Экспериментально-расчетный метод оценки противоосколочной стойкости текстильной брони на основе характеристик энергоемкости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт стали»

УДК 623.56:623.445

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ПРОТИВООСКОЛОЧНОЙ СТОЙКОСТИ ТЕКСТИЛЬНОЙ БРОНИ НА ОСНОВЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭНЕРГОЕМКОСТИ

Д.т.н. Григорян В.А.,

к.т.н. Маринин В.М.

Текстильная броня на основе арамидных волокон широко используется [1-3] в производстве средств индивидуальной защиты (СИЗ) человека от ударного воздействия пуль и осколков. Вместе с тем, отработка конкретных образцов защитных структур осуществляется преимущественно экспериментальным путем на основе практического опыта и интуиции специалистов. Поэтому работы в направлении выяснения особенностей механизма взаимодействия ударников с текстильной броней и создания расчетных методов являются актуальными. Несмотря на сложность и многофакторность механизма взаимодействия различных ударников с текстильной броней [3], интегральной характеристикой защитных свойств, является энергия, поглощаемая защитной структурой.

В НИИ Стали широко используется метод [4-7] определения энергоемкости защитных структур, основанный на измерении ударной скорости пули или имитатора осколка и скорости после пробития защиты, позволяющий рассчитать энергию, затраченную на пробитие.

Рисунок 1. Схема эксперимента по определению энергоемкости защитной структуры.

Метод (рис. 1) идеально подходит для исследования текстильной брони, поскольку в этом случае не происходит деформации и разрушения стального ударника и разница значений его кинетической энергии до и после соударения определяет энергию, поглощенную преградой.

При проведении экспериментов по определению энергоемкости, тканевый пакет располагается на тонком слое пенополиэтилена, толщиной 5 мм, собственная энергоемкость которого составляет 1…2 Дж и практически не зависит от скорости удара.

В данной и предшествующих работах определены характеристики энергоемкости защитных структур из различного количества слоев арамидной ткани при простреле их имитатором осколка - стальным шариком диаметром 6,35 мм, при варьировании в широких пределах величины ударной скорости. На рис. 2 представлены характерные результаты экспериментов по определению энергии, поглощаемой 18-слойными тканевыми пакетами из тканей арт. 56319 ВО и 8601-90, в зависимости от ударной скорости.

Рисунок 2. Энергоемкость 18-слойных тканевых пакетов в зависимости от ударной скорости

защитный арамидный ткань прострел

По результатам экспериментов выявлена достаточно сильная зависимость энергоемкости конкретной защитной структуры от величины ударной скорости, при этом с увеличением значения скорости энергоемкость уменьшается. Представленные на рис. 2 результаты показывают, что при изменении скорости имитатора осколка от 450 до 1100 м/с энергоемкость снижается в 2 раза.

Были проведены испытания тканевых пакетов с различным количеством слоев (4-6-12-18-30) при простреле их имитатором осколка, подтвердившие зависимость энергоемкости от величины скорости. На основе полученных экспериментальных данных в качестве показателя, характеризующего защитные свойства ткани при ударном воздействии имитатора осколка, предложена энергоемкость единичного слоя (Е₁) ткани. По результатам обработки полученных экспериментальных данных по способу наименьших квадратов подобрана аппроксимирующая экспоненциальная зависимость энергоемкости единичного слоя в функции от скорости (V) взаимодействия:

.

Для исследуемой ткани: k=9,0; В = -0,0015.

На основе полученных результатов, в предположении о последовательном поглощении энергии ударника слоями ткани, разработана инженерная методика и программа расчета баллистической стойкости тканевых защитных структур. Исходными данными являются энергоемкость единичного слоя, скорость удара и количество слоев. В результате расчета определяются количество пробитых слоев, послойно поглощенная энергия и тыльная скорость.

Расчетные данные о распределении поглощаемой энергии по слоям защитной структуры, представляющие интерес при оптимизации комбинированных многослойных структур в зависимости от ударной скорости, представлены на рис. 3.

Рисунок 3. Энергия, поглощаемая слоями ткани арт. 56319 в зависимости от скорости удара

Представленные данные показывают, что энергоемкость возрастает от лицевых слоев к тыльным, достигая в тыльных слоях уровня поглощаемой энергии 7…7,5 Дж на один слой.

Несмотря на упрощенное допущение о послойном поглощении энергии ударника, сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными, свидетельствуют об удовлетворительном согласии расчетных и экспериментальных данных.

Хорошее, практически в пределах точности экспериментального определения, соответствие экспериментальных и расчетных данных по величине тыльной скорости в широком диапазоне изменений условий испытаний, позволяет утверждать, что энергоемкость единичного слоя ткани может служить динамической характеристикой материала и мерой сравнения защитных свойств различных тканей. Достаточно надежные экспериментальные данные по величине тыльной скорости могут использоваться для тестирования расчетных моделей более высоких уровней.

При проведении дальнейших исследований и определении аналогичных характеристик для различных типов тканей и различных ударников с использованием разработанной расчетной модели можно проводить оптимизацию комбинированных многослойных структур защиты на основе текстильной брони.

Характеристикой противоосколочной стойкости тканевых пакетов является 50% баллистический предел (V₅₀), широко используемый в отечественной и мировой практике. При проведении испытаний по определению V₅₀ тканевый пакет устанавливается на манекене, состоящем из сосновой доски, оббитой войлоком, толщиной 20 мм. То есть, фактически определяется баллистический предел не тканевого пакета, а структуры: тканевый пакет + войлок, толщиной 20 мм. Поэтому представляет интерес сравнение результатов испытаний однотипных пакетов при установке их на различных подложках. На рис. 4 представлены результаты испытаний 4-слойного пакета, располагаемого на различных подложках.

Рисунок 4. Вероятность непробития 4-слойного тканевого пакета в зависимости от типа подложки: на войлоке V₅₀ = 308 м/с; на пластилине V₅₀ = 222 м/с; на пенополиэтиленовом коврике V₅₀ = 232 м/с

Для тонкого тканевого пакета влияние подложки значительно: различие в противоосколочной стойкости, характеризуемой значением V₅₀, достигает 30…40%.

Аналогичные результаты были получены при испытании 18-слойного пакета на войлочной и пластилиновой подложке, в этом случае различие по V₅₀ между войлочной и пластилиновой подложкой составило около 10% (на войлоке V₅₀ = 490 м/с; на пластилине

V₅₀ = 450 м/с;). При этом, различие в энергии, поглощаемой однотипными пакетами на пластилине и пенополиэтиленовом коврике менее значительно и составляет около 2 Дж, а на войлочной подложке поглощаемая энергия на 20…25 Дж выше и слабо зависит от количества слоев тканевого пакета. То есть войлочная подложка увеличивает энергоемкость пакета.

Представленный выше метод расчета поглощаемой энергии и тыльной скорости после пробития пакета удовлетворительно описывает случаи расположения тканевого пакета на пенополиэтиленовом коврике и пластилине. Для расчета традиционно определяемой характеристики (V₅₀) при испытании на войлочном манекене принимается, что тыльная энергия составляет 25 Дж. То есть при расчете количества слоев, соответствующих скорости (V₅₀), принималось такое количестве слоев, за которым тыльная энергия составляет 25 Дж. На графике (рис. 5) представлены расчетные данные по количеству слоев, соответствующих значению V₅₀, определяемому традиционным способом (на войлочном манекене), и максимально пробиваемое количество слоев.

Рисунок 5. Расчетные данные по количеству слоев, соответствующих значению V₅₀, определяемому традиционным способом (на войлочном манекене), и максимально пробиваемое количество слоев.

Выводы

На основании накопленных экспериментальных данных по энергоемкости пакетов из баллистических тканей разработан инженерный метод расчета, позволяющий оценивать характеристики противоосколочной стойкости текстильной брони, 50% баллистический предел (V₅₀), послойно поглощаемую энергию и тыльную скорость после пробития заданного количества слоев.

Список литературы

1. Д.К.Швайков, В.В.Чивилев, В.В.Прошкин. Сравнительные баллистические характеристики защитных пакетов из некоторых видов высокопрочных химических волокон. Вопросы оборонной техники. Серия 15, выпуск 3 (115)-4 (116), с. 10-12, 1996.

2. Е.Ф.Харченко. Новые представления о механизме взаимодействия пуль и осколков с текстильными бронематериалами. В печати.

3. В.А.Григорян, В.М. Маринин, В.А.Хромушин. Два способа определения баллистического предела стойкости средств индивидуальной защиты. Techniczne Wyroby Wlokiennicze, volume XII, No. 1-2, 2004. s. 27-31.Poland, Lodz.

4. В.М.Маринин В.А.Хромушин. Определение характеристик энергоемкости защитных конструкций на основе текстильной брони при баллистическом ударе. Международная конференция «VII Харитоновские тематические научные чтения». Саров, 2005. Сборник тезисов докладов, с. 239-241.

5. В.А.Григорян, В.М. Маринин, В.А.Хромушин. Расчетная оценка противоосколочной стойкости тканевых защитных структур на основе характеристик энергоемкости. Хотьково 2006г.

6. Григорян В.А., В.М.Маринин, В.А.Хромушин Экспериментальный метод определения баллистической энергоемкости защитных структур средств индивидуальной броневой защиты. Вопросы оборонной техники. Серия 16, вып 5-6. в печати.

7. С.Н.Высоковский, В.А.Григорян, В.М.Маринин, и др. Вероятностно-статистический метод определения 50-процентного баллистического предела стойкости защитных преград. Боеприпасы, №3, 2000 г., с.44-48.

8. С.Н.Высоковский, В.А.Григорян, В.М.Маринин, и др. Вероятностно-статистический метод определения 50-процентного баллистического предела стойкости защитных преград. Актуальные проблемы защиты и безопасности. 3-ая научно-практическая конференция. НПО Спецматериалов, С-Петербург, 2000 г., том 1 с. 132-136..

9. MILITARY STANDARD V50 BALLISTIC TEST FOR ARMOR. MIL-STD-662E 22, January 1987, DEPARTAMENT OF DEFENCE, USA.

Размещено на Allbest.ru