WPŁYW WIELKOŚCI ŁADUNKU BOCZNEGO NA ZACHOWANIE SIĘ POJAZDU

(1)

WPŁYW WIELKOŚCI ŁADUNKU BOCZNEGO NA ZACHOWANIE SIĘ POJAZDU

Wiesław Barnat

^1a

1Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Wojskowa Akademia Techniczna (WAT)

awbarnat@wat.edu.pl

Streszczenie

Problematyka odporności udarowej pojazdów opisywana w wielu artykułach i dokumentach standaryzacyjnych dotyczy głównie małych wielkości ładunków wybuchowych. W przypadku dużych ładunków o wielkości od 25 do 1000 kg literatura tematu jest bardzo uboga. Praktycznie przy masie ładunku TNT ponad 100 kg poziom ochrony pojazdu nie ma większego znaczenia. Energia wydzielana przez 100 kg ładunek jest w stanie wywrócić, a nawet unieść w górę pojazd ważący 60 t (rys. 1). W pracy przedstawiono wpływ wielkości dużego ładunku na sposób zachowania się pojazdu specjalnego. Ukazano wyniki analizy numerycznej układu mechanicznego pojazd - wybuch opisanego poprzez obszar Eulera i elementy Lagrange’a. Interakcje pomiędzy pojazdem a ładunkiem uzyskano dzięki sprzężeniu ogólnemu. Przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych dla elementów struktury nośnej wozu bojowego obciążonej udarem wygenerowanym wybuchem dużych ładunków wybuchowych umieszczonych z boku w odległości 5 m od burty pojazdu na wysokości 1 m przy uwzględnieniu zjawisk zachodzących podczas odbicia fali od podłoża.

Słowa kluczowe: wybuch, IED, pojazd wojskowy, oddziaływanie na bok, duży ładunek

INFLUENCE OF LOAD PLACING SIDE TO CONDUCT A VEHICLE

Summary

Problems impact resistance of vehicles is described in many articles and documents standardization mainly concerns small size of explosives. For large loads ranging in size from 25 to 1000 kg, literature theme is very poor.

Practically the load weight over 100 kg of TNT level of vehicle does not matter. The energy emitted by a 100 kg load is able to overturn or even lift up a vehicle weighing up to 60 t. The effect size of a large load on the behavior of the special-purpose vehicle. The paper presented the results of numerical analysis of the mechanical vehicle-blast area described by Euler and Lagrange elements.Additional material study of an armour steel was conducted in Department Of Mechanics And Applied Computer Science, Military University of Technology, in order to obtain suitable material.

Keywords: explosion, IEDs, military vehicle, the impact on the side, a large charge

1. WSTĘP

Wysoka mobilność w dowolnych warunkach klima- tycznych i terenowych lekkich pojazdów opancerzonych oraz stosunkowo rygorystyczne wymagania logistyczne dające znaczną samodzielność jednostkom operacyjnym wyposażonym w tego typu pojazdy decydują o tym, że są one podstawowym sprzętem wykorzystywanym przez siły stabilizacyjne różnych państw.

Pojazdy tego typu są narażone na działanie większo- ści środków ogniowych, którymi dysponuje nieprzyjaciel, przede wszystkim improwizowanych urządzeń wybuchowych (ang. improvised explosive devices – IED).

W konsekwencji powoduje to, iż współczesne wymagania taktyczno-techniczne zmieniają dotychczasowe sposoby kształtowania kadłubów pancernych wozów bojowych pod kątem zapewnienia wysokiej zdolności do przetrwa-

(2)

nia na polu walki. Działania te związane są między innymi z zapewnieniem odpowiedniej:

 geometrii pojazdów - odpowiedni poziom ochrony balistycznej,

 ochrony załogi i wyposażenia przed środkami minowymi różnych klas (różnorodne materiały wybuchowe, różne masy, różnorodne umiejscowienie ładunków).

Zasadniczy problem pojawia się przy tworzeniu sku- tecznej ochrony załogi i wyposażenia zewnętrznego przed środkami minowymi [1, 4], a w szczególności przed IED.

Rys 1. Krater po wybuchu dużego ładunku IED o masie około 500 kg pod czołgiem

Ogromny rozwój metod numerycznych oraz wzrost możliwości obliczeniowych współczesnych komputerów pozwala na modelowanie wielu zjawisk fizycznych, w tym eksplozji oraz detonacji. Wyżej wspomniany rozwój w powiązaniu z coraz większą dbałością o ochro- nę bierną [2, 3, 4] powoduje, że poszukuje się coraz to nowszych rozwiązań konstrukcyjnych nie tylko za pomo- cą klasycznych metod eksperymentalnych, ale także za pomocą tzw. eksperymentu komputerowego. Dużą trudnością w opisie zjawisk oddziaływania na dno i boki pojazdu sprawia zjawisko wielokrotnego odbicia pomię- dzy płaskim dnem pojazdu a gruntem. Przykład takiego odbicia przedstawia rys. 2. Zbliżonym zjawiskiem jest umieszczenie ładunku nad powierzchnią gruntu, co powoduje powstawanie fali Macha.

Rys. 2. Przykład odbicia czoła fali od dna pojazdu [1]

Fala ta powstaje w wyniku przecięcia się czoła fali padającej i odbitej od przeszkody (punkt a na rys. 2).

Klasyczny słup Macha przedstawiono na rys. 3. Falę padającą w różnych chwilach czasowych oznaczono przez I₁do I₃ (przy założeniu że t₁<t₂<t₃). Czoło fali odbitej oznaczono przez R i R. Punkt potrójny przecięcia fali

rys. 3 obrazuje schematycznie falę ciśnienia (powstałą w wyniku wybuchu bocznego), jaka oddziałuje na pojazd.

(3)

Rys. 3. Przykład powstawania fali Macha w wyniku wybuchu napowietrznego

Warto zaznaczyć, iż fala ta jest płaska, a jej czoło jest prostopadłe do powierzchni odbicia. Zjawisko Macha jest dość ciekawym zjawiskiem i było wykorzystywane podczas silnych wybuchów jądrowych do uzyskiwania zwiększonej siły niszczącej.

Innym zjawiskiem utrudniającym właściwą ocenę oddziaływania ładunków na pojazd jest wzmocnienie impulsu ciśnienia fali padającej (poprzez odbicie).

W swoich pracach D. R. Richmond i Becker przedsta- wiali zależność pomiędzy ciśnieniem swobodnym a odbitym od ziemi. W zależności od sztywności przeszkody [6, 8] wzmocnienie może być nawet dziesięcio- krotne (rys. 4).

Rys. 4. Wykres zależności wzmocnienia impulsu ciśnienia od kąta padania na przeszkodę sztywną [8]

Praktycznie każda sztywna lub podatna przeszkoda, która pojawia się na drodze impulsu ciśnienia, powoduje zwiększenie jego wartości. Podczas analiz numerycznych warto pamiętać że normy wyraźnie określają, iż kon- strukcje ochronne są obliczane na wartość odbitego (wzmocnionego) impulsu ciśnienia.

W niniejszej pracy wykorzystano sprzężenie ogólne (opisujące interakcję pomiędzy środowiskiem Eulera i Lagrange’a) do opisu oddziaływania pomiędzy kon- strukcją a obciążającą ją falą ciśnienia pochodzącą od wybuchu [11] (pomiędzy ośrodkiem opisywanym za pomocą równań mechaniki ośrodków ciągłych w ujęciu Eulera a ośrodkiem opisywanym za pomocą równań Lagrange’a). Równaniami w ujęciu Eulera opisuje się zwykle ciecz – w tym wypadku jest to powietrze, w którym dochodzi do detonacji materiału wybuchowego i propagacji fali uderzeniowej. Natomiast równaniami wyrażającymi prawa zachowania masy, pędu i energii w ujęciu Lagrange'a opisuje się zachowanie struktury, na którą oddziałuje wybuch. Złożony charakter procesu detonacji materiału wybuchowego i propagacji fali uderzeniowej powoduje duże problemy obliczeniowe, wymuszając opracowanie specjalnych technik modelo- wania tego zjawiska. Zjawisku i sposobom jego modelo- wania poświęcono wiele uwagi w literaturze [4, 5, 6].

Podczas analiz numerycznych zastosowano jednako- wy schemat całkowania równań ruchu w czasie, zarówno dla cieczy jak i konstrukcji. Celem badań numerycznych przedstawionych w niniejszej pracy było wstępne zbada- nie wpływu wielkości ładunku wybuchowego umieszczonego nad nieodkształcalnym gruntem na zachowanie się pojazdu kołowego.

2. ODDZIAŁYWANIE WYBUCHU BOCZNEGO ŁADUNKU IED

NA POJAZD SPECJALNY

2.1 OPIS MODELI NUMERYCZNYCH

W niniejszej pracy zamieszczono wyniki wstępnych analiz numerycznych oddziaływania wybuchu dużego bocznego ładunku IED na pojazd specjalny. W przepro- wadzonych analizach za obiekt badań przyjęto pojazd kołowy o masie około 22t.

Ładunek IED umiejscowiony był w odległości X równiej 5 m od pojazdu i na wysokości H równej 1 m nad ziemią, tak jak to zostało przedstawione na rys. 5.

(4)

Rys. 5. Umiejscowienie IED względem pojazdu specjalnego

Fala ciśnienia wywołana detonacją (zasymulowaną w przybliżeniu detonacji punktowej) rozchodziła się w obszarze o kształcie kuli z nadanymi odpowiednimi warunkami brzegowymi. Przybliżenie kształtu ładunku wybuchowego (spowodowane różnorodnością ładunków IED) pozwala na komputerową symulację procesu propagacji fali uderzeniowej poprzez nadanie odpowied- nich warunków początkowych (gęstość, energia, ciśnie- nie) pewnym wybranym elementom z domeny Eulera, a następnie rozwiązanie praw zachowania masy, pędu i energii. Typowe wartości dla substancji wybuchowych to: gęstość - 1600 kg/m³ i energia wewnętrzna właściwa - 4.2 MJ/kg.

Przestrzeń, w której rozprzestrzeniała się fala ude- rzeniowa, została zamodelowana przy pomocy eulerow- skich elementów typu Hex 8 charakteryzujących się własnościami gazu idealnego o  = 1.4 i gęstości odpo- wiadającej gęstości powietrza atmosferycznego w warunkach normalnych ( = 1.2829 kg/m³). Grunt zamodelowano jako ciało nieodkształcalne. W oblicze- niach uwzględniano zmiany wywołane deformacją ka- dłuba pojazdu (konstrukcji), dlatego pojazd zamodelowano elementami Lagrange’a typu Shell Quad 4. Ele-

mentom tym nadano następujące własności mechanicz- ne: E = 210 GPa,  = 0.31. Do opisu zachowania się stali wykorzystano biliniowy model materiału elastopla- stycznego DYMAT 24, który za kryterium zniszczenia przyjmuje maksymalne odkształcenie [7].

We wszystkich modelach użytych w niniejszej pracy węzły elementów strukturalnych (węzły domeny La- grange’a) nie miały narzuconych żadnych warunków początkowych. Oznacza to, że wszystkie prędkości i przemieszczenia dla czasu t = 0 były wyzerowane.

Analizie numerycznej poddano model pojazdu specjalnego obciążanego falą pochodzącą od wybuchu ładunków o masie odpowiednio 25, 50, 100, 150, 250 oraz 500 kg.

2.2 WYNIKI ANALIZY NUMERYCZNEJ

Uzyskane wyniki symulacji numerycznych, dla wszystkich analizowanych przypadków, zestawiono na rysunkach i wykresach. Na rys. 6 przedstawiono rozkła- du ciśnień w obszarze Eulera (sprzężonego z elementami Lagrange’a opisującymi pojazd).

a) b)

(5)

c) d)

Rys. 6. Rozkład ciśnienia oddziałującego na pojazd kołowy Na pozostałych rysunkach przedstawiono sposób za-

chowania się pojazdu w różnych chwilach czasowych po oddziaływaniu wybuchu. Warto zaznaczyć, że w praktycznie każdym przypadku podczas oddziaływania fali ciśnienia na pojazd powstawała fala Macha (opisane poprzednio). Dodatkowo na wykresach przedstawiono przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie punktu na kadłubie pojazdu.

Podczas rozchodzenia się impulsu ciśnienia dla chwili czasowej 0.000012s następuje odbicie impulsu ciśnienia od sztywnego podłoża (rys. 6a), co skutkuje wzrostem wartości ciśnienia. Wstępne powstawanie słupa Macha zostało przedstawione dla czasu 0.000059s na rys. 6b.

W pełni rozwinięty słup Macha (czas 0.000168 s) ilu- struje rys. 6c. Wzmocnienie impulsu ciśnienia poprzez odbicie od kadłuba pojazdu (czas 0.000269 s) ukazuje rys. 6d.

Na kolejnych rysunkach przedstawiono przemieszczenie kadłuba pojazdu specjalnego pochodzące od różnych ładunków wybuchowych IED w różnych chwilach czasowych.

W wyniku oddziaływania impulsu ciśnienia pocho- dzącego od 25 kg TNT następuje lekkie podebrania pojazdu na wysokość około 1.7 m, rys. 7a. Po upadku na ziemię pojazd został przesunięty o około 0.5 m od poło- żenia początkowego, rys. 7b.

a) b)

Rys. 7. Przemieszczenie kadłuba pojazdu specjalnego po oddziaływaniu ładunku 25 kg

a) b)

Rys. 8. Przemieszczenie kadłuba pojazdu specjalnego po oddziaływaniu 50 kg

(6)

W wyniku oddziaływania impulsu ciśnienia pocho- dzącego od 50 kg TNT następuje lekkie podebrania pojazdu w górę na wysokość około 2.2 m, rys. 8a. Widok pojazdu tuż przed uderzeniem o ziemię przedstawiono na

rys. 8 b. Podobnie zachowuje się pojazd obciążony ładunkiem 100 kg (rys. 9).

Praktycznie dla obciążenia bocznego ładunku do 100 kg istnieje duże prawdopodobieństwo upadku pojazdu na koła.

a) b)

Rys. 11. Przemieszczenie kadłuba pojazdu specjalnego po oddziaływaniu 250kg

(7)

a) b)

Rys. 12. Przemieszczenie kadłuba pojazdu specjalnego po oddziaływaniu ładunku 500kg

Innymi w skutkach niż poprzednie jest obciążenie pojazdu ładunkiem 150 kg. W wyniku oddziaływania impulsu ciśnienia pochodzącego od 150 kg TNT następu- je przewrócenie się pojazdu na bok.

Dla większych ładunków (od 250 kg TNT) pojazd zachowuje się inaczej niż w poprzednich przypadkach.

W pierwszym etapie oddziaływania ładunku na pojazd następuje oderwanie kół znajdujących się po stronie wybuchu. W wyniku takiego oddziaływania następuje oderwanie mimośrodowe kadłuba pojazdu od gruntu.

W kolejnych chwilach czasowych pojazd jest unoszony w górę ruchem obrotowym. Taki ruch spowodowany jest mimośrodowym oddziaływaniem ciśnienia fali uderzeniowej na pojazd.

Ze względu na rzadki zapis spowodowany długością czasu analizy oraz czasem trwania zjawiska (ok. 10s) wykresy posiadają charakter przybliżony. Warto zauwa- żyć, że na wykresach są przedstawione wypadkowe wielkości, co w przypadku ruchu rotacyjnego pojazdu może spowodować pewne przekłamanie odczytanych wyników. W następnych pracach autor skoncentruje się na wybranych fragmentach analizy. Warto zaznaczyć, iż maksymalna wartość wypadkowej wektora prędkości przedstawianej na wykresach wyniosła dla ładunku 250 kg ok. 0.4 m/s. Dodatkowo największa wartość przyśpie- szenia wyniosła 0.06 m/s². W przypadku analizy modelu obciążonego ładunkiem 500 kg pojazd został uniesiony na wysokość 10 m. Obciążenia pojazdu ładunkiem 150 kg było praktycznie obciążeniem granicznym. Pojazd lekko się przechylił (poderwał), a jego trajektoria lotu była niska i płaska. Warto zaznaczyć, że dla wyników uzyskanych z analizy numerycznej pokazano wypadkową prędkości, przyśpieszeń i przemieszczeń (powoduje to duże przybliżenie wyników analizy numerycznej. Wła- ściwie dla większych ładunków od 150 kg powinno rozpatrywać się poszczególne składowe.

Rys. 13. Wykres prędkości punktu umieszczonego na kadłubie pojazdu specjalnego

Rys. 14. Wykres przemieszczenia punktu umieszczonego na kadłubie pojazdu specjalnego

Duże przyspieszenia działające na człowieka powodu- ją urazy, które skutecznie wyłączają znajdującą się w jego wnętrzu załogę z działań bojowych, powodując często trwałe kalectwo, a nawet wyłączając z normalnej egzystencji w społeczeństwie. Wynika jest więc stwier- dzenie, że określenie przyspieszeń działających na pojazd, a tym samym na żołnierzy będących wewnątrz, również może przeciwdziałać niebezpiecznym skutkom wybuchu. Zestawienie przyspieszeń w charakterystycz- nym punkcie kadłuba dla wszystkich przypadków wiel- kości ładunku IED zestawiono na rys. 15.

(8)

Rys. 15. Wykres przyśpieszeń punktu umieszczonego na kadłu- bie pojazdu specjalnego

Z analizy uzyskanych przebiegów widać, że najbar- dziej niebezpieczne dla załogi będącej wewnątrz pojazdu są obciążenia wywołane ładunkami o masach powyżej 100 kg materiału wybuchowego. Po dojściu fali uderzeniowej do kadłuba działa na niego pik ciśnienia. Jak wiadomo, takie oddziaływanie, czyli duża wartość ci- śnienia w krótkim czasie. powoduje u człowieka najgroź- niejsze urazy. Im mniejsza wartość przyspieszenia i dłuższy czas jego oddziaływania, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo wystąpienia trwałych uszkodzeń ciała u załogi pojazdu poddanego tego typu obciążeniu.

3. WNIOSKI

Dotychczasowe prace nie obejmowały badania od- działywania dużych ładunków na korpus pojazdu.

Odpowiednie umieszczenie ładunku względem pojazdu może spowodować powstawanie wielu niekorzystnych z punktu widzenia ochrony pojazdu zjawisk. Zastosowa- nie ograniczenia w postaci gruntu spowodowało zwięk- szenie przeniesienia impulsu ciśnienia na bok pojazdu.

Ponieważ wpływ kształtu siatki na wartości ciśnienia na czole fali uderzeniowej jest stosunkowo niewielki, w analizie bazowano na sześciennej, ale odpowiednio gęstej, siatce elementów Eulera.

W niniejszej pracy wykorzystano sprzężenie pomię- dzy ośrodkiem opisywanym za pomocą równań mechaniki ośrodków ciągłych w ujęciu Eulera, a ośrodkiem opisywanym za pomocą równań Lagrange’a do opisu oddziaływania pomiędzy konstrukcją a obciążającą ją falą ciśnienia pochodzącą od wybuchu. Równaniami w ujęciu Eulera opisuje się zwykle ciecz – w tym wypadku jest to powietrze, w którym dochodzi do detonacji materiału wybuchowego i propagacji fali uderzeniowej.

Natomiast równaniami wyrażającymi prawa zachowania masy, pędu i energii w ujęciu Lagrange’a opisuje się zachowanie struktury (konstrukcji). Do sprzężenia oddziaływań płynu i struktury wybrano sprzężenie ogólne, które jest zawarte w standardowej implementacji oprogramowania MSC Dytran.

Fala ciśnienia wywołana detonacją (zasymulowana w przybliżeniu detonacją punktową) rozchodziła się w obszarze o kształcie sześcianu z nadanymi odpowiednimi warunkami brzegowymi. Opracowanie pełnowymia- rowego modelu pojazdu specjalnego było poprzedzone dodatkowymi badaniami laboratoryjnymi własności mechanicznych stali pancernej wykorzystywanej do budowy tego typu pojazdów. Badania te przeprowadzo- no w Katedrze Mechaniki i Informatyki Stosowanej WAT.

Literatura

1. Barnat W.: Wybrane zagadnienia ochrony życia i zdrowia załóg pojazdów przed wybuchem. „Military” 2011.

2. Trzciński W., Trębiński R., Cudziło S.: Investigation of the behaviour of steel and laminated fabric plates under blast wave load. Part I: Experimental approach. In: V International Armament Conference, Waplewo, 2005.

3. Krzewiński R., Rekrucki R.: Roboty budowlane przy użyciu materiałów wybuchowych. Polcen, 2005.

4. Krzystała E., Kciuk S. Mężyk A.: Identyfikacja zagrożeń załogi pojazdów specjalnych podczas wybuchu. Gliwi- ce: Pol. Śl., 2013.

5. Babul W.: Odkształcanie metali wybuchem. Warszawa: WNT, 1980.

6. Włodarczyk E.: Wstęp do mechaniki wybuchu. Warszawa: PWN, 1994.

7. Dytran theory manual, 2004; LS-DYNA theoretical manual, 1998.

8. Smith P.D., Hetherington J.G.: Blast and ballistic loading of structures. Butterworth-Heinemann 1994.

9. Baker, W. E.: Explosions in air. Austin, London: University of Texas Press, 1973.

10. Instrukcja „Prace inżynierskie i niszczenia”. Warszawa: Sztab Generalny WP, Szefostwo Wojsk Inżynieryj- nych, 1995.

11. Barnat W.: Numeryczno doświadczalna analiza złożonych warstw ochronnych obciążonych falą uderzeniową