劉 鑫，王運斗，任惠民，李 猛，蘇 琛*

（1.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津300161；2.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京 100082；3.解放軍32142部隊，河北保定 071000）

0 引言

隨著武器裝備的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中火線和后方的界限越來越模糊。衛(wèi)勤方艙作為我軍機動衛(wèi)生力量的重要組成部分，是承載醫(yī)療設(shè)備和傷病員的主要裝備[1]，需要根據(jù)不同的作戰(zhàn)任務(wù)，滿足特定的強度、剛度和防護要求，以最大限度地保障人員和設(shè)備的安全[2]。

軍用方艙最早起源于朝鮮戰(zhàn)場，美軍將機動作戰(zhàn)設(shè)備調(diào)試好安裝于方艙中，大大提高了作戰(zhàn)的機動性[3-5]。軍用方艙現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于我軍的后勤保障、指揮通信和武器裝備等領(lǐng)域[2，6]，并且在民用領(lǐng)域也廣泛應(yīng)用[7]。我軍現(xiàn)階段的方艙由薄鋁板蒙皮和硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料作夾芯的方艙大板構(gòu)成，在高速彈片的沖擊和輕武器的射擊下會被洞穿，嚴重威脅方艙內(nèi)工作人員和上裝設(shè)備的安全[2-3]。

國內(nèi)方艙現(xiàn)有的防彈措施主要有防彈方艙和防彈披掛2類。防彈方艙主要通過大板內(nèi)嵌入防彈材料和大板表面附著防彈材料實現(xiàn)，需要更新整個方艙，成本較高。防彈披掛經(jīng)常用于有防爆需求的裝甲車中，現(xiàn)使用的披掛大部分是專車專用，很少有通用產(chǎn)品。大部分披掛安裝使用車體預(yù)留螺栓打孔以及防彈材料打孔，通過螺栓連接的方法固定在外壁。這種連接方式適用于機動車輛的安裝，可以使材料與車輛連接緊固，但需要預(yù)留螺栓孔[8]，而且防彈材料在受到子彈或彈片高速沖擊后會產(chǎn)生背凸，不優(yōu)化處理就會使車體或艙體受到損傷，防彈材料連同螺栓會發(fā)生形變。通常采用架空防彈材料或在防彈材料背部與艙壁之間加入柔性材料抵消背凸對車體的損傷，這無疑增加了防彈裝甲的厚度，影響機動車輛的通過性。

本文為滿足衛(wèi)勤方艙后勤保障、應(yīng)急救援和反恐維穩(wěn)等軍事行動對快速部署能力的需求，設(shè)計模塊化防彈披掛，以輕量化、標準化為目標，既滿足衛(wèi)勤方艙的防護升級需求，又具有升級難度低、通用性好、拆裝迅速、成本低、對方艙艙體結(jié)構(gòu)影響小等優(yōu)點。

1 衛(wèi)勤方艙模塊化防彈披掛設(shè)計

該披掛由多塊模塊化防彈板組裝而成，覆蓋在方艙表面，模塊化防彈板直接通過C型卡鉗、壓管等與方艙邊緣或艙體大梁連接，通過不銹鋼支架安裝彈簧鎖扣以方便安裝防彈板，可拆卸的支架可滿足模塊化防彈板的多種披掛方式。模塊化防彈板披掛方式如圖1所示。

圖1 模塊化防彈板披掛方式示意

模塊化防彈披掛的主要配件有S型槽、可延伸支撐桿、C型卡鉗、壓管等，如圖2所示。S型槽是鈑金加工件，起主要連接作用，可根據(jù)方艙的擴展面上部邊緣特征結(jié)合艙體大梁結(jié)構(gòu)設(shè)計；可延伸支撐桿作用有2個，一是可以給防彈板提供支撐減少卡扣受到的載荷，二是限制防彈板的旋轉(zhuǎn)自由度，防止晃動導(dǎo)致鎖扣脫落；C型卡鉗根據(jù)方艙的吊裝環(huán)設(shè)計，吊裝環(huán)在吊裝時是受力主體，具有較高的強度和硬度，卡鉗一端通過螺桿固定在吊裝環(huán)上，另一端頭部是矩形壓管；壓管壓在S型槽的凹槽處，用于為除擴展面外的艙體安裝披掛。

根據(jù)方艙的結(jié)構(gòu)和防彈需求分析，防彈披掛主要是在方艙的擴展面和普通表面進行披掛，披掛方式如圖2所示。普通表面安裝方法是C型卡鉗一端固定在吊裝環(huán)上，另一端矩形壓管利用S型槽加以固定；擴展面基于其頂部邊緣凸起部分使用S型槽直接安裝。以CAF60標準雙擴方艙為例，安裝防彈披掛后，可以為方艙提供全面的防彈保護，如圖3所示。

圖2 模塊化防彈披掛掛裝示意圖

圖3 模塊化防彈披掛上裝方艙效果圖

2 模塊化防彈板設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

方艙防彈披掛由數(shù)塊標準防彈板組成，靠防彈板拼接組成方艙的防彈面，防彈面中的任何一塊損壞的防彈板可隨時卸下更換。防彈板掛接在方艙上，質(zhì)量由方艙承載。使用模塊化防彈板可減少運輸、安裝難度，降低后期維護費用及維護難度。

防彈披掛需滿足穩(wěn)固安裝、拆卸快捷、運輸方便的要求，且對不同類型和尺寸的方艙具有通用性，便于更換其中一塊或數(shù)塊防彈板。另外，方艙披掛安裝后不能影響艙載設(shè)備功能的發(fā)揮，不得妨礙方艙門窗開啟、通風和空氣調(diào)節(jié)。

防彈板的尺寸和質(zhì)量設(shè)計根據(jù)使用工況應(yīng)同時考慮2種情況：一是披掛過程，二是防彈板的運輸過程。在披掛過程中，模塊化防彈板應(yīng)能實現(xiàn)單人搬運、披掛和拆卸，因此防彈板的最大尺寸應(yīng)在0.8～1.0 m之間，質(zhì)量在25 kg左右為宜[3]。另外，披掛后方艙會承受增加的質(zhì)量，設(shè)計時還應(yīng)考慮到方艙所能承受的靜態(tài)質(zhì)量。在運輸時，防彈板的尺寸要合理有效地利用車載空間并滿足運輸車的尺寸限制，運輸中產(chǎn)生的動態(tài)沖擊不能影響防彈板的防護性能。

2.2 防彈板設(shè)計

模塊化防彈板箱組參照通用800 mm×600 mm×600 mm箱組的尺寸設(shè)計，整個箱組尺寸為800 mm×600 mm×600 mm，質(zhì)量為66 kg。依照箱組的6個面設(shè)置模塊化防彈板形狀，對應(yīng)頂（底）面、側(cè)面Ⅰ型、側(cè)面Ⅱ型，分別設(shè)計3個尺寸的模塊化防彈板，詳見表1。模塊化防彈板外殼由滾塑工藝成型，內(nèi)部夾層由防彈材料制成。綜合考慮輕量化要求和衛(wèi)勤方艙的防護要求，經(jīng)仿真計算，20 mm厚的超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）纖維可以有效防護7.62 mm初速為720 m/s的53式子彈[6]，實現(xiàn)防彈板的4級防護能力，如圖4所示。因此選取20 mm厚的UHMWPE纖維作為防彈夾層[9]，單塊防彈板質(zhì)量最大的約為18 kg，符合單人搬運及安裝的要求。

表1 模塊化防彈板尺寸

圖4 UHMWPE纖維（20 mm厚）侵徹過程應(yīng)力圖

防彈板模型圖如圖5所示。防彈板使用彈簧鎖扣連接，無需專業(yè)工具進行拆卸，從而實現(xiàn)快速拆裝的目的；模塊化防彈板之間使用預(yù)設(shè)的凹凸點進行定位，還能增加模塊化箱組的穩(wěn)定性和整體箱組的強度，提高防彈板的貼合率，幾乎沒有縫隙，可以減小防彈板連接處的防彈空擋；利用彈簧鎖扣行程長的優(yōu)點可以將2塊防彈板垂直連接，也可以把相對位置的2個有凹凸部分的防彈板組裝成一個平面，且彈簧的加持在受到振蕩時不容易使卡扣失效，可以保證模塊化防彈板在上裝車體和艙體時受到振蕩不容易脫落，增加可靠性[10]。根據(jù)使用需求，防彈板也可拼裝為箱組進行運輸，其內(nèi)部空間的尺寸是600 mm×520 mm×520 mm，如圖6所示，根據(jù)尺寸及使用情況考慮內(nèi)部還可以存放7塊側(cè)面板或者存放藥材與醫(yī)療耗材等。

圖5 防彈板模型圖

圖6 防彈板箱組模型圖

3 方艙披掛后強度校核

3.1 方艙主框架有限元分析

披掛安裝后艙體受力如圖7所示，陰影部分為披掛與頂面的接觸面，側(cè)面左右兩邊披掛質(zhì)量近似相等，前后面披掛質(zhì)量近似相等。大梁骨架受力：F1=1 600 N，接觸面積為38 mm×2 114 mm；F2=2 800 N，接觸面積為38 mm×5 934 mm。為便于計算，簡化后框架幾何模型如圖8所示，長6 058 mm、寬2 438 mm、高2 438 mm。

圖7 披掛安裝后艙體受力簡圖

圖8 框架幾何模型

主框架主要由Q345鋼焊接而成，橫截面為160 mm×80 mm的矩形，材料的彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.28，密度為7.85×103kg/m3，屈服強度為3.45×102MPa?？蚣芫W(wǎng)格劃分如圖9（a）所示。參照受力簡圖，定義框架邊界條件，如圖9（b）所示。經(jīng)計算框架位移、應(yīng)力云圖如圖9（c）、（d）所示，最大位移為4.484 8 mm，最大應(yīng)力為68.587 MPa，安全系數(shù)為1.569，剛強度滿足方艙設(shè)計承載要求。

圖9 方艙主框架強度校核結(jié)果

3.2 擴展面主框架有限元分析

披掛安裝后擴展面框架受力如圖10所示，側(cè)面左右兩邊披掛質(zhì)量近似相等。大梁骨架受力F=2 400 N，接觸面積為27 mm×4 797 mm。為了便于計算，簡化后擴展面框架幾何模型如圖11所示，長6 058 mm、寬2 438 mm、高2 438 mm。

圖10 擴展面框架受力簡圖

圖11 擴展面框架幾何模型

擴展面框架主要由鋁型材焊接而成，橫截面如圖12所示，材料的彈性模量為7.1×104MPa，泊松比為0.33，密度為2.77×103kg/m3，屈服強度為280 MPa。框架網(wǎng)格劃分如圖13（a）所示。參照受力簡圖，定義框架邊界條件，如圖13（b）所示?？蚣芪灰啤?yīng)力云圖如圖13（c）、（d）所示，最大位移為0.004 2 mm，最大應(yīng)力為172.79 MPa，剛強度滿足方艙設(shè)計承載要求。

圖12 擴展面主框架型材橫截面（單位：mm）

圖13 擴展面主框架強度校核結(jié)果

4 結(jié)語

本文針對衛(wèi)勤方艙的防護需求，同時兼顧攜帶方便、安裝迅速、維護便捷等要求，進行了模塊化防彈披掛的設(shè)計。通過設(shè)計防彈板的披掛方式，可以實現(xiàn)多種類型方艙的全面覆蓋，為方艙提供防彈保護；設(shè)計的防彈板安裝時可以按需進行模塊化組合，運輸時可以組合為標準箱組，實現(xiàn)了防彈板模塊化組合。以20 mm厚的UHMWPE纖維作為防彈夾層，對衛(wèi)勤方艙的主框架和擴展面主框架進行有限元計算，均滿足方艙的剛度和強度要求。由于本文設(shè)計的模塊化防彈板僅有3種尺寸，在方艙數(shù)量較少的情況下，根據(jù)實際情況可能會有某種尺寸防彈板的剩余，造成運輸資源的浪費，有必要進一步研究防彈板的模塊化組合方案。