有細(xì)砂的砂坑，在TNT藥柱與防爆駕駛艙直線位置中間，采用地釘固定散布的方式進(jìn)行覆蓋，避免爆炸濺起碎石子損壞防爆駕駛艙表面。

圖6 試驗裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of the test device

防爆艙放置于高度約為1.5 m的沙袋堆碼上，模擬真實的車輛底盤高度，防爆艙底部焊接有金屬框架，沙袋堆壓在金屬框架上，模擬車輛底盤約束防爆艙X、Y、Z3個方向的運動。

3.3 試驗測量

為了測試防爆艙抗沖擊波超壓效果，試驗爆炸瞬間的沖擊波超壓、振動加速度及噪聲等，分別在相應(yīng)位置安裝了傳感器、聲級計裝置，如圖7所示。

在防爆艙前面外部、內(nèi)部分別安裝沖擊波傳感器，用以測試正面沖擊波及艙內(nèi)瞬時沖擊波。外部安裝3套沖擊波傳感器于防爆艙正面的左右位置，內(nèi)部3套放置于實際操作人員的頭部、胸部及腹部對應(yīng)位置。在防爆艙內(nèi)操作人員座椅相應(yīng)位置，分別安裝三向振動加速度傳感器，檢測人體接觸位置的振動加速度值。在防爆艙內(nèi)安裝2臺聲級計，監(jiān)測不同位置的噪聲值。

試驗傳感器類型、編號及詳細(xì)安裝位置如表4所示。

圖7 防爆艙外部及內(nèi)部傳感器布置示意圖Fig.7 Schematic diagram of external and internal sensor layout of explosion-proof chamber

表4 傳感器編號表

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 炸點位置情況

爆炸試驗結(jié)束后，用于支撐TNT炸藥的沙袋墊被炸爛，細(xì)砂散布到炸點附近，在爆炸位置正下方12 mm厚的鋼板上形成了直徑約300 mm、深約150 mm的坑，鋼板底部細(xì)砂從鋼板的四周噴射出，如圖8所示。

圖8 爆炸后炸點情況圖Fig.8 Explosion point diagram after explosion

4.2 防爆艙內(nèi)噪聲

模擬藥柱爆炸后，S-01聲級計的噪聲峰值最大為122.6 dB，S-02聲級計的脈沖噪聲峰值最大為135.1 dB，測量曲線及聲級計的峰值如圖9所示，小于非開放空間內(nèi)的脈沖噪聲峰值聲壓級容許值140 dB的要求。

圖9 聲級計測量值Fig.9 Measured value of sound level meter

4.3 防爆艙內(nèi)外聲壓

4.3.1 防爆艙內(nèi)壓力

由于防爆艙內(nèi)壓力峰值過低，1號、2號、3號3個壓力傳感器壓力曲線不明顯，圖10為內(nèi)置壓電傳感器的陣列傳聲器(integrated circuits piezoelectric，ICP)所測得的聲壓曲線，壓力峰值882.5Pa，持續(xù)時間約為1 472 ms，滿足脈沖噪聲在持續(xù)時間大于100 ms時，人員聽覺器官損傷的安全限值3.56 kPa的要求。

圖10 防爆艙艙內(nèi)聲壓變化曲線Fig.10 Sound pressure change curve in explosion proof compartment

4.3.2 防爆艙外壓力

防爆艙艙外共布置了3個壓力傳感器，分別為測點4、測點5和測點6，圖11為各測點壓力曲線，測點4處的壓力峰值最大為178.8 kPa，持續(xù)時間約為6 ms，測點5處的壓力峰值最大為156.6 kPa，持續(xù)時間約為6 ms，測點6處的壓力峰值最大為169.2 kPa，持續(xù)時間約為4 ms，求3個測點的平均值可知壓力為168.2 kPa，持續(xù)時間為5.3 ms，與理論計算的反射壓力175 kPa和持續(xù)時間6.7 ms相對比，誤差在5%以內(nèi)，驗證了試驗數(shù)據(jù)測試的準(zhǔn)確。

4.4 防爆艙內(nèi)振動加速度

試驗中G-01傳感器可采集頻率范圍為1～4 000 Hz，由于人體在振動頻率為4～8 Hz時人體耐受限最低，在處理數(shù)據(jù)時采用低通濾波的方式分別計算8 Hz時的加速度波形，座椅處3個方向的加速度曲線如圖12所示。

為了確保安全，預(yù)留3倍余量，分別處理了3個方向截斷頻率為8 Hz和24 Hz的振動加速度，統(tǒng)計座椅處各頻率下的振動加速度峰值及持續(xù)時間如表5所示。

由表5可知，座椅處在Y方向，低通濾波為24 Hz時的加速度峰值最大為15.41g(g為重力加速度)，持續(xù)時間為0.23 s；在X方向，低通濾波為8 Hz時的持續(xù)時間最大為0.94 s，此時加速度峰值為2.96g；從加速度峰值及持續(xù)時間進(jìn)行雙重考慮，其測量值均在人體承受的安全限制內(nèi)，滿足對人員的防護(hù)。

圖11 防爆艙艙外3個測點的壓力變化Fig.11 Pressure change at three measuring points outside the explosion-proof compartment

表5 座椅處加速度響應(yīng)

5 結(jié)論

(1)通過對防爆駕駛操作艙進(jìn)行防護(hù)設(shè)計，在數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行抗爆炸沖擊波超壓試驗研究，采集防爆艙內(nèi)部的脈沖噪聲、聲壓及座椅位置處的振動加速度，對比分析試驗數(shù)據(jù)與人員安全限值，其試驗測試數(shù)據(jù)均小于人員承受值，滿足人員的駕駛操作安全。

(2)該防爆艙的設(shè)計滿足對人員的安全防護(hù)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計、防護(hù)材料選擇及密封設(shè)計均可作為基礎(chǔ)，為近距離艙室結(jié)構(gòu)抗爆炸沖擊波的設(shè)計提供參考。