Метод прогнозирования стойкости к ударно-волновому воздействию несущих систем бронированных колесных машин с применением в конструкции пористых энергопоглощающих материалов

Анализируя конструкции и тактико-технические характеристики бронированных колесных машин можно заключить, что на протяжении 20-го века задача повышения проходимости, увеличения удельной мощности, наращивания огневой мощи была более актуальна, чем задача повышения уровня защищенности экипажей данной техники, несмотря на растущую огневую мощь оружия.

Начиная с 70-х гг. 20 века форма и тактика военных столкновений сильно поменялись. Форма военных столкновений от прямого боевого контакта смещается все больше в сторону применения методов партизанской деятельности. Для уничтожения военной колесной техники противник начинает применять тактику закладывания мин и фугасов на предполагаемых маршрутах её передвижения.

С 2003 по 2009 года по статистике [46, 47] потери войск НАТО в Иракской войне составляют: погибших — 4260 человек, раненных (только боевые ранения) — 31 102. По статистике известно, что 63% смертей приходится на случаи подрыва транспорта на самодельных взрывных устройствах (ВУ), фугасах.

Вследствие сложившейся ситуации в США была разработана и запущена государственная программа по созданию спецавтомобилей MRAP (сокр. от «mine resistant ambush protected», что в переводе, с англ. «защищенный от мин и нападения из засады») [2].

Бронеавтомобили типа MRAP — это колесные транспортные средства, построенные отчасти на узлах и агрегатах серийных военных автомобилей, имеющие высокую противоминную стойкость. Корпуса этих бронемашин спроектированы специально для противостояния подрывам на минах и самодельных ВУ, а в итоге для сохранения жизней членов экипажа [48].

Увеличение потребности войск в колесной технике типа MRAP столкнулось с отсутствием методов проектирования данных спецавтомобилей и методов использования различных как стойких к минному подрыву, так и поглощающих энергию взрыва материалов.

Перед разработчиками встают вопросы об оптимальной конструкции бронекорпусов, выборе компоновочных решений, материалов, используемых для повышения взрывозащищенности транспортного средства. Процесс решения данных задач дополнительно осложняется частой сменой тактических действий противника и видов, применяемых им, средств поражения. Об этом свидетельствует представленная в открытых источниках информация, поступающая из мест проведения военных и полицейских операций: в частности на территории Российской Федерации с Северного Кавказа.

Следует отметить, что по настоящее время оценка противоминной защищенности конструкций бронированных колесных машин (БКМ) осуществляется в процессе натурных испытаний. При данных видах испытаниях бывает трудно симитировать действие различных поражающих факторов, характерных для реальных военных условий. В свою очередь, испытания бронированной колесной техники характеризуются высокой стоимостью и значительной продолжительностью последующих доводочных работ. Также выявленные в ходе проведения натурных испытаний, которые, как правило, проводятся на заключительных этапах разработки, разного рода недостатки в силу определенных причин не могут быть устранены в полной мере, что в итоге снижает уровень взрывозащищенности образцов БКМ.

Таким образом, тема данной научной работы, связанная с оценкой противоминной стойкости (ПРМС)несущих систем (НС) БКМ, является актуальной.

Активное развитие компьютерной вычислительной техники и расчётных программных пакетов за последнее десятилетие позволило решать более сложные задачи в различных областях автомобилестроения за приемлемое, с практической точки зрения, время. Относительно тематики работы это позволяет более детально подходить к решению задач, повышения защищенности: рассматривать большее количество вариаций взрывного воздействия на несущую систему бронеавтомобиля, более точно оценивать прочностные характеристики корпусов, спрогнозировать живучесть экипажа.

Целью работы является обеспечение живучести экипажа БКМ при подрыве путем применения в конструкциях НС БКМ пористых энергопоглощаю-щих материалов (ПЭМ).

Для достижения цели в работе поставлены и последовательно решены следующие основные задачи:

• определены и обоснованы основные критерии оценки ПРМС НС.

БКМ;

• разработан способ компьютерного имитационного моделирования УВВ на НС БКМ;

• разработана компьютерная и математическая модели ПЭМ, позволяющие, используя численные методы, прогнозировать его физико-механические свойства;

• разработан метод прогнозирования ПРМС БКМ с применением в конструкции их НС ПЭМ;

• выполнено сравнение результатов расчетного и натурного исследования взрывозащищенности БКМ с целью оценки применимости и точности разработанного метода прогнозирования ПРМС.

В первой главе проведен анализ проблем обеспечения и оценки ПРМС НС БКМ и представлена информация о методах проведения оценки взрывозащищенности в настоящее время. Приведены основные поражающие факторы для БКМ. Проведен анализ конструкций серийных БКМ РФ на предмет уровня их противоминной защиты. Выполнен обзор ПЭМ и методов их изготовления. Представлена информация о возможностях современных программных расчетных комплексов. Обоснованы задачи исследования, решению которых посвящены остальные главы диссертации.

Во второй главе изложены теоретические основы физики взрыва и определены основные параметры взрыва в воздухе. Представлен способ компьютерного моделирования взрывного воздействия. Определены основные критерия определения ПРМС НС БКМ.

Третья глава посвящена анализу свойств ПЭМ, методу компьютерного моделирования структуры ПЭМ и разработке математической модели ПЭМ с целью прогнозирования его механических свойств.

В четвертой главе представлено описание разработанного метода прогнозирования уровня ПРМС НС БКМ, а также приведены результаты расчетной реализации данного метода на конкретном образце БКМ.

В пятой главе приведены результаты натурных исследований свойств выбранного опытного ПЭМ и ПРМС одного из серийных образца БКМ путем его подрыва. Выполнено сравнение полученных результатов с результатами расчетного эксперимента. На основании этого сравнения произведена оценка применимости разработанного метода для прогнозирования ПРМС НС БКМ.

В заключении приведены основные выводы и рекомендации по работе.

Научная новизна результатов выполненных исследований, выносимых на защиту, заключается:

• в определении критериев ПРМС НС БКМ, особенность использования которых заключается в одновременном учете прочности НС БКМ и возникающих вертикальных ускорений на частях тела членов экипажа;

• в разработке расчетной математической модели ПЭМ, отличающейся применением оригинальной геометрической модели ПЭМ, что по предлагаемому в работе алгоритму позволит на этапе проектирования при отсутствии данных о свойствах ПЭМ спрогнозировать механические свойства материала и применять их в дальнейших расчетах при оценке ПРМС образцов БКМ;

• в разработке метода прогнозирования ПРМС НС вновь разрабатываемых и серийных образцов БКМ, особенностью которого является оценка влияния применения ПЭМ в конструкции НС БКМ на повышение взрывозащищенности.

Практическая значимость работы состоит в комплексе организационно-методических мероприятий, направленных на выбор рациональных параметров конструкции НС БКМ при УВВ.

Основные результаты и выводы по работе.

1. Предложены и обоснованы критерии ПРМС БКМ: эквивалентные механические напряжения, позволяющие анализировать прочность конструкции НС, обеспечение которой необходимо для предотвращения затекания ударной волны внутрь бронекорпусов БКМ, и пиковые вертикальные ускорения, действующие на различные части тела не*более 0,015 с. Установлено, что использование данных критериев при исследовании ПРМС БКМ позволяет комплексно оценить влияние различных конструктивных и организационно-методических решений на уровень взрывозащищенности специальных БКМ.

2. Разработан способ компьютерного имитационного моделирования УВВ на БКМ, базирующийся на использовании основных зависимостей физики взрыва с применением численных методов. Путем аналитического сравнения основных зависимостей теории физики взрыва с зависимостями, представленными в программном коде функции СОИДУЕР, доказана приемлемая точность разработанного способа моделирования УВВ: результаты расчета пикового давления по функции СОКУЕР превышают на 6−15% результаты, полученные по формуле Садовского, что позволило сделать вывод о применимости данного способа моделирования УВВ при прогнозировании ПРМС БКМ.

3. Разработана программа-макрос с различными алгоритмами генерации компьютерной твердотельной модели ПЭМ в зависимости от требуемой пористости. На осноёе данных геометрических моделей разработан расчетный метод определения механических свойств виртуального ПЭМ. Качественные результаты натурных экспериментов по исследованию механических свойств пеноа-люминия подтвердили адекватность метода. Использование данного метода позволяет сформулировать требования к технологии производства ПЭМ для получения материала с необходимыми физико-механическими свойствами.

4. Разработан расчетный метод прогнозирования ПРМС НС при УВВ на БКМ, позволяющий проводить исследования по обеспечению живучести экипажа БКМ и влияния ПЭМ на снижение поражающего действия УВВ. Применение данного метода как на этапах проектирования новых, так и при модернизации существующих БКМ, позволит повысить уровень их ПРМС с существенным снижением временных затрат и стоимости доводочных работ. 1.

5. Выполнено сравнение результатов расчетного исследования ПРМС БКМ с результатами натурного исследования. Данным сравнением доказана адекватность и достаточная точность разработанного метода прогнозирования ПРМС БКМ. Относительная погрешность по вертикальным ускорениям при исследовании образца БКМ с разнесенным защитным экраном составила 30%, с защитным экраном с наполнителем из ПЭМ (пеноалюминия) — 26%.

6. В результате проведения исследований по оценке ПРМС БКМ доказано, что применение ПЭМ, в частности пеноалюминия, в конструкции НС БКМ существенно снижает уровень поражающего действия УВВ, а также приводит к уменьшению пластических прогибов листов днища бронекорпусов БКМ на 2040% в зависимости от физико-механических свойств ПЭМ, способа их установки на НС БКМ, и состава композиции защитной структуры с наполнителем из ПЭМ. 1.

Медицинский аспект связан с рассмотрением степени тяжести травм, получаемых экипажем и десантом БКМ при подрыве. В отечественной практике оценка взрывозащищенности БКМ в данном аспекте проводится экспериментальными методами с использованием животных. При этом применяется медико-биологическое описание травм с последующим заключением об их «тяжести». Исходя из этого заключения, эксперты делают выводы о совместимости полученных повреждений с жизнью.

За рубежом для этих целей на ранних стадиях проектирования используются расчетные методы, а при отработке прототипов — манекены. В этом случае для оценки взрывозащищенности используется несколько численных критериев, основанных на физиологии человека.

Повреждение экипажа при подрыве БКМ на мине.

В основе причин, вызывающих поражение экипажа и десанта БКМ при подрыве, лежат следующие физические явления:

• непосредственное действие на человека воздушной ударной волны при «затекании» в корпус в случае его негерметичности или разрушения конструкции;

• действие на человека ударного импульса со стороны сиденья и элементов корпуса БКМ, который сообщает частям тела человека значительные ускорения, приводящие к повреждениям;

• механическое воздействие на человека осколков и элементов внутреннего оборудования кузова при их отрыве от мест крепления;

• динамический контакт человека с элементами конструкции внутреннего пространства бронекорпуса.

При непосредственном воздействии ударной волны на человека затрагиваются практически все органы и части тела человека: возможны травма головного и спинного мозга, органа слуха, брюшной и грудной полостей, сосудистой системы. В головном мозге в основном поражаются мелкие сосуды и капилляры, что приводит к вторичным нарушениям, микроциркуляторным расстройствам, отеку, набуханию и дистрофии. В легких выявляются кровоизлияния, часто расположенные по ходу ребер, отмечается полная гепатизация (воспалительное уплотнение) доли и даже целого легкого.

Случай затекания ударной волны в корпус БКМ и непосредственное воздействие на экипаж и десант следует признать критическим, поскольку он приводит к тяжелым и разнообразным травмам. Следовательно, при проектировании корпусов БКМ необходимо обеспечить выполнение прочностного критерия, что позволит исключить данного вида травмы.

При отсутствии «затекания» ударной волны в корпус основным поражающим фактором при подрыве БКМ являются пиковые ускорения, приобретаемые отдельными органами тела человека. Большое влияние на тяжесть получаемых травм оказывает не только величина ускорения, но и время воздействия.

При подрыве на мине члены экипажа БКМ необорудованной специальными креслами с удерживающими ремнями могут хаотично перемещаться и в случае ограниченного пространства по вертикали возможны удары головой о крышу бронекорпуса и как следствие гематомы, переломы черепа, разрушение шейных позвонков.

Таким образом, для комплексной оценки ПРМС БКМ необходимо наличие оценочных критериев, характеризующих степень повреждений.

В настоящее время в России отсутствует документ, который описывал бы критерии для оценки повреждений, возникающих в результате подрыва на мине и методику расчета. При получении повреждений человеком либо в автомобильной аварии, либо на производстве, оценка их степени тяжести осуществляется с помощью нормативно-правого документа «Правила определения степени тяжести вреда, причиненного здоровью человека» (1993 г.). Под вредом, причиненным здоровью человека, понимается нарушение анатомической целостности и физиологической функции органов и тканей человека в результате воздействия физических, химических, биологических и психических факторов внешней среды.

Вред, причиненный здоровью человека, определяется в зависимости от степени его тяжести (тяжкий вред, средней тяжести вред и легкий вред) на основании квалифицирующих признаков, основными из которых являются: а) в отношении тяжкого вреда — потеря зрения, речи, слуха либо какого-либо органа или утрата органом его функцийпсихическое расстройствонеизгладимое обезображивание лицазначительная стойкая утрата общей трудоспособности не менее, чем на одну третьполная утрата профессиональной трудоспособностиб) в отношении средней тяжести вреда — длительное расстройство здоровьязначительная стойкая утрата общей трудоспособности менее чем на одну третьв) в отношении легкого вреда: кратковременное расстройство здоровьянезначительная стойкая утрата общей трудоспособности.

Как видно из описания, такая качественная оценка может быть применима только после конкретного чрезвычайного случая.

При проведении натурных испытаний по оценке ПРМС БКМ в подавляющем большинстве случаев используют животных с различными порогами переносимости ударной волны.

В основном для оценки используют крыс (кроликов) и свиней. Первые имеют большую уязвимость при взрывном воздействии, тем самым по их поведению и состоянию после подрыва определяют (коррелируют) степень и тип повреждения органов слуха, зрения человека. Свиньи по анатомическому и физиологическому устройству близки к человеку. С их помощью оценивают наличие внутренних повреждений брюшной полости, дыхательной системы, печени, определяют наличие баротравм внутренних органов. Также оценивают степень взрывного воздействия на суставы и опорно-двигательный аппарат. Но это тоже, так называемая, оценка постфактум.