WYBRANE PROBLEMY INYNIERSKIE ZASTOSOWANIE

WYBRANE PROBLEMY INYNIERSKIE ZASTOSOWANIE

WYBRANE PROBLEMY INYNIERSKIE
ZESZYTY NAUKOWE
INSTYTUTU AUTOMATYZACJI PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH
I ZINTEGROWANYCH SYSTEMÓW WYTWARZANIA
ZASTOSOWANIE CZUJNIKÓW CINIENIA DO IDENTYFIKACJI
OBCIENIA KOŁOWYCH POJAZDÓW WOJSKOWYCH FAL
UDERZENIOW WYBUCHU
Piotr Saska1, Edyta Kania2
Wysza Szkoła Oficerska Wojsk Ldowych, im. gen. T. Kociuszki we Wrocławiu,
Zakład Inynierii Wojskowej, [email protected]
2
Politechnika lska, Wydziała Mechaniczny Technologiczny, Katedra Mechaniki Stosowanej,
ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice, [email protected]
1
Streszczenie: W artykule przedstawiono podstawowe aspekty wpływu oddziaływania fali
uderzeniowej wybuchu na kołowe pojazdy wojskowe, wykorzystywane w obecnych działaniach
zbrojnych w Iraku i Afganistanie oraz jej wpływ na konstrukcje pojazdów. Zidentyfikowano równie
parametry działania fali powstałej w wyniku eksplozji. Ponadto, na podstawie przykładowych bada
eksperymentalnych zaprezentowano moliwoci zastosowania czujników cinienia do identyfikacji
omawianego zjawiska.
1.
Wstp
Podstawowym rodkiem walki współczesnych konfliktów zbrojnych s ładunki
wybuchowe. Najwiksze zagroenie dla pojazdów specjalnych i ich załóg stanowi miny
ldowe, a w szczególnoci improwizowane urzdzenia wybuchowe. W zalenoci od masy
ładunku i rodzaju inicjacji, połczenie fali wybuchu oraz powstałych odłamków prowadzi do
impulsowego obcienia dna pojazdu. Impuls ten w kilka milisekund skutkuje wysokim
przyspieszeniem, powodujcym urazy, a nawet mier załogi. Konstrukcja pojazdów
obciona fal uderzeniow zmienia rozkład napre, co przejawia si jej wychyleniem
z połoenia równowagi oraz odkształceniem plastycznym. Zatem standardem nowoczesnych
konstrukcji pojazdów wojskowych, poruszajcych si w strefie konfliktu zbrojnego, jest
zapewnienie odpowiedniego poziomu ochrony balistycznej. Podstawowym dokumentem
okrelajcym wymagania, co do ochrony balistycznej jest STANAG 4569. Istot rozwoju
metod i rodków ochrony przeciwminowej jest identyfikacja wpływu oddziaływania fali
uderzeniowej na konstrukcje pojazdu oraz jego załog. Zasadniczymi parametrami fali
uderzeniowej, wpływajcymi na powstawanie zagroe dla otoczenia s impuls nadcinienia
i nadcinienie fali uderzeniowej. Problem wyznaczania parametrów fali uderzeniowej
wybuchu, powstałej po detonacji ładunków o rónej masie, kształcie oraz właciwociach
fizyko – chemicznych, jest przedmiotem bada wielu orodków naukowych.
2.
Cel i zakres pracy
Celem pracy jest przedstawienie moliwoci zastosowania czujników cinienia do
identyfikacji parametrów fali uderzeniowej wybuchu na konstrukcje kołowych pojazdów
wojskowych, wykorzystywanych w działaniach bojowych w Afganistanie i Iraku.
Zakres pracy obejmuje:
- analiz oddziaływania wybuchu min ldowych i improwizowanych urzdze
wybuchowych na pojazdy wojskowe i ich załog,
- charakterystyk parametrów fali uderzeniowej wybuchu,
ZASTOSOWANIE CZUJNIKÓW CIĝNIENIA DO IDENTYFIKACJI OBCIĄĩENIA KOŁOWYCH POJAZDÓW …
- przedstawienie moliwoci zastosowania czujników cinienia PCB Piezotrinics do
identyfikacji parametrów fali uderzeniowej wybuchu.
3.
Wpływ fali uderzeniowej wybuchu na kołowe pojazdy specjalne
W cigu kilku lat trwania walk w Iraku i Afganistanie liczba ataków z uyciem min
ldowych oraz improwizowanych urzdze wybuchowych IED na wojska koalicji znacznie
wzrosła. W ich wyniku mier poniosło lub zostało rannych wielu ołnierzy (rys. 1).
Konstrukcja pojazdów wojskowych, wykorzystywanych w strefie działa zbrojnych,
naraona jest na oddziaływanie fali uderzeniowej powstałej w wyniku wybuchu min
ldowych oraz prowizorycznych ładunków wybuchowych pod kołami, kadłubem lub
z boku pojazdu. Tego typu zagroenia wymusiły okrelenie wymaga
w zakresie ochrony balistycznej lekkich samochodów opancerzonych, wprowadzanych na
wyposaenie sił zbrojnych.
Rys. 1. Liczba ołnierzy wojsk koalicyjnych w Iraku i Afganistanie, którzy zginli w wyniku eksplozji
IED i innych ładunków wybuchowych w latach 2001-2010 [1, 2]
W odpowiedzi na zaistniał sytuacj pastwa, których wojska walcz w Iraku
i Afganistanie, wprowadziły na wyposaenie pojazdy tzw. MRAP (Mine Resistant Ambush
Protected), zapewniajce poruszajcym si nimi ołnierzom ochron przed generowan, przez
detonacj min i prowizorycznych urzdze wybuchowych, fal uderzeniow wybuchu.
4.
Parametry identyfikujce działanie fali uderzeniowej wybuchu
Podstawowymi parametrami fali uderzeniowej, okrelajcymi jej mechaniczne
oddziaływanie s:
- maksymalne nadcinienie na czole fali uderzeniowej: p+ = p+ - p0,
- maksymalne podcinienie fali uderzeniowej: p- = p0 - p..-),
- czas oddziaływania fazy nadcinienia i podcinienia,
- impuls cinienia [3].
Dodatkowo, jako charakterystyk fali uderzeniowej wyznacza si dodatni i ujemny impuls
cinienia, bdcy całkami po czasie nadcinienia i podcinienia.
p0 – warto cinienia niezaburzonego orodka;
p- – minimalna warto cinienia fali uderzeniowej;
- - czas trwania ujemnej fazy cinienia.
t0 – moment rejestracji czoła fali uderzeniowej;
+ - czas trwania dodatniej fazy impulsu cinienia. [3]
SASKA P., KANIA E.
Rys. 2. Przebieg zmiany wartoci cinienia w czasie [3]
5.
Badania eksperymentalne
Czujniki cinienia mona podzieli na dwie grupy:
- czujniki cinienia fali padajcej, mierzce cinienie niezakłóconej fali mijajcej
swobodnie czujnik,
- czujniki cinienia odbitego, zazwyczaj wmontowywane w płaskie powierzchnie, na
których nastpuje spitrzenie fali [6].
Podczas przeprowadzania prób poligonowych, polegajcych na pomiarze parametrów fali
uderzeniowej generowanej podczas detonacji ładunków wybuchowych, zastosowano czujniki
cinienia PCB Piezotrinics Inc. serii 138A. W połczeniu z odpowiednio szybkimi
rejestratorami pozwalaj na wyznaczenie przebiegu, zmiennych w czasie, wartoci cinienia
w orodku, wynikajcych z przejcia fali w wybranym punkcie przestrzeni.
a)
b)
c)
Rys. 3. Eksperyment badawczy polegajcy na pomiarze charakterystyki fali uderzeniowej wybuchu:
a) badany obiekt, b) wybuch ładunku c) zestaw oprzyrzdowania do rejestracji pomiarów
Czujniki te s tak skonstruowane, e umoliwiaj rejestrowanie nadcinienia fali
uderzeniowej przechodzcej. S czujnikami elektromechanicznymi, przetwarzajcymi
cinienie czyli stosunek działajcej siły do powierzchni elementu czynnego czujnika, na
proporcjonalny sygnał napiciowy. Wyjciowy sygnał napiciowy uzyskiwany jest poprzez
wykorzystanie efektu piezoelektrycznego [5].
a)
b)
Rys. 4. Czujniki cinienia PCB Piezotronics Inc. serii 138a zastosowane w badaniach
dowiadczalnych do identyfikacji parametrów fali uderzeniowej wybuchu
c)
ZASTOSOWANIE CZUJNIKÓW CIĝNIENIA DO IDENTYFIKACJI OBCIĄĩENIA KOŁOWYCH POJAZDÓW …
6.
Podsumowanie
Problem oddziaływania fali uderzeniowej na pojazdy wojskowe jest zagadnieniem
złoonym. Jego rozwizanie wymaga znajomoci wielu zagadnie z zakresu teorii fal
uderzeniowych oraz jej wpływu na obiekty rzeczywiste. Zaprezentowana metodyka bada
pozwala wyznaczy parametry fali uderzeniowej wybuchu. Najistotniejsz kwesti
w przypadku analizy oddziaływania fali uderzeniowej na pojazdy specjalne jest
przeprowadzenie bada dowiadczalnych i poligonowych.
Prace te maj na celu identyfikacj wpływu oddziaływania fali uderzeniowej na
konstrukcj pojazdu oraz jego załog, co jest istot rozwoju metod i rodków ochrony
przeciwminowej.
Przystpujc do dalszych bada dowiadczalnych naley uwzgldni wnioski:
- charakterystyki fali uderzeniowej wybuchu zale nie tylko od kształtu ładunku
wybuchowego, ale równie od odległoci od niego oraz miejsca ustawienia (na lub pod
powierzchni gruntu, rodzaj gruntu - piaszczysty, gliniasty);
- w przypadku, gdy fala odbija si od przeszkody, ulega spitrzeniu i warto cinienia moe
wielokrotnie wzrosn (warto cinienia zaley od kta jej padania na obcian
konstrukcj);
- warto cinienia odbitego od płyty, której powierzchnia jest równoległa do ładunku
wybuchowego, odwzorowuj rozwizania numeryczne otrzymane w przypadku ładunku
sferycznego.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Livingston I. S., Messera H. L., O’Hanlon M.: Reconstruction & Security in Post-9/11
Afghanistan,
[online].
[Dostp:
20.03.2010].
Dostpny
w
Internecie:
www.brookings. edu/~/media/Files/Programs/FP/afghanistan%20index/index.pdf.
Iraq Index, Tracking Variables of Reconstruction & Security in Post-Saddam Iraq,
[online]. [dostp: 20.03.2010]. Dostpny w Internecie: http://www.brookings.edu/saban/
~/media/Files/ Centers/Saban/Iraq%20Index/index.pdf.
Kuczaj A. K.: Modelling of detonation products scattering from a cylindrical explosive
charge, [online]. [dostp: 20.03.2010]. Dostpny w Internecie: http://www.kuczaj.pl
/pages/msc/akuczaj_MastersThesis.pdf.
Paszula J., Maranda A., Gołbek B., Kasperski J.: Zdolno do wykonywania pracy
górniczych materiałów wybuchowych w tecie wybuchu podwodnego „Górnictwo
i Geoinynieria”, 2004, Rok 28, Z. 3/1, s. 385 - 396,
Rosenkiewicz D.: Okrelenie dynamiki wybuchu rodków pirotechnicznych. Praca
naukowo-badawcza. Wrocław 2005.
Smith P. D., Hetherington J. G.: Blast and ballistic Loading of Structures. Oxford 2003.
APPLICATION OF THE PRESSURE SENSORS FOR
IDENTYFICATION OF LOADOF AWHEELED MILITARY
VEHICLESBY SHOCK WAVE
Summary: In the article the main aspect of the identification of a shock wave load on the wheeled
military vehicles, used in currenthostilities in Iraq and Afghanistan,wereintroduced. Moreover, the
influence of shock wave load on a vehicle structure and shock wave parameters were discussed. On
the base of exemplary, experimental research possibilities of pressure sensors application for
identification of discussed phenomena were presented.