МЕТОДИКА РАСЧЁТА ПУЛЕСТОЙКОСТИ СРЕДСТВ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ БРОНЕЗАЩИТЫ

Муляр Сергей Геннадьевич

аспирант кафедры "Технологии ракетно-космического машиностроения"

Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва

E-mail: m_sergey@inbox.ru

Галиновский Андрей Леонидович

канд. техн. наук, профессор кафедры "Технологии ракетно-космического машиностроения", Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва

Колпаков Владимир Иванович

канд. техн. наук, доцент кафедры "Технологии ракетно-космического машиностроения", Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва

Сайфутдинов Рустем Равильевич

начальник отдела перспективных технологий, ЗАО НПП "КлАСС", г. Москва

ARMOR BULLETPROOF CALCULATION METHODOLOGY

Andrey Galinovskiy

p.h.d., professor of "Rocket and space technologies" department

Bauman Moscow State Technical University, Moscow

Vladimir Kolpakov

p.h.d., docent of "Rocket and space technologies" department

Bauman Moscow State Technical University, Moscow

Sergey Mulyar

graduate student of "Rocket and space technologies" department

Bauman Moscow State Technical University, Moscow

Rustem Saifutdinov

"Prospective technology" department director of NPP "KlASS", Moscow

АННОТАЦИЯ

В работе приведены основные этапы методики расчёта пулестойкости средств индивидуальной защиты. Показаны результаты исследования пулестойкости бронезащиты класса 6а и методика диагностики качества бронематериалов.

ABSTRACT

In this work the general stages of individual armor means bulletproof calculation methodology are represented. Results of bulletproof 6a protection class and armor diagnostic methodology are shown.

Ключевые слова: пулестойкость; бронекерамика; AutoDYN.

Keywords: bulletproof; ceramic armor; AutoDYN.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом производится большая номенклатура средств индивидуальной бронезащиты (в дальнейшем — СИБ) различного конструкторско-технологического и эргономического исполнения, ориентированного на самый широкий спектр областей возможного применения. В данной работе рассматривается методика анализа пулестойкости средств бронезащиты класса 6а, (ГОСТ Р 50744-95, бронебойно-зажигательная пуля Б-32, скорость взаимодействия 800—830 м/с). Методический план работы — в соответствии с рисунком 1.

Рисунок 1. Методический план выполнения работы

На первом этапе производится обзор существующих на текущий момент разработок в области СИБ класса 6а [3], делаются необходимые выводы.

На втором этапе производится анализ ряда конструктивных исполнений СИБ с привлечением экспертной комиссии состоящей из 5—10 человек, производится оценка согласованности их мнений и строится график оценок. Для дальнейшего исследования выбираются варианты, получившие наибольшие оценки экспертов.

На третьем этапе производится математическое моделирование взаимодействия ударника с преградой, по которому можно судить о деформации ударника и преграды в ходе взаимодействия. Параллельно с этим проводится эксперимент, в ходе которого отстреливаются выбранные варианты бронеэлементов. На третьем этапе проводится ультраструйная диагностика выбранных СИБ, в ходе которой оценивается качество структуры выбранных элементов защиты. Также оценивается контузионное действие от пули Б-32 при использовании данного элемента бронезащиты.

В конце работы делается вывод о возможности использования данного типа бронезащиты исходя из комплекса исследованных параметров.

Рассмотрим подробнее ключевые пункты данной работы.

Метод экспертных оценок (МЭО), проводимый в работе, основан на оценке каждого из вариантов конструктивного исполнения СИБ и оценивается по критериям:

КФ — функциональный критерий, связанный с эксплуатационными характеристиками СИБ;

КТ — критерий технологической реализации;

КН — критерий надёжности;

КД — критерий дополнительных параметров СИБ, например возможности модернизации;

КП — прямые затраты на выпуск данного варианта СИБ;

КО — затраты на освоение выпуска;

КЭ — затраты на эксплуатацию.

МЭО состоит из трёх основных пунктов:

1)  Расчёт минимального количества экспертов исходя из разброса значений оценок по каждому из критериев. В работе получено значение, равное 7.

2)  Оценка согласованности экспертов с использованием коэффициента конкордации. Значение этого коэффициента при хорошей согласованности экспертов должно быть более 0,7. В данной работе получено значение, равное 0,75.

3)  Построение столбчатой диаграммы, по которой выбираются варианты СИБ для проведения дальнейшего анализа.

Конструкции преград, используемые в работе по результатам МЭО — слоистые металло-керамические структуры, в частности — с подложкой из кевлара.

Схема ударного взаимодействия показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема ударного взаимодействия

Обозначения: 1 — латунная оболочка пули; 2 — сердечник из стали У12;

3 — свинцовая оболочка сердечника; 4 — пороховой заряд; 5 — преграда.

В общем случае, материалы имеют довольно сложный отклик на динамическое воздействие, и, в следствии этого, возникает необходимость задания параметров, для моделирования таких физических явлений, как фазовые переходы, вязкое разрушение, термо-, деформационное и другие виды упрочнения. Для моделирования такого разнообразия физических процессов, происходящих в материале в ходе динамического воздействия, вводится разбиение общей модели материала на три основных группы параметров [1]:

1. Уравнение состояния — основное уравнение, описывающее поведение модели при воздействии динамической нагрузки. Оно является ключевым для описания моделей газов и жидкостей, в которых могут не учитываться сдвиговые деформации. Для твёрдых тел материалы (модель ударника и преграды рассмотрены в данной работе), претерпевающих в ходе высокоскоростного взаимодействия большие деформации и напряжения, значительно превышающие предел текучести данного материала, уравнение состояния также является важным параметром.

В общем виде уравнение состояния описывает зависимость напряжений от деформации и внутренней энергии (температуры). Уравнение состояния может быть задано исходя из данных о термодинамических свойствах материала. В подавляющем большинстве случаев уравнение состояния для расчёта формируется на основании экспериментальных данных и представляет собой линейную аппроксимацию реального уравнения состояния на основе тщательно проведённых экспериментов и представляет собой многочлен с некоторым количеством эмпирических констант.

В данной работе для моделирования материалов ударника пи преграды были применены линейная (Linear) модель материла для имитации всех металлических материалов, модель мягкого материала (модель Puff) для имитации кевлара, а также модель ударной адиабаты (модель Shock) для компонентов из керамики.

Модель Linear — работает в упругой области при небольших объёмных деформациях. В этом состоянии могут находиться газы, жидкости и твёрдые тела. Для металлов линейный закон записывается в следующем виде (1):

,                                                                         (1)

где  — степень сжатия среды.

  ,

где ρ и ρ₀ — текущее и начальное значения плотности материала.

К — модуль объёмного сжатия среды.

Модель Puff — использует уравнение состояния "мягкого" тела, описывающее поведение материала в широком диапазоне температур. В его основе лежит уравнение Ми-Грюнай-зена (2), которое представляет собой математическую формулировку предположения о том, что тепловое давление p_t, равное разности между полным p и "холодным" p_X давлением прямо пропорционально разнице между полной E и "холодной" E_X энергиями, делённой на объём V:

,                                                   (2)

где γ=γ(V) — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом Грюнайзена, представляющий собой функцию, зависящий только от объёма.

Модель Shock - использует уравнение ударной адиабаты. Используется для моделирования взаимодействия жидкостей с каким-либо объектом скорость распространения ударной волны от этого взаимодействия превышает скорость распространения звука в жидкости на поправку, зависящую от массовой скорости частиц (3):

,                                                     (3)

где λ — коэффициент сжимаемости,

ν — массовая скорость частиц,

a — скорость звука в среде,

Уравнение изменения давления (4) в зависимости от изменения плотности:

,                                                        (4)

где p и p₀ — текущее и начальное давление в жидкости.

2. Модель прочности — описывает поведение материала в зависимости от уровня напряжений, которые в большинстве случаев превышают предел текучести для данного материала, однако могут находиться и в пределах упругости. Модель прочности выбирается в зависимости от рассматриваемого материала (жидкий, хрупкий, вязкий и т. д.), в данной работе для описания прочностных характеристик металлов была применена, в основном, модель Мизеса, которая описывает поведение большинство металлов с хорошей точностью.

Критерий Мизеса выражается формулировкой: «Поликристалл с беспорядочно ориентированными зёрнами будет обладать заметной пластичностью в том случае, если деформация в нём будет протекать, по крайней мере, по пяти независимым плоскостям скольжения». В аналитическом виде он представляет собой зависимость (5), основанную на значениях напряжений в трёх взаимно перпендикулярных плоскостях:

,                                  (5)

где Y — напряжение, соответствующее пределу текучести данного материала.

3. Модель разрушения — описывает поведения материала в момент разрушения в зоне, где превышен параметр, задаваемый в модели разрушения. Само разрушение может быть как хрупким, выражающимся в растрескивании (в случае керамики, например), так и вязким, сопровождающимся разрывом материала (в случае металлов).

Характерная особенность ударного нагружения заключается в формировании ударной волны в объёме исследуемого материала, за ударной волной всегда идёт область разрежения, в которой действуют большие растягивающие напряжения, которые могут вызвать разрыв материала в этой области. Напряжения разрушения при этом характеризуются величиной откольной прочности P_MIN, которая характеризует максимальное напряжение растяжения, при котором произойдёт разрыв материала.

Результаты конечно-элементного моделирования показаны на рисунках 3-5. На графике показаны скорости точек, расположенных вдоль оси пули. По величине этой скорости можно судить об останавливающем действии преграды.

Рисунок 3. Взаимодействие ударника с керамо-кевларовыми преградами

Рисунок 4. Взаимодействие ударника с комбинированными преградами

Рисунок 5. Взаимодействие ударника с металлокерамическими преградами

Оценка контузионного действия пули Б-32 производится на основании вязкоупругой модели грудной клетки Лобделла [3], показанной на рисунке 6:

Рисунок 6. Вязкоупругая модель грудной клетки Лобделла

Система дифференциальных уравнений, описывающих движение приведённой на рисунке 6 механической системы представлена формулой (6)

           (6)

Оценка контузионного действия производится на основе численного решения данной системы уравнений. По графикам можно судить о степени сжатия грудной клетки от удара и скорости движения грудного сегмента. Графики — в соответствии с рисунком 7.

Рисунок 7. Графики движения механической системы

При создании керамических пластин бронеэлементов производилась диагностика их качества путём применения ультраструйной гибридной технологии. В работе были продиагностированы образцы керамики Al₂O₃ с металлическими включениями, которые влияют на зернистость керамики, и, в конечном счёте, на её прочностные качества (чем мельче зерно, тем выше ударная вязкость). Т. е. появляется возможность диагностировать керамику до этапа отстрела. Кроме того, для верификации могут быть использованы результаты баллистических испытаний по методу остаточной длины сердечника [2].

Согласно этой методике, каждый образец, будучи подключённым к регистрирующему устройству, подвергается воздействию струи воды высокого давления. Регистрирующее устройство фиксирует сигнал, по амплитуде которого можно сделать заключение о структуре керамики, наличии в ней трещин и неоднородностей. Также проводится анализ структуры микрошлифа каждого из образцов с помощью микроскопа. Кроме того, о качестве керамики можно судить по количеству унесённого материала в результате ультраструйного взаимодействия. Результаты исследования трёх образцов керамики с различными примесями - в соответствии с рисунком 9.

Рисунок 9. Каверны от воздействия ультраструи, микроструктуры образцов керамики и уровень сигнала акустической эмиссии для трёх типов керамики на основе Al₂O₃

Список литературы:

1.Бабкин А.В., Колпаков В.И., Охотин В.Н., Селиванов В.В. Численные методы в задачах физики быстропротекающих процессов: Учебник для втузов. 2-е изд., испр. — Т. 3. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. — 520 с.

2.Беспалов И.А, Григорян В.А., Кобылкин И.Ф. Экспериментальное определение времени задержки проникания высокоскоростных ударников в керамическую броню // Труды 14-й всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности». Т. 1. Технические средства противодействия терроризму. — СПб.: НПО СМ, 2011

3.Григорян В.А. Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования — М.:Изд. РадиоСофт, 2008. — 406 с.