冲击载荷作用下车辆驾驶室底部结构损伤机理及优化研究

Landmine explosion shock wave impact on special vehicle cab structure is mainly manifested in the transient vertical impact load, the configurations of the bottom of the cab plays a vital role in the protective properties of the vehicle. This subject through the combination of FEM and experiment, consider the randomness of the position where the shock loads impact on the bottom of the vehicle cab, analyze the impact on the output response of different structures at the bottom of the cab、 the properties of different materials and simulation parameters under the impact load, research on the coupling relationship between impact load and structure, material properties etc., then reveal the damage mechanism of the complex structures at the bottom of the vehicle cab under the impact load; By analyzing the structural damage at the bottom of the vehicle cab under impact load, identify the weak parts of the bottom of the vehicle cab structure, using multi-objective optimization methods to explore the effective anti-shock loads structure and form of the vehicle cab; Through the study of vehicle mine protection test methods, combine with foreign protection test standard of special vehicles, to explore a universal mine protection vehicle cab trials and tests methods which is suitable for China. The research on the structure damage mechanism of the bottom of the vehicle cab and optimization under the landmine explosion impact load is groundbreaking, which has important significance to improve the viability of vehicle in mine-field environment.

地雷爆炸产生的冲击波对特种车辆驾驶室结构的影响主要表现在瞬态垂直冲击载荷，驾驶室底部构型对于车辆的防护性能起着至关重要的作用。本课题通过有限元仿真与试验相结合的方法，考虑冲击载荷对车辆驾驶室底部冲击位置的随机性，分析冲击载荷作用下驾驶室底部不同结构、不同材料及属性、仿真参数等对输出响应的影响，研究冲击载荷与结构形式、材料属性等之间的耦合关系，揭示冲击载荷作用下车辆驾驶室底部复杂结构的损伤机理；通过分析冲击载荷作用下车辆驾驶室底部结构损伤，找出车辆驾驶室底部结构的薄弱部位，采用多目标优化方法，探索车辆驾驶室防冲击载荷的有效结构与形式；通过对车辆地雷防护试验方法的研究，结合国外特种车辆防护试验标准，探索一套适合我国国情的通用车辆驾驶室地雷防护试验和测试方法。本课题开展地雷爆炸冲击载荷作用下车辆驾驶室底部结构损伤机理及优化的研究具有开创性，对提高车辆在地雷场环境下的生存能力具有重要的意义。

地雷爆炸产生的冲击波对特种车辆驾驶室结构的影响主要表现在瞬态垂直冲击载荷，驾驶室底部构型对于车辆的防护性能起着至关重要的作用。冲击载荷作用下的车辆驾驶室底部结构损伤机理、优化设计方法和防护试验方法研究是如何提升车辆底部防护性能的三个关键科学问题。基于此，本课题首先对底部结构进行了一系列材料专项试验，建立了防护材料的本构方程、损伤模型和状态方程，并研究了不同材料本构对仿真结果的影响，保证了爆炸仿真的计算精度。提出了LBE爆炸仿真方法，经地雷爆炸环境下板壳结构仿真与试验验证，与传统的ALE方法相比较，LBE爆炸仿真方法建模简单，整体模型网格数量较少，大幅减少计算时间，提高效率，计算结果与试验及ALE方法结果有着良好的一致性，准确可靠；利用仿真与试验，研究了V型组件的置偏效应、间隙效应，探讨了面板装甲材料、压缩方向、夹芯层蜂窝形貌对爆炸冲击能量吸收的影响，揭示了冲击载荷作用下车辆驾驶室底部结构损伤机理；提出了的车辆底部防护结构Pareto最优优化方法、基于因子分析的变量空间降维多学科优化方法，利用该优化方法在车辆驾驶室底部结构的设计中能以较少的计算花费，高精度地求解车身抗爆炸多学科优化问题；最后开展了爆炸冲击载荷作用下车辆驾驶室防护试验方法研究，明确了试验中的土壤条件、爆炸物规格、传感器型号、假人姿态等一系列关键参数，探索出一套行之有效的通用车辆驾驶室防护试验试验方法和测试方法。本项目的开展为地雷爆炸冲击载荷作用下车辆驾驶室底部结构损伤机理及优化的研究提供了理论和试验基础，本项目圆满完成了研究目标，项目研究过程中的科研成果现已顺利推广使用，应用于多款防护型车辆的底部结构设计中，对提高车辆在地雷场环境下的生存能力具有重要的意义。