某轻型防护越野越野越野越野车辆防火设计方案的验证

某轻型防护越野越野越野越野车辆防火设计方案的验证

随着现代作战方式的变迁，作战车辆呈现出从承载方式向法典转变的趋势。现代军用轮式越野车辆除了承担人员物资运输、后勤支援等传统工作外,其功用还在逐渐向武器装备机动平台、前沿作战平台等新领域扩展。为了适应这一形势的需要,轮式作战车辆正朝着“高机动、防护、信息、打击一体化”的方向进化。我国军方也在一直关注着此领域的动向,2009年国内某用户单位向我公司提了某轻型防护越野车的研制需求。该需求任务中,对此车的防护性能较为关注,且提出了具体的指标要求,这是新形势的需要,也是以人为本思想的体现。作为承制单位,在开发这个项目时,针对防护这方面,做了大量的调研和试验工作,这也正是本文阐述的主要内容。1要求的弹劾器指标根据该车的作战使用性能要求,某轻型防护越野车防弹车身的技术指标见表1。2材料选择2.1国内防卫钢板的性能对比防弹钢板既是防护材料又是结构材料,要求具有优良的防弹性能和工艺性能。选择合适的防弹材料不仅能够以较轻的重量代价获得良好的防弹性能和力学性能,提高整车制造精度,还能够降低制造难度和成本。由于军用车辆的特殊性,原则上必须采用国产防弹材料,而国内常用的防弹钢板有616钢、685钢等,较为先进的有A型钢和B型钢等。其中A型钢是在685钢的基础上通过化学成分优化、组织精细化控制和厚度公差精确控制等技术综合应用而获得的。针对车体侧面、后面和前面(未披挂)的防护要求,对国内防弹钢板A型钢、685和616钢防北约2级的性能进行了对比,如表2所示从表2可以看出,在达到防护指标要求的情况下,A型钢比685钢和616钢重量都要轻,具有一定的轻量化优势。而从调研结果来看,A型钢与685钢相比,前者生产工艺采用了更为先进的工艺生产,尺寸公差小。以5mm厚钢板为例,685钢实际控制为5.50mm,而A型钢尺寸公差精度提高,实际控制为5.1~5.2mm,如采用A型钢,仅此项可实现间接减重6%。且A型钢可采用冷弯工艺,有利于减少焊缝的产生。此外,A型钢在焊接时无需严格控制焊接参数,焊接质量良好,可提高生产效率,加工成本低。另外,从国际上看,发达国家同类型的轻型防护越野车辆如美军的JLTVA、意大利的LMV和俄罗斯的虎等,它们采用的基体防弹钢板主要有美国的Mil-A-46100、瑞典的Armox500T和法国Mars240等,它们的强度级别与A型钢同处于1700MPa级。A型钢、B型钢与国外防弹钢板力学性能对比见表3。A型钢和B型钢与国外先进水平装甲钢抗弹性能的比较见表4。从表3及表4中可以看出,在力学性能和防弹性能方面A型钢性能与国外先进防弹钢板的水平相当,B型钢性能则处于国际领先水平。通过对国内外普遍使用的防弹钢板的综合对比分析,A型钢的防弹性能良好,可以考虑用它作为车辆的主体防护材料。而B型因具有超高的力学性能,可以考虑用于车辆前部防护。2.2材料的选择防弹玻璃是从国内几家专业做防弹玻璃的厂家中优选出来的。按照GJB3030-97装甲车辆用防弹玻璃规范,通过实弹验证,最终选择了某防护公司的产品。前风窗玻璃采用69mm防弹玻璃,可达到前部的防护要求;车门防弹玻璃及瞭望孔防弹玻璃采用36mm厚度的防弹复合玻璃,在常温(自然温度)条件下,可达到侧面的防护要求。2.3壳体的性能试验2.3.1壳体的性能试验2.3.1.入射5mma型钢过程模拟为了进一步分析A型钢的防弹性能,利用模拟防弹过程最常用的有限元分析软件ANSYS/LS-DY-NA模拟计算了北约2级情况下的子弹入射5mmA型钢的过程。图1为子弹垂直入射5mmA型钢的模拟过程。模拟计算结果也表明,5mm厚度A型钢满足防护要求。2.3.1.b型钢板的性能依据某标准对5mm厚度的A型钢板进行防弹性能试验,75m射距内共射击11发,全部未穿透,其抗弹性能优于相同厚度的685钢,达到了北约2级的防护性能。A型钢表现出较好的抗多发弹打击能力,背面凸起明显,表现出良好的强度和塑韧性的配合(见图2)。而达到国际先进水平的B型钢板5mm达到北约2级安全距离小于50m。100m射距时,10mm厚度B型钢板即能达到北约3级的防护性能,如图3所示。2.3.1.钢板折弯件防节拍试验根据车体底部防手榴弹的要求,在某靶场进行了防手榴弹试验。防手榴弹结构如图4所示,底板为30mm钢板,4mmA型防弹钢板折弯件通过螺栓固定在底板侧面。4mmA型钢板折弯件防手榴弹试验结果如图5所示,可见结构件的顶板和侧面钢板都没有穿透,证实该厚度钢板可以满足车底防护要求。整个结构在冲击波作用下有少量变形,而折弯处和钢板其他位置无裂纹出现。2.3.1.钢板防破片的表征根据车顶防炮弹破片的要求,在总后靶场进行了防破片试验。采用国际通用的V50来表征钢板防破片的性能,试验结果表明,3mmA型钢板防破片的V50为724.1m/s。经过以上验证,不同厚度的A型钢达到了防枪弹、手榴弹、炮弹破片的指标要求,可以继续进行下一步测试。2.4工艺验证2.4.1a型钢冷弯曲试验良好的冷弯性能可以有效地减少焊缝的数量,从而提高防弹的可靠性。为此,根据国标GB/232-1999对5mm厚度A型钢进行冷弯曲试验。选择弯曲直径10mm、15mm、20mm、30mm和40mm系统地测试了A型钢的冷弯曲性能,结果如表4所示。A型钢板在弯曲直径大于4倍板厚(20mm)时,弯曲角达180°都无裂纹产生。试验结果表明A型钢具有良好的冷弯曲性能,与瑞典Armox500T相当,满足R(折弯半径)=4T(钢板厚度)的要求,见表5。2.4.2a型钢拉伸试验焊接是车体零件组装的主要连接方式,良好的焊接性能可以保证钢板焊接后热影响区小,减少抗弹薄弱区。而优良的焊接材料则能保证更高的焊接强度,减少或消除钢板焊接处在射击过程中撕裂,从而间接提高车体的抗弹性能。A型钢经过优化合金设计,在685钢基础上将Mn含量降低,使A型钢焊接碳当量明显比原685下降很多,明显改善了焊接性能。模拟工业条件采用某型焊条对A型钢进行焊接,焊接后无肉眼可见的裂纹。根据GB/T228-2002进行焊接接头拉伸试验,拉伸试样在焊缝处断裂,有一定的颈缩,抗拉强度达1000MPa以上,延伸率达到7.5%,,结果如表7所示。观察拉伸断口发现,断裂均在焊接材料上。根据GB/232-1999对焊接后的5mm厚度A型钢焊缝进行正弯曲试样,受拉面为焊缝正面,结果如表8所示。冷弯半径为10mm(即为2T,相当严格),受拉面为焊缝正面,弯曲角为90°时,正弯曲试样受拉面于焊缝上分别出现长12mm和15mm的裂纹,弯曲角为120°时,出现贯穿性裂纹。试样观察表明,裂纹出现处均发生在焊接材料上而母材(即钢板上)无裂纹,表明A型钢的焊接抗裂纹性能优良。3车辆的轻量化设计根据前面对A型钢、B型钢的阐述以及对A型钢的实弹测试验证、工艺测试分析,结合防弹指标要求,该轻型防护越野车车身顶部、底板、侧面、后面这4个部位的防护方案已经较为明朗,见表9。对于上表中所述的车辆部位,在成本控制下的轻量化设计上已经没有多少潜力可挖,而车辆的正前方需要防北约3级,相比其他部位稍显特殊,此处可以借助合理的防护方案,在不增加成本或增加很少的情况下,在满足防护指标的同时还能够以轻的重量使车辆获得较大的装载能力和较好的机动性。按照这个出发点,可以充分利用复合防弹设计和防弹板结构效应。另外,由于焊接的关系,会造成防弹板在焊缝和热影响区防弹性能下降,如何尽量减少或避免焊接影响,也是防护设计的重要组成部分。3.1实弹射击试验复合防弹设计可以充分利用各种防弹材料的优点,进一步提高抗弹性能,达到减轻车重的效果。北约3级的防护要求较高,垂直条件下防护此种穿燃弹时,A型钢所需的厚度比600A钢要厚一些,若采用600A钢与600A钢复合,虽然重量能够轻一些,但在车体上会涉及到600A钢与A型钢的焊接,使得车体焊接工艺变得复杂;若全部采用A型钢板,则重量会吃亏,而采用A型钢与600A钢复合的形式,可以兼顾防弹与减重。据此分析,对此方案进行了实弹射击试验。通过高强度螺栓将B型和A型钢板紧密贴合在一起。抗弹实验结果见表10,可见在100m射距时,经过5发弹打击后,正面B型钢板均被击穿,而5mmA型钢板背面全部为合格损伤,证实该复合结构完全满足车体正面抗弹性能要求。根据这个试验结果,该车正前方发动机进气格栅周围、前轮罩后部部分与子弹射入方向近乎垂直,可以在A型钢的基础上披挂6mm的B型钢,达到防弹指标要求,见图6。3.2结构倾斜下的钢板抗弹力试验利用结构倾角效应是目前国际上常用的防护设计方法,合理的结构倾角设计能进一步提高车体的防弹性能,结构倾角设计已在车型防护上得到成功应用。在该车的车体防护设计中也充分考虑了结构倾角效应。A型钢板在弹丸倾斜入射时的抗弹性能测试结果见表11。在射击距离均为100m时,倾斜放置的4mmA型钢板需要较大的倾斜角度才能达到北约2级标准,而垂直放置的5mmA型钢板在85m即可防住同类弹丸。这说明在防北约2级情况下,倾角效应不是十分明显。垂直放置的12mmA型钢板在射击距离为100m时,无法达到北约3级的防护要求,被击穿。而在同样的射击条件下,倾斜放置的4mm钢板(安全角为60°,62°)却能防住。与之类似,6mm、5mm钢板在防北约3级的情况下也有很显著的倾角效应。这为车辆结构设计提供了极其重要的依据,可实现车辆减重。在弹丸倾斜射击条件下,钢板的抗弹效果有所增强。入射角为30°时,8mm的A型钢防弹钢板能防达到北约3级的标准,厚度增加到10mm时,安全角进一步降低到23°。而在24°入射角时,8mm厚度的B型钢板即能防北约3级,如图7所示。图8即为该车的8mm厚的前风窗板,因为结构倾角效应的存在,即可满足正面防北约3级要求。除了上述的实弹试验,还模拟了与北约3级相当的子弹从正前方入射驾驶室的实际情况,在总后靶场进行间隙和倾斜效应的试验,如图9(a),采用4mm钢板和4mm钢板复合,前方4mm钢板倾斜76°,后方背板垂直放置,两块钢板最近端距离400mm,远端距离1500mm。弹击后,第一层钢板穿透,但弹丸在穿过第一层钢板的同时,弹丸破碎,飞行姿态发生很大改变,第二层4mmA型钢没有穿透,见图9(b)。靶试结果表明:此种模拟驾驶室的4mm(76°)+4mmA型钢组合在充分利用结构效应的情况下,可达到北约3级的防护要求。见图10,该车的发动机罩处正是利用上述的防弹板结构效应达到减重的目的,图中所示标记为亮色的部分与子弹射入方向成约76°角,为厚度4mm的A型钢,该板的后方即为构成驾驶室底板的4mm厚A型钢板。3.3a型钢板焊接按照前面的实弹验证,5mm的A型钢板是可以达到北约2级的防护要求的,但是将两块A型钢板焊接,射击点选择在焊缝处时,样板随即被子弹穿透,见图11。证明焊接之后,A型钢焊缝附近的防弹能力有了一定程度的下降,焊缝成了整个车身上的薄弱点。为了解决此问题,可以从减少焊缝数量、提高焊缝本身强度及焊缝后内衬防弹板等三个方面来做工作。3.3.1钢板折弯件的使用为了减少焊缝数量,可充分利用A型钢良好的冷弯曲性能,在兼顾成本的情况下,尽量采用折弯件来代替焊接件。图12为该车白车身实物照片,可见该车白车身广泛使用了钢板折弯件,尤其是在大尺度范围内实现了钢板的折弯。由图12(a)可见,整个突击车侧围仅由前围侧板和后侧围板两个钢板折弯件构成,最大限度的利用钢板折弯以减少焊缝,有效提高了整车的防护性能,并使车辆外形更加美观。图12(a)中的前地板两边均折弯至90°,体现出A型钢良好的折弯性能。图12(b)中轮罩部件,原设计用钢板拼焊组成,利用钢板折弯件替换原方案后,车地板刚度有所提高,防雷性能明显改善。3.3.2实弹验证试验针对不同钢板采用合适的焊接材料,可以获得不同的防弹性能。为此,在制造该车车体时,专门采用了某型高强度焊材,取得了令人满意的结果。为此,特地做了实弹对比试验。与前述实弹验证的折弯件采用相同的结构,只是将原结构的折弯部位改成焊接连接,一侧采用普通焊材焊接,另一侧采用某型高强度焊材焊接。在手榴弹爆炸后,焊接结构出现了图13所示损伤。由图13可见,结构件从低强度焊缝处撕裂,失去防护作用,而另一侧用高强度焊丝焊接的焊缝则保持完整。这表明焊接结构对防手榴弹的效果不如折弯件,而采用高强度焊丝焊接的焊缝结构防护性能强过低强度焊丝焊缝结构。3.3.3热加工成形技术采用合适的高强度焊材虽然可以明显减少焊接区域性能的下降程度,但是在人员活动空间等重点防护区域,还是存在一定的穿透风险。为此可以在重要焊缝位置采用内衬同规格的防弹材料的方法消除焊缝带来的影响。A型钢具有优良的热加工性能,可以在高温下进行加工和成形,变形小,无开裂。利用特殊的热成形技术,在成形的同时进行淬火,可成功生产出高强度的复杂热成形零件,如图14所示。借助A型钢的此种优势,将内衬材料