在第二次世界大战,军队使用的汽车属于防护型车辆,其中包括乘用型防护车辆和运输型防护车辆,这些防护型车辆具备一定的防地雷冲击能力。在某些恶劣状况下,防护型车辆能有效的保证货完好,甚至乘员的生命安全。在最近20年,地雷变得更具有杀伤力和难以对付,其布置日益杂乱,很难被辨别。游击队员、恐怖分了和叛乱分子等利用地雷(同时还有大威力的简易爆炸装置IED,ImprovisedExplosiveDevice)对车辆进行针对性的伪装伏击,当地雷爆炸产生的巨大冲击波作用于车体后,会引起车体的变形和损坏,甚至会使得战斗室内的物品/设备从支架上脱落,它们会像高速运行的弹丸一样作用于乘员。由于车内设备的变形和破坏,将会对乘员造成挤压或撞击等性质的伤害。地雷的使用,不仅对装甲乘用车辆有严重威胁,并且对后勤车辆和运输车辆也造成了非常严重的后果。另外,当前维和行动和其它军事行动的特点,需要我们高度重视车辆乘员的生存能力以及货物的完整性,因此,防护型车辆需要具备足够的防地雷冲击能力。
在没有安装任何防地雷结构的情况下,地雷在装甲车底板下方爆炸,导致车体底板产生很大向内的弹/塑性变形,产生破裂或断裂的长度可达数十厘米M。车辆底部结构的严重变形将会撞击到驾驶室地板,会造成地板上方乘员损伤惨重,特别是直接与地板接触的乘员小腿。紧接着焊接或螺栓连接等安装件发生脱落,导致座椅安装松脱,甚至车内乘员脱离座椅,舱盖和舱门也可能因锁定部位和铰接部位分离而锁死。因此车体的连接非常重要,如果车体上的焊接和螺栓连接失效,可能会导致地板脱裂和座椅脱落,爆炸冲击波通过底部间隙进入车内,高压冲击波对乘员造成严重的损伤;并且座椅的脱落也无法体现防雷座椅吸能缓冲和保护人员的功能;此外失效的螺栓在冲击波作用下会使得螺栓成为一种新的致命物。为了保障乘员生存率,在研究某军用车辆地雷防护时,螺栓连接结构是重点研究对象。
螺栓连接是汽车非常重要的连接形式,在军队部门使用的车辆中,为了缓解传递到乘员腿部的冲击力,一般地板下方都会有很多新型吸能复合材料组成的结构,这些结构的连接主要是通过螺栓进行固定;在一些军用运输车辆中,支撑驾驶室和货箱的车架连接形式也是通过螺栓连接,并且在一些防护车辆中,考虑到防护组件的可拆卸性,防护组件与车架之间的连接以及车身与车架之间的连接也是通过螺栓固定,从而保证在良好路面环境下达到车辆减重目的。除此之外,螺栓还用于车架与发动装置、变速箱等各个独立总成之间的连接。鉴于螺栓在防护型车辆中的重要性,为了保证各个零件或者总成之间连接可靠和安全,在防护型车辆中使用的螺栓主要采用高强度螺栓,这种高强度螺栓比普通螺栓具备更强的抗压和抗拉能力,从而保证车辆使用的螺栓具备良好的连接性能以及在爆炸工况下承受更大的冲击。
高强度螺栓连接对车辆防护性能具有重大影响,在设计或者制造螺栓时,需要对车辆使用的高强度螺栓进行力学性能分析。在计算机仿真技术出现前,人们经常使用解析法或者试验法对螺栓连接的结构性能进行分析,随着科技发展,计算机技术日益成熟,为了节省时间、经费成本以及获得可靠的数据,有限元法应运而生。在螺栓连接结构中,正确的螺栓建模方式以及螺栓模拟精度是当前一大难点。目前,对于螺栓有限元仿真,大部分学者通过刚性体单元模拟螺栓连接,或者将螺栓与被连接件之间形成共节点模拟螺栓连接,使用这些连接方式模拟螺栓连接有较多缺陷,在仿真中很容易造成螺栓连接周边单元产生应力集中现象,导致在仿真中被连接件应力高于实际材料的许用应力,被连接件出现失效或破坏等现象,而在试验中,被连接件并未发生失效和破坏。因此,在仿真中使用刚性体单元代替螺栓连接不能精确预估螺栓连接结构的应力。高强度螺栓建模方式的区别,直接影响着螺栓建模繁琐程度、建模时间、模型计算时间和仿真精度等,在螺栓拧紧过程中,由于螺栓与螺母之间的挤压,螺栓受到预紧力作用,在普通螺栓模拟中,因为预紧力不大,所以经常忽略预紧力,而在高强度螺栓中,预紧力能达到几十千牛顿,甚至上百千牛顿。当前高强度螺栓仿真中,经常使用到的预紧力施加方法有温度法,紧配法和预应力法等,对于不同预紧力施加方法,得到稳态下螺栓预紧力的大小和应力值都不一样。因此研究某种螺栓模拟方法和预紧力施加方式对螺栓连接结构的仿真精度、降低复杂结构数值模拟的工作量、提高仿真效率以及为CAE结构分析提供参考具有重要意义。
因此,防护型车辆高强度螺栓连接对车身防护性能具有重大影响。
军用防护型车辆和战斗车辆都需要经过整车爆炸试验验证才能派上用场,为了规范整车爆炸试验,北约提供了一个约束整车爆炸试验的STANAG4569标准,目前世界大部分国家都采用这种试验标准验证车辆防护性能,通过试验得到的假人响应来评价车辆防护性能的好坏,这项爆炸试验标准给车辆结构设计带来一定的技术支持和参考方向。
但在实际情况下,由于试验成本高、实际操作复杂、周期长和重复性差等缺点,常用CAE仿真技术对车辆底部防护结构的防护性能进行预测和评估。使用CAE技术不仅可以节省成本,还易于分析各种地雷爆炸的工况,对防护型车辆设计具有重大意义。为此,国内外许多学者就爆炸仿真算法和爆炸工况下的材料动态特性做了很多研究,取得了大量的成果