MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 54, ISSN 1896-771X NUMERYCZNA ANALIZA ODDZIAŁYWANIA DUŻYCH BOCZNYCH ŁADUNKÓW WYBUCHOWYCH NA ZAŁOGI POJAZDÓW SPECJALNYCH Wiesław Barnat Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie email: wbarnat@wat.edu.pl Streszczenie W pracy przedstawiano wyniki analizy numerycznej układu mechanicznego pojazd-wybuch. Wybuch został zamodelowany funkcją CONWEP. Numerycznej analizy dokonano w oprogramowaniu LS-DYNA. Pojazd został opisany elementami Lagrange a. W artykule przedstawiono wyniki obliczeń numerycznych dla elementów struktury nośnej wozu bojowego obciążonej udarem wygenerowanym wybuchem dużego ładunku wybuchowego umieszczonego z boku. Ze względu na sposób obciążenia konstrukcji zastosowana metoda nie pozwala na uwzględnienie zjawisk zachodzących podczas odbicia fali od podłoża. Słowa kluczowe: pojazd specjalny, wybuch, analiza MES NUMERICAL ANALYSIS OF THE IMPACT OF HIGH EXPLOSIVES IN SIDE LOADS OF CREW SPECIAL VEHICLES Summary In this paper presents the results the numerical analysis of a mechanical system vehicle-explosion. The outbreak was modeled CONWEP function. Numerical analysis has been made in the software LS-DYNA. The vehicle was described Lagrange elements. The article presents the results of numerical calculations for the elements of the support structure of the combat vehicle loaded with explosive surges generated a large explosive device on the side. However, the method does not allow for consideration of the phenomena occurring during the wave reflections from the ground. Keywords: military vehicle, blast wave, numerical analysis 1. WSTĘP W niniejszej pracy przedstawiono metodykę analizy metodą elementów skończonych oddziaływania dwóch ładunków 25 i 50 kg na załogę pojazdów specjalnych. W przypadku oddziaływania wybuchu na pojazd istnieje możliwość klasyfikacji skutków na: przewrócenie pojazdu, podrzucenie pojazdu (oddziaływanie na załogę pojazdu podczas poderwania i opadania), penetrację pancerza, powstanie fali membranowej [1]. Głównym czynnikiem oddziaływania wybuchu na załogę jest przyśpieszenie. Wybuch (impuls ciśnienia) oddziaływający na bok 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 i eksplozji materiałów wybuchowych [2, 3, 4, 5]. Praktycznie wyniki tych prac są utajnione. 14
Wiesław Banat W przypadku braku zastosowania pasów (lub ich niezapięcia) istnieje duże prawdopodobieństwo uderzenia głową w strop lub zderzenia członków załogi o siebie. Uderzenie o strop może poskutkować uszkodzeniem partii szyjnej kręgów kręgosłupa. Odpowiedź organizmu ludzkiego zbadali między innymi Patrick Kroll i Mertz [6] stwierdzając, iż najbardziej narażonym organem ludzkiego ciała na przeciążenia jest mózg. Autorzy wykazali zależność pomiędzy wielkością impulsu a jego czasem oddziaływania. W niniejszej pracy skupiono się na skutkach oddziaływania ładunków na pojazd, a w zasadzie na ciało ludzkie. W pracy przedstawiono skutki oddziaływania ładunków wybuchowych na załogi pojazdów specjalnych. 2. OPIS MODELI NUMERYCZNYCH 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 na modelowanie złożonych zjawisk z zakresu klasycznej mechaniki, mechaniki przepływów, dynamicznych zjawisk, jak i oddziaływania silnych nieciągłości na różnego rodzaju struktury. W obliczeniach wykorzystano model człowieka Hybrid III Dummy 95% Male [7] przedstawiony na rys. 1. Rys. 1. Model manekina Hybrid III Dummy na siedzeniu z zagłówkiem Model ten został opracowany i przebadany przede wszystkim dla przemysłu motoryzacyjnego. Model ten jest wykorzystywany w badaniach nad zwiększeniem bezpieczeństwa kierowców, pasażerów, a także uczestników wypadków. Manekiny Hybrid III i EuroSID II, jak już wspomniano, są wykorzystywane do symulacji odpowiedzi ciała ludzkiego na obciążenie impulsowe [8]. Dzięki budowie zbliżonej do budowy człowieka analiza uzyskanych wyników daje pełny obraz prawdopodobieństwa doznanych urazów. W swojej książce, z 1964 r., J. Grzegorzewski [2] wykazał, iż przyśpieszenie ok. 100 g przez 2ms jest śmiertelne. Dokładniejsze badania przedstawił w 1996 roku Allem i wartość tę zwiększył do 150 g przez 2ms. Praktycznie przeżywalność załóg pojazdów została opisana w AEP-55. Są to określone wielkości powstałe w wyniku badań nad przeżywalnością. Dodatkowe prace w NATO [9] 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%. W niniejszej pracy zamieszczono wyniki wstępnych analiz numerycznych oddziaływania wybuchu dużego bocznego ładunku IED na pojazd specjalny. W przeprowadzonych analizach za obiekt badań przyjęto pojazd kołowy o masie około 22t. Ładunek IED umiejscowiony był zgodnie ze schematem przedstawionym na rys. 2. Rys. 2. Schemat umieszczenia ładunku względem kadłuba pojazdu Analizie poddano dwa przypadki obciążenia pojazdu ładunkiem 25 i 50 kg. Elementy Lagrange a typu Shell Quad 4 wykorzystano do modelowania zachowania się korpusu pojazdu. Elementom tym nadano następujące własności mechaniczne: E = 2,1 10 9 MPa, ν = 0,31. Do opisu zachowania się stali wykorzystano biliniowy model materiału elastoplastycznego. Za kryterium zniszczenia przyjęto maksymalne odkształcenie [7]. Ogólny widok modelu numerycznego pojazdu jak i przekrój całego układu został przedstawiony na rys. 3. Rys. 3. Model numeryczny pojazdu z członkiem załogi 15
NUMERYCZNA ANALIZA ODDZIAŁYWANIA DUŻYCH BOCZNYCH ŁADUNKÓW W poprzednich pracach przebadano wpływ zagłówka na przeżywalność żołnierzy [10], dlatego skupiono się na zwiększeniu ładunku oddziałującego na załogę pojazdu. Podczas analiz numerycznych uwzględniono oddziaływanie grawitacji na model numeryczny. Wszystkie testy wojskowych pojazdów opancerzonych są przeprowadzane zgodnie z odpowiednią normą, w tym przypadku jest to NATO STANAG 4569. 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 analizę modelu pojazdu obciążonego ładunkiem IED znacznie przekraczającym masę miny TM 57. Ładunek wybuchowy umieszczono w innym niż opisanym w AEP-55 miejscu. b) c) d) 3. WYNIKI ANALIZ NUMERYCZNYCH 3.1.WYNIKI ANALIZ NUMERYCZNYCH - OBCIĄŻENIE 25 KG W wyniku wybuchu ładunku nastąpiło oddziaływanie fali ciśnienia na bok pojazdu. Na rys. 4 pokazano kolejne fazy przemieszczenia kadłuba pojazdu pod wpływem 25 kg ładunku TNT. Ładunek wybuchowy przesunął cały pojazd. Taka odpowiedź układu została spowodowana zastosowanym sposobem modelowania (wyborem metody generowania impulsu ciśnienia). Przesunięcie niesymetryczne zostało spowodowane niesymetrycznością kadłuba pojazdu oraz sposobem umieszczenia ładunku poza środkiem ciężkości. Analizując rysunki 4a-d, warto zauważyć, że plecy manekina oderwały się od siedziska. Oderwanie się pleców nastąpiło pomimo zastosowania pasów bezpieczeństwa. a) Rys. 4. Sposób deformacji kadłuba pojazdu oraz oddziaływania wybuchu na manekina w rożnych chwilach czasowych: a) 0.2 s, b) 0.3 ms, c) 0.4 ms, d) 0.5 ms Główną ocenę urazowości przeprowadza się w wyniku analiz przebiegów czasowych wielkości fizycznych przedstawionych na wykresach poniższych (rys 5-8). Wartości maksymalne mierzonych wielkości przedstawiono dodatkowo w tabeli 1. Sposób obciążenia pojazdu wymusza inne oddziaływanie na członka załogi niż dotychczas. Przeważnie pojazdy były badane na obciążenie wybuchem ładunku umieszczonym pod kołem lub centralnie. Skutkowało to dużymi wartościami sił i przyspieszeń pionowych działających na człowieka. W omawianym przypadku wartości siły ściskającej piszczele wynosi około 141 N (rys. 5). Rys. 5. Wykres siły wzdłużnej w obu piszczelach [N i ms] 16
Wiesław Banat Rys. 6. Wykres przyspieszenia w kierunku pionowym miednicy [N i ms] W omawianym przypadku maksymalna wartość przyśpieszenia w kierunku pionowym miednicy wyniosła 3.7 g (rys. 6). Podobnie jak w poprzednim przypadku ładunek wybuchowy przesunął cały pojazd. Taka odpowiedź układu została spowodowana zastosowanym sposobem modelowania (wyborem metody generowania impulsu ciśnienia). Przesunięcie niesymetryczne zostało spowodowane niesymetrycznością kadłuba pojazdu oraz sposobem umieszczenia ładunku poza środkiem ciężkości. a) b) Rys. 7. Wykres siły wzdłużnej w kręgosłupie [N i ms] Podobnie, jak w przypadku przyspieszeń w kręgosłupie, wartość siły wzdłużnej w kręgosłupie nie osiąga krytycznych wielkości i wynosi 3750 N (rys. 7). c) d) Rys. 8. Wykres siły wzdłużnej i poprzecznej w szyi [N i ms] Interesujący jest wykres sił w odcinku szyjnym kręgosłupa. Praktycznie wartości te mogą się różnić od uzyskanych ze względu na siły bezwładności związane ściśle z masą układu. W rzeczywistym pojeździe żołnierz siedzi z założonym hełmem na głowie. W porównaniu z wartościami siły w kończynach dolnych maksymalna wartość siły rozciągającej Fz wyniosła 168 N a siły poprzecznej (ścinającej) Fx 150 N. 3.2.WYNIKI ANALIZ NUMERYCZNYCH - OBCIĄŻENIE 50 KG W wyniku wybuchu ładunku nastąpiło oddziaływanie fali ciśnienia na bok pojazdu. Na rys. 9 pokazano kolejne fazy przemieszczenia kadłuba pojazdu pod wpływem 50 kg ładunku TNT (dwa razy większego niż w poprzednim przypadku). Rys. 9. Sposób deformacji kadłuba pojazdu oraz oddziaływania wybuchu na manekina w rożnych chwilach czasowych: a) 0.2 s, b) 0.3 ms, c) 0.4 ms, d) 0.5 ms Analizując rysunki 9a-d, warto zauważyć, iż, podobnie jak w poprzednim przypadku, plecy manekina Hybryd III oderwały się od oparcia siedziska. Oderwanie się pleców nastąpiło pomimo zastosowania pasów bezpieczeństwa. Główną ocenę urazowości przeprowadza się w wyniku analiz przebiegów czasowych wielkości fizycznych przedstawionych na poniższych wykresach (rys 10-13). Wartości maksymalne mierzonych wielkości przedstawiono dodatkowo w tabeli 1. Sposób obciążenia pojazdu wymusza inne oddziaływanie na członka załogi niż dotychczas. 17
NUMERYCZNA ANALIZA ODDZIAŁYWANIA DUŻYCH BOCZNYCH ŁADUNKÓW Przeważnie pojazdy były badane na obciążenie wybuchem ładunku umieszczonym pod kołem lub centralnie. Skutkowało to dużymi wartościami sił i przyspieszeń pionowych działających na człowieka. W omawianym przypadku wartości siły ściskającej piszczele wynosi około 462 N (rys. 10). Interesujący jest wykres sił w odcinku szyjnym kręgosłupa. Praktycznie wartości te mogą się różnić od uzyskanych ze względu na siły bezwładności związane ściśle z masą układu. W rzeczywistym pojeździe żołnierz siedzi z założonym hełmem na głowie. Tabela 1. Maksymalne wartości z przebiegów przyspieszeń i sił. Masa TNT Miednica Z Miednica Fz Szyja Fz Szyja Piszczel R Fz Piszczel L Fz [kg] [g] [ N] [ N] [ N] [ N] [ N] Rys. 10. Wykres siły wzdłużnej w obu piszczelach [N i ms] 50 kg 10 10500 1333 165 262 462 25 kg 6,2 236 0 400 100 262 225 W porównaniu z wartościami siły w kończynach Rys. 11. Wykres przyspieszenia w kierunku pionowym miednicy [N i ms] W omawianym przypadku maksymalna wartość przyśpieszenia w kierunku pionowym miednicy wyniosła 10 g (rys. 11). Rys. 12. Wykres siły wzdłużnej w kręgosłupie [N i ms] Podobnie, jak w przypadku przyspieszeń w kręgosłupie, wartość siły wzdłużnej w kręgosłupie nie osiąga krytycznych wielkości i wynosi ona 10500 N (rys. 12). dolnych maksymalna wartość siły rozciągającej Fz wyniosła 1333 N a siły poprzecznej (ścinającej) Fx 165 N. 4. WNIOSKI W artykule przedstawiono jeden z wycinków analizy ochrony żołnierzy poruszających się w pojazdach specjalnych. Dotychczasowe prace nie obejmowały oddziaływania bocznego dużych ładunków na załogi pojazdów. Zastosowanie metody elementów skończonych do analiz numerycznych pozwala na ograniczenie czasu trwania procesu konstruowania. Warto pamiętać, że uzyskanie wiarygodnych wyników nie zwalnia konstruktorów z podejścia krytycznego do uzyskanych wyników. Dodatkowo warto zauważyć, iż niektóre wielkości służące do oceny wartości przeżywalności ludzi zostały przekroczone. Konieczne jest więc przeprowadzenie modyfikacji sposobu usadowienia żołnierzy desantu. Odpowiednie umieszczenie ładunku względem pojazdu może spowodować powstawanie wielu niekorzystnych, z punktu widzenia ochrony pojazdu, zjawisk. Przy zastosowaniu granicznej wartości ładunku może nastąpić przewrócenie pojazdu lub podrzucenie go. Rys. 13. Wykres siły wzdłużnej i poprzecznej w szyi [N i ms] 18
Wiesław Banat Literatura 1. Barnat W.: Numerical and experimental investigation on internal membrane pressure wave inside sealed structure. Bulletin of the Polish Academy of Sciences 2013, 61, 3, p. 613-621. 2. Grzegorzewski J.: Przyśpieszenia, przeciążenia, nieważkość. Warszawa: Wyd. MON, 1964. 3. Krzystała E., Kciuk S., Mężyk A.: Identyfikacja zagrożeń załogi pojazdów specjalnych podczas wybuchu. Radom: Wyd. Nauk. Instytutu Technologii Eksploatacji-PIB, 2012. 4. Tejszerska D., Świtoński E., Gzik M.: Biomechanika narządu ruchu człowieka. Radom: Wyd. Nauk. Instytutu Technologii Eksploatacji-PIB, 2011. 5. Rusiński E.: Mikrokomputerowa analiza ram i nadwozi pojazdów i maszyn roboczych. Warszawa: WKiŁ, 1990. 6. 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, Warrendale1965, p. 237-260. 7. LS-DYNA Theoretical Manual 1998. 8. Barnat W.: Numeryczna analiza oddziaływania dużych ładunków wybuchowych na załogę pojazdów specjalnych. Logistyka 2014, nr 5, CD 1, s. 54-60. 9. Test methodology for protection of vehicle occupants against anti-vehicular landmine effects. Wyd. RTO/NATO 2007.RTO. 10. Barnat W.: Numerical examination of the influence of headrest use on the body of a soldier in a vehicle loaded with a 25 kg side load Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2015. (w opracowaniu) 19