Numeryczna analiza oddziaływania dużych ładunków wybuchowych na załogę pojazdów specjalnych

Transkrypt

1 BARNAT Wiesław 1 Numeryczna analiza oddziaływania dużych ładunków wybuchowych na załogę pojazdów specjalnych WSTĘP Misje pokojowe, w jakich bierze udział Wojsko Polskie wykazały pilną potrzebę stosowania pojazdów specjalnych [1, 2] w tym logistycznych zdolnych do działań z dotychczas niespotykanym przeciwnikiem. Konwoje logistyczne okazały się łakomym kąskiem dla przeciwnika. Z tego względu powstała pilna potrzeba zabezpieczania załóg konwojów przed atakami terrorystycznymi. Dotychczas prowadzonych było wiele prac nad przeżywalnością ludzi. Głównym czynnikiem postępu w tej dziedzinie było lotnictwo. Działania wojenne powodują, iż przeciwnik w konfliktach nieregularnych wykorzystuje materiały wybuchowe, które ze względu na sposób klasyfikacji nazywane są improwizowanymi materiałami wybuchowymi (IED Imprvised Explosive Devices). Ładunki te oddziałują na pojazd w zależności do wielkości w sposób lokalny lub globalny. W przypadku oddziaływania wybuchu na pojazd istnieje możliwość klasyfikacji skutków na: przewrócenie pojazdu, podrzucenie pojazdu (oddziaływanie na załogę pojazdu podczas poderwania i opadania), penetracja pancerza, powstanie fali membranowej. Głównym czynnikiem oddziaływania wybuchu na załogę jest przyspieszenie. Wybuch (impuls ciśnienia) oddziaływujący na podłogę pojazdu poprzez elementy konstrukcyjne takie jak podstawa siedzenia kadłub (podłoga) wywołuje przyśpieszenia pionowe i wzdłużne kątowe oraz poprzeczne kątowe na żołnierza znajdującego się w pojeździe. Najbardziej narażone na nie są elementy układu kostnego takie jak piszczele, kręgosłup (odcinki w okolicach miednicy i szyjny). Prace nad biomechaniczną odpornością ciała ludzkiego są prowadzone w wielu aspektach poczynając od wypadków samochodowych, lotniczych jak ieksplozji materiałów wybuchowych [3, 4, 5, 6, 7, 8]. Praktycznie prace te są prowadzone na całym świecie [9, 10]. W przypadku braku zastosowania pasów (lub ich nie zapięcia) istnieje duże prawdopodobieństwo uderzenia głową w strop. Takie uderzenie może poskutkować uszkodzeniem partii szyjnej kręgów kręgosłupa. Odpowiedz organizmu ludzkiego zbadali miedzy innymi Patrick Kroll i Mertz [11]stwierdzając, iż najbardziej narażonym organem ludzkiego ciała na przeciążenia jest mózg. Autorzy wykazali zależność pomiędzy wielkością impulsu, a jego czasem oddziaływania. Jeszcze w innych opracowaniach [12, 13] oszacowano odpowiednie parametry, dla urazu głowy w określonych przedziałach czasowych [14]. W mniejszej pracy skupiono się nad skutkami oddziaływania ładunków na pojazd, a w zasadzie na ciało ludzkie. W pracy przedstawiono skutki oddziaływania ładunków wybuchowych na personel załogi pojazdów specjalnych. 1. OPIS MODELU NUMERYCZNEGO Podczas badania zachowania się żołnierzy w pojeździe opancerzonym wykorzystuje się najczęściej oprogramowanie LS-Dyna lub MSC Dytran. Programy te zawierają jawną implementację metody elementów skończonych. Pozwalają one na modelowanie złożonych zjawisk z zakresu klasycznej mechaniki, mechaniki przepływów, dynamicznych zjawisk jak i oddziaływania silnych nieciągłości na 1 wbarnat@wat.edu.pl 54

2 różnego rodzaju struktury. W analizach numerycznych wykorzystano model człowieka Hybrid Dummy III 95% Male [15] przedstawiony na rys. 1. Model ten został opracowany i przebadany przede wszystkim dla przemysłu motoryzacyjnego. Model ten jest wykorzystywany w badaniach nad zwiększeniem bezpieczeństwa kierowców, pasażerów, atakże uczestników wypadków. Rys. 1. Model manekina Hybrid III Manekiny Hybrid III i EuroSID II jak już wspomniano są wykorzystywane do symulacji ludzi. Dzięki budowie zbliżonej do budowy człowieka analiza uzyskanych wyników daje pełny obraz prawdopodobieństwa doznanych urazów. Na podstawie opracowania Grzegorzewskiego wykazano, iż przyspieszenie ok. 100 g/2ms jest dawką śmiertelną dla organizmu ludzkiego. Parametry te doprecyzowano w badaniach ujętych przezallena, gdzie wartość tę oszacowano na poziomie około 150 g/2ms. Zestawienie przypadków uszkodzenia części ciała w zależności od czasu działania przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Wskaźniki wg AEP-55 [16] Lp. Część ciała Kryterium Wartość dopuszczalna 1. podudzie maksymalna wartość siły ściskającej piszczele (-Fz) 5.4 kn piersiowolędźwioweg o kręgosłupa kręgosłup szyjny (szyja) Dynamic Response Index (DRIz) dynamiczny wskaźnik odpowiedzi wyznaczony na podstawie przyspieszenia miednicy Az siła ściskająca górny odcinek szyi (-Fz) moment zginający górny odcinek szyi zginanie (+My) rozciąganie (-My) Chest Wall VelocityPredictor (CWVP) wskaźnik ugięcia klatki piersiowej 17,7 4kN 0 ms 1.1 kn 30 ms 190 Nm 57 Nm Narządy m/s wewnętrzne * ASI Abbreviated Injury Scale stopień urazowości wyrażany według skali ASI istotność (znaczenie) signification 10% ryzyka dla ASI* 2+ 10% ryzyka dla ASI 2+ Poważne (ASI 3) urazy są mało prawdopodobne Poważne (ASI 2) urazy są mało prawdopodobne Praktycznie wskaźniki przeżywalności opisane w Allied Engineering Publication(AEP-55) nie są ścisłymi wskaźnikami. Są to określone wielkości powstałe w wyniku badań nad przeżywalnością. Dodatkowe prace w NATO [17] dotyczyły urazowości piszczeli w wyniku oddziaływania impulsu siły osiowej na piszczele w aspekcie wieku żołnierzy poddanych impulsom obciążenia. Prace te wykazały, iż w wyniku oddziaływania siły osiowej ok. 9 kn urazowość ludzi w wieku 65 lat jest 100%, 45 latków 90% a w przypadku 25 latków maleje do 25%. Za bryłę obiektu przedziału załogowego przyjęto elementy Lagrange a typu Shell Quad 4 wykorzystując do modelowania zachowanie się płyt stalowych pojazdu. Elementom tym nadano następujące własności mechaniczne: E = 2,1 109 MPa, = 0,31. Do opisu zachowania się stali wykorzystano biliniowy model materiału elastoplastycznego. Za kryterium zniszczenia przyjęto 55

3 maksymalne odkształcenie [18]. Ogólny widok modelu numerycznego pojazdu jak i przekrój całego układu został przedstawiony na rysunek 2. Rys. 2.Model numeryczny pojazdu z członkiem załogi Do analiz numerycznych oddziaływania impulsu na członka załogi wykorzystano model manekina Model Hybryd III. Model manekina 50 centylowy Hybryd III zaimplementowany oddzielnie od modelu pojazdu przez system LS-DYNA. Manekin posadowiony na sztywnym siedzeniu z podnóżkami oraz biodrowymi pasami bezpieczeństwa. Ze względu na próbę sprawdzenia oddziaływania ładunku na żołnierza siedzącego w pojeździe ładunek umieszczono pod tylną osią w odległości 440 mm od dna pojazdu. Masa ładunku TNT (trinitrotoluen trotyl) wynosiła 8 kg (rysunek 3). Podczas analiz numerycznych uwzględniono oddziaływanie grawitacji ma model numeryczny. Rys. 3. Schemat umieszczenia ładunku względem kadłuba pojazdu Wszystkie testy wojskowych pojazdów opancerzonych są przeprowadzane zgodnie z odpowiednią normą, w tym przypadku jest to NATO STANAG 4569 [19]. Jednym z możliwych testów odporności przeciwminowej jest badanie skutków detonacji miny przeciwpancernej TM 57 o masie ładunku 6,34 kg TNT. Ze względu na konieczność ochrony przed improwizowanymi ładunkami wybuchowymi, których masa znacznie przekracza masę min przeciwpancernych, przeprowadzono również analizy modeli pojazdów obciążonych ładunkiem IED znacznie przekraczającym masę miny TM 57. Dodatkowo ładunek umieszczono w innym niż opisanym w AEP-55 miejscu (rysunek 3). 2. WYNIKI ANALIZ NUMERYCZNYCH W wyniku działania ładunku nastąpiło oddziaływanie fali ciśnienia na dno pojazdu. Na rysunku 4 pokazano kolejne fazy odkształcenia podłogi pod wpływem 8 kg ładunku TNT. 56

4 a) b) c) d) e) f) Rys. 4. Sposób deformacji kadłuba pojazdu oraz oddziaływania wybuchu na manekin w różnych chwilach czasowych: a) 0s, b) 0.010s, c) 0.012s, d) 0.016s, e) 0.018s, f) 0.02s. Warto zwrócić uwagę na odkszatałcenie sprężyste dna pojazdu widoczne na rysunku 4b. Odkształcenie to jest spowodowane oddziaływaniem dużego ładunku oraz brakiem drzwi. Uproszczenie to nie zaburza w dużym stopniu wyników gdyż głównym zadniałem eksperymentu numerycznego było zbadanie oddziaływania wybuchu na człowieka znajdującego się wewnątrz pojazdu. a) b) c) d) e) f) Rys. 5. Sposób deformacji kadłuba pojazdu oraz oddziaływania wybuchu na manekin w różnych chwilach czasowych: a) 0.01s, b) s, c) 0.015s, d) s, e) 0.021s, f) 0.023s. 57

5 Analizując rysunki 5a f warto zauważyć, iż Hybrid III oderwał się od siedziska. Oderwanie się dolnej partii ciała nastąpiło pomimo zastosowania pasów bezpieczeństwa. Główną ocenę urazowości przeprowadza się w wyniku analiz przebiegów czasowych wybranych wielkości fizycznych (przyśpieszeń, sił) przedstawionych na wykresach poniższych (rysunki 6 8). Rys. 6. Wykres przebiegu przyspieszenia pionowego w miednicy Az Rys. 7. Wykres przebiegu siły pionowej Fz w odcinku górnym szyi Rys. 8. Wykres przebiegu siły wzdłużnej w obu piszczelach. 58

6 Wartości maksymalne mierzonych wielkości przedstawiono dodatkowo w tabeli 2.W tabeli tej przedstawiono maksymalne wartości z przebiegów przyspieszeń i sił mierzonych w wybranych miejscach manekina Hibrid III. Tab. 2. Maksymalne wartości z przebiegów przyspieszeń i sił Miednica Szyja Mierzona Kręgosłup (Pelviz Z (Upper wielkość (LumbarFz) acceleration) Neck Fz) Szyja (Upper Neck Fx) Piszczel (Prawy Tibia R Fz) Piszczel lewy (Tibia L Fz) Jednostka [g] [N] [N] [N] [N] [N] Wartość * HIC Head Injury Criterion stopień obrażeń głowy WNIOSKI W artykule przedstawiono jeden z wycinków analizy szacowania parametrów ochrony żołnierzy poruszających się w pojazdach specjalnych. Zastosowanie metody elementów skończonych do analiz numerycznych pozwala na ograniczenie czasu trwania procesu konstruowania. Warto pamiętać, iż uzyskanie wiarygodnych wyników nie zwalnia konstruktorów z podejścia krytycznego do uzyskanych wyników. Otrzymane wyniki jednoznacznie wskazują, iż istnieje konieczność modyfikacji modelu celem bardziej rzeczywistego opisu pojazdu. Dodatkowo warto zauważyć, iż niektóre wielkości służące do oceny wartości przeżywalności ludzi zostały przekroczone. Powoduje to, iż koniecznym jest przeprowadzenie modyfikacji sposobu usadowienia żołnierzy desantu. Streszczenie Misje pokojowe, w jakich bierze udział Wojsko Polskie wykazały pilną potrzebę stosowania pojazdów specjalnych w tym logistycznych zdolnych do działań z dotychczas niespotykanym przeciwnikiem. Konwoje logistyczne okazały się łakomym kąskiem dla przeciwnika. Z tego względu powstała pilna potrzeba zabezpieczania załóg konwojów przed atakami terrorystycznymi. Dotychczas prowadzonych było wiele prac nad przeżywalnością ludzi. Kierunkiem, który wytyczał nowe trendy postępu w tej dziedzinie było lotnictwo. Głównym czynnikiem oddziaływania wybuchu na załogę jest przyspieszenie. Wybuch (impuls ciśnienia) oddziaływujący na podłogę pojazdu poprzez elementy konstrukcyjne takie jak podstawa siedzenia kadłub (podłoga) wywołuje przyspieszenia pionowe i wzdłużne kątowe oraz poprzeczne kątowe na żołnierza znajdującego się w pojeździe. Najbardziej narażone na nie są elementy układu kostnego takie jak piszczele, kręgosłup (odcinki w okolicach miednicy i szyjny). W mniejszej pracy skupiono się nad skutkami oddziaływania ładunków na pojazd, a w zasadzie ciało ludzkie. W pracy przedstawiono skutki oddziaływania ładunków wybuchowych na załogi pojazdów specjalnych wykorzystując narzędzia symulacyjne do szacowania parametrów związanych z kryterium urazowości. Numerical analysis of the impact of high explosive charges on the crew of special vehicles Abstract Peacekeeping missions in which participates Polish Army found an urgent need to use special vehicles including the logistics. Logistics convoys proved "a tempting target" for the opponent. For this reason, there is an urgent need to protect the crews of convoys against terrorist attacks. So far, there have been a lot of work on the survival of people. The main driver of progress in this field was aviation. The main factor in the impact of the outbreak on the crew is speeding up. Explosion (pulse pressure) which affects the floor of the vehicle by means of a design such as the hull of the seat base (floor) results in vertical and longitudinal acceleration and the lateral angle of right angle to the soldier is located on the vehicle. The most vulnerable are not elements of the skeleton, such as the tibia, spine (sections in the pelvic area and neck). In a smaller study focuses on the effects of impact loads on the vehicle and the principle of the human body. The paper presents the effects of explosive charges on the crew of special vehicles. HIC * 36 59

7 BIBLIOGRAFIA 1. RusińskiE., Koziołek S., Jamroziak K.,Quality assurance metod for desing and manufacturing process of armoured vehicles. EkspolatacjaiNiezawodnosc Maintenance and Reliability, 2009; 3 (43): Jamroziak K.,Kosobudzki M., Ptak J., Assessment of the comfort of passenger transport in special purpose vehicles. Ekspolatacja i Niezawodnosc Maintenance and Reliability, 2013; 15 (1): Grzegorzewski J., Przyspieszenia, przeciążenia, nieważkość. Wydawnictwo MON Krzystała E., Kciuk S., Mężyk A., Identyfikacja zagrożeń załogi pojazdów specjalnych podczas wybuchu, Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji Tejszerska D., Świtoński E., Gzik M., Biomechanika narządu ruchu człowieka., Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji Rusiński E.,Zasady projektowania konstrukcji nośnych pojazdów samochodowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Kopczyński A., Rusiński E., Bezpieczeństwo bierne. Pochłanianie energii przez profile cienkościenne. Monografia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław Jamroziak K., Próba oceny urazu głowy w ochronie balistycznej miękkiej, Modelowanie Inżynierskie, T. 11, nr 42, 2011, s Fox D.M., Energy absorber for vehicle occupant safety and survivability. USA TACOM 6501 E11 Mile Road Warren, Mi , 2006.Qiu Zhixian Gerald: AM Richard L. DeWeese R.L., Moorcroft D. M.,Evaluation of a Head Injury Criteria Component Test Device.Office of Aerospace Medicine, Washington, DC20591, Patrick L.M., Kroell C.K., Mertz H.J.,Forces on the human body in simulated crashes. In Proceedings of the 9th Stapp Car Crash Conference, Society of Automotive Engineers, Warrendale Hutchinson J., Kaiser M.J., Lankarani H.M.,The Head Injury Criterion (HIC) functional. Applied Mathematics and Computation 96 (1998), p. 1 16, Elsevier Science Inc. 13. Macky M.,The increasing importance of the biomechanics of impact trauma. Sadhana, vol. 32, part 4, 2007, p National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA), Department of Transportation (DOT). Occupant Crash Protection Head Injury Criterion S6.2 of MVSS , Docket 69 7, Notice 17, HNTSA, Washington, DC, LS-DYNA theoretical manual, AEP-55 Procedures for evaluating the protection level of logistic and light armoured vehicle, Volume 2 for mine threat (Edition 2), NATO/PfP Unclassified publication Test Methodology for Protection of Vehicle Occupants against Anti-Vehicular Landmine Effects, Wydawnictwo RTO/NATO 2007.RTO 18. Barnat W., Gieleta R., Niezgoda T., Experimental investigation of selected explosion parameters for numerical model validation, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 19, No. 4, STANAG Protection levels for logistic and light armoured vehicle occupants. NATO/PfP Unclassified