Рябов Д.М., к.т.н. Смирнов А.А., Бутарович Д.О.

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Россия

Методы снижения поражающего воздействия на экипаж бронеавтомобиля при подрыве

1. Введение

В последние несколько лет при разработке бронеавтомобилей для нужд Вооруженных Сил и МВД России большое внимание уделяется задаче обеспечения их стойкости к действию мин и самодельных взрывных устройств. Для решения указанной задачи могут применяться следующие конструктивные мероприятия: увеличение клиренса бронеавтомобиля, использование V-образного днища, применение защитных экранов, модульная конструкция кузова.

Перспективным направлением повышения живучести экипажа бронеавтомобиля при подрыве является применение сидений энергопоглощающей конструкции. Данная мера позволяют значительно снизить вероятность повреждения позвоночника членов экипажа при подрыве. При этом важным фактором, влияющим на живучесть экипажа, является способ установки сидений: к фальшполу, к борту и к крыше бронекорпуса. С точки зрения конструктивного исполнения, все эти способы примерно равнозначны; при этом, с точки зрения безопасности десанта при подрыве, могут значительно отличаться.

Помимо позвоночника, высокую вероятность повреждения при подрыве имеют стопы и голени человека в случае, если стопа находится в контакте с полом бронеавтомобиля. В современных бронеавтомобилях самой распространенной конструктивной мерой по снижению ударных нагрузок на ноги является фальшпол. Однако последние тенденции указывают на активное применение другого конструктивного решения – подставок для ног. Такие подставки, как правило, представляют собой раскладной трубчатый каркас, который жестко крепится к сиденью.

В данной работе проведена оценка влияния способов крепления сидений в корпусе бронеавтомобиля на живучесть личного состава, а также влияния положения ног экипажа на их травмобезопасность.

2. Критерии повреждений

В настоящее время наиболее полно разработаны критерии повреждений, получаемых водителем и пассажирами при столкновении автомобиля. Эти критерии относятся к повреждениям головы, шеи, грудной клетки, позвоночника, бедра, голени и ступни. Они входят в регламенты по безопасности многих стран и используются по всему миру, включая Россию. Однако применение этих критериев для оценки травм, получаемых экипажем бронеавтомобиля при подрыве, является необоснованным, так как процессы столкновения и подрыва автомобиля сильно отличаются, в первую очередь, скоростью нарастания перегрузок.

В 2007 году на территории стран НАТО вступил в силу нормативный документ RTO-TR-HFM-090 «Test methodology for protection of vehicle occupants against anti-vehicular landmine effects» (в переводе с англ. «Методика испытаний на защищенность членов экипажа транспортных средств от минного подрыва») [1], являющийся приложением к военному стандарту STANAG 4569, в котором, среди прочего, задаются уровни противоминной защиты бронеавтомобилей.

Введенный в действие документ содержит информацию не только о критериях повреждений членов экипажа при подрыве на мине, но и методы их расчета по результатам экспериментов.

Для позвоночника опасным является воздействие на него ударных нагрузок в осевом направлении, способное привести к серьезным повреждениям костной структуры (позвонков), спинного мозга, связок и мышц.

Нагрузки, действующие менее 10 мс, вызывают динамическое нагружение позвоночника. Поэтому для оценки повреждений необходимо использовать критерий, учитывающий длительность действия нагрузки. Наиболее подходящим критерием в этом случае, согласно [1], является Dynamic Response Index (DRI, в пер.с англ. «показатель динамического отклика»).

Модель DRI была разработана для моделирования биомеханической реакции позвоночника на нагрузку, с использованием одномассовой системы (рис. 1).

Рис. 1. Модель DRI

Уравнение движения такой системы имеет вид:

₍₁₎

где – ускорение, действующее на позвоночник в вертикальном направлении; – относительное перемещение системы , если – происходит сжатие; – коэффициент демпфирования, ; – собственная частота колебаний позвоночника, ; – жесткость позвоночника; с – коэффициент вязкого трения позвоночника; m – масса тела человека.

Решая уравнение (1) относительно δ при заданном значении ускорения , можно определить максимальное относительное перемещение , на основе которого вычисляется значение критерия DRI по формуле:

где g – ускорение свободного падения.

Согласно [1], значения коэффициентов и принимаются равными 0,224 и 52,9 рад/сек, соответственно, при этом вероятность получения травмы позвоночника легкой степени тяжести соответствует значению DRI 17,7 или максимальному относительному перемещению – 61 мм.

Критерий повреждений нижних конечностей, предлагаемый в документе RTO-TR-HFM-090, базируется на данных, полученных в ходе экспериментов в 1996 году в медицинском колледже штата Висконсин. Целью исследования было получение зависимости, связывающей такие параметры как: возраст человека, сжимающая сила в голени и вероятность перелома. Объектом исследования послужили голени людей в возрасте от 27 до 85 лет. Всего в ходе опытов было испытано 26 образцов. Сжимающая сила в голени, создаваемая при помощи ударов маятника массой 16 кг по ступне, замерялась датчиком, установленным в месте закрепления (рис. 2).

Рис. 2. Схема стенда испытаний [1]

Результаты испытаний были объединены с данными аналогичных экспериментов, проведенных в США. На рис. 3 показана зависимость вероятности получения повреждения голени от возраста и сжимающей силы, основанная на проведенных испытаниях.

Для описания данного распределения используется закон Вейбулла:

где p – вероятность получения повреждения голени; a – возраст (лет); f – максимальная осевая сжимающая сила (кН).

Рис. 3. Кривая вероятности повреждения голени [1]

Так как возраст членов экипажа, как правило, находится в интервале от 20 до 45 лет было принято, что предельно допустимое значение силы должно составлять 5,4 кН, что соответствует вероятности перелома голени около 10%.

3. Методика расчетов

Сравнительная оценка влияния закрепления сидений на живучесть экипажа была проведена для двух вариантов закрепления сидений в корпусе бронеавтомобиля. Первый вариант предполагает закрепление сиденья на бортах корпуса, во втором варианте сиденье крепится к крыше корпуса (рис. 4).

а	б
Рис. 4. Геометрическая поверхностная модель: а – с закреплением сиденья к борту корпуса; б – с закреплением сиденья к крыше корпуса

При оценке влияния положения ног экипажа на их травмобезопасность проводилась для двух вариантов: первый – член экипажа сидит на сиденье и стопы ног полностью опираются на пол (рис. 5, а), второй – член экипажа сидит на сиденье и стопы ног опираются на подставку (рис. 5, б). Отметим, что в обоих расчетных случаях ступни манекена находятся на одном уровне от днища бронеавтомобиля.

а	б
Рис. 5. Варианты расположения ног члена экипажа в бронеавтомобиле: а – ноги на полу, б – ноги на подставке

Расчет проводился на конечно-элементных моделях в программном комплексе LS-DYNA. Для моделирования взрывного воздействия на корпус бронеавтомобиля была использована встроенная в LS-DYNA функция CONWEP [2, 3]. Эта функция автоматически прикладывает давление, действующее на конечный элемент, которое рассчитывается по эмпирическим формулам в зависимости от массы заряда в тротиловом эквиваленте (ТЭ), расстояния до него, а также ориентации элемента в пространстве.

Все конечно-элементные модели были созданы на основе твердотельной модели специального бронеавтомобиля СПМ-3 [4]. Однако при оценке крепления сидений моделировалась лишь часть корпуса бронеавтомобиля и не учитывалась упругая подушка сиденья. Заряд в этих моделях располагался в продольной плоскости бронекорпуса; под днищем, на расстоянии 0,5 м от него; масса заряда составляла 6 кг в ТЭ.

Оценка влияния положения ног проводилась на конечно-элементной модели бронеавтомобиля в целом и с учетом подушки сиденья. В этих моделях заряд располагался в продольной плоскости бронекорпуса; под днищем, на расстоянии 0,5 м от него; масса заряда составляла 6 кг в ТЭ.

Для оценки степени передачи ударного импульса от корпуса к сидящему члену экипажа при моделировании использовалась модель манекена Hybrid III (рис. 4). Эта модель имеет структуру, приближенную к анатомическому строению человека. Модель манекена состоит из частей, имитирующих скелет человека, связи между которыми реализованы при помощи шарниров с соответствующими степенями свободы, и частей, имитирующих мягкие ткани.

Следует отметить, что для расчета контакта частей манекена с подушкой сидения проводилась, так называемая, гравитационная посадка манекена. При этом манекен, изначально расположенный в непосредственной близости над подушкой сиденья, в течении первых 100 мс расчета опускался на нее под действием силы тяжести, формируя контактную поверхность.

При создании конечно-элементных моделей использовалось несколько контактных алгоритмов: *CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE, *CONTACT_SURFACE_TO_SURFACE, *CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_

SURFACE [5].

4. Результаты расчетов

В результате расчета в программе LS-DYNA определялось ускорение , действующее на позвоночник, которое согласно рекомендациям в [1], принималось равным ускорению нижней части туловища манекена. Для определения DRI уравнение (1) решалось в программной среде Matlab, в результате чего была получена зависимость относительного перемещения δ от времени (рис. 6).

Анализ графиков показывает, что сжатие позвоночника в обоих случаях не превышает предельно допустимого значения в 61 мм. Значения показателя DRI при закреплении сиденья к борту равно 14, при закреплении на крыше – 13,5. Таким образом, вероятность получения легких повреждений позвоночником в обоих случаях составляет менее 10%.

а	б
Рис. 6. Зависимость относительного перемещения от времени: а – при закрепление к борту; б – при закрепление на крыше

При оценке влияния положения ног контрольными точками измерения возникающих сил и моментов являются соответствующие суставы или, применительно к испытательным антропометрическим манекенам, шарниры 24 и 25 (рис. 7).

Рис. 7. Расположение шарниров в манекене Hybrid III

Для проведения сравнительной оценки вариантов посадки в качестве критерия была выбрана максимальная сила по оси Z, определяемая как среднее значение между силами, возникающими в шарнирах 24 и 25 .

Графики сжимающей силы в голени манекена Hybrid III, полученные в результате расчета различных вариантов, представлены на рис. 8.

Рис. 8. Сжимающая сила, в голени манекена в зависимости от времени

Анализируя представленные графики можно отметить, что пиковое значение силы в случае расположения ступней ног на полу превышает аналогичное значение для случая расположения ног на подставке в 2,4 раза. При этом в первом случае максимальная сжимающая сила превосходит в 1,5 раза предельно допустимое значение 5,4 кН, что свидетельствует о высокой вероятности получения повреждений голени.

Во втором случае применение подставки для ног позволяет снизить сжимающую силу до значения 3,36 кН, что заметно снижает риск получения повреждений голени.

5. Выводы

Сравнивая способы закрепления сиденья к крыше и к борту корпуса бронеавтомобиля, можно отметить, что различия в значениях DRI не значительны. Следовательно, можно сделать вывод, что в рассмотренных способах закрепления нет принципиальных различий, с точки зрения воздействия на позвоночник.

Проведенные расчеты показывают, что применение подставок для ног является эффективным способом снижения ударной нагрузки на ноги членов экипажа, то есть повышения травмобезопасности при подрыве бронеавтомобиля. В случае расположения ног на подставке вероятность перелома голени составила менее 1%, аналогичное значение для случая расположения ног на полу – около 20%.

Литература

1. RTO-TR-HFM-090 Technical Report. Test methodology for protection of vehicle occupants against anti-vehicular landmine effects. April 2007.

2. G. Randers-Pehrson, K.A. Bannister. Airblast Loading Model for DYNA2D and DYNA3D. ARL-TR-1310, U. S. Army Research Laboratory, Aberdeen Proving Ground, MD, March 1997.

3. Kingery C.N., G. Bulmash. Airblast Parametrs from TNT Spherical Air Burst and Hemispherical Surface Burst. April 1984.

4. Котиев Г.О., Смирнов А.А., Федотов М.В., Бутарович Д.О., Карташов А.Б. Разработка бронетранспортера для внутренних войск / «Вопросы оборонной техники», серия 16, выпуск 5-6, 2009.

5. LS-DYNA User’s Manual, Version 971, May 2007, Livermore Software Technology Corporation (LSTC).