Примеры использования инженерной методики для анализа защищающей способности двухслойных и трехслойных защитных структур

Для того чтобы продемонстрировать возможности разработанной методики, в настоящем разделе приведены результаты численного анализа противопульной стойкости трехслойных и двухслойных преград. Трехслойная преграда состояла из внешнего керамического слоя из карбида бора, промежуточного органо-пластикового слоя и тыльного титанового слоя. Двухслойные преграды состояли либо из керамического и органо-пластикового слоев, либо из керамического и титанового слоев. Анализировалось воздействие на преграды цилиндроконических моделей сердечников бронебойной пули Б-32 и стальной пули ЛПС к винтовке СВД. Модельные сердечники имели одинаковые с реальными массу, длину и диаметр. Характеристики сердечников приведены в табл. 7.1.

Свойства керамического слоя, необходимые для расчетов: плотность рк = 2,4 г/см3; средняя динамическая твердость поврежденной керамики Нк = 1,1 ГПа, что более чем в 20 раз ниже исходной твердости керамики; число пробегов волн, необходимых для формирования конуса разрушенной керамики п = 15; угол при вершине конуса 130°. Расчеты проводились для двух толщин керамического слоя h0 = 12 мм и h0 = 10 мм.

Примеры использования инженерной методики для анализа защищающей способности двухслойных и трехслойных защитных структур

Органопластиковый слой характеризовался следующими параметрами: поверхностной плотностью топ, которая в разных вариантах защитных структур изменялась в пределах (0...11,6) кг/м2; скоростью звука в нитях с = 10 км/с и долей связующего ξ = 0,1.

Характеристики титанового слоя, используемые в расчетах: плотность рм = 4,4 г/см3, σт = 0,75 ГПа, толщина δМ - переменная.

Рассмотрим результаты расчетов для случая воздействия сердечника пули Б-32 на трехслойную преграду с параметрами: h0 = 12 мм (тк = 28,8 кг/м2); топ = 5 кг/м2; δМ = 1,5 мм (тм = 6,6 кг/м2), mк, ти - поверхностные плотности керамического и металлического слоев. Суммарная поверхностная плотность преграды составляет тпп = 40,4 кг/м2. Из расчетов следует, что предел кондиционного поражения (полностью пробивается керамический слой) такой преграды составляет vnKn = 840 м/с, что соответствует дульной скорости пули Б-32 винтовки СВД. Максимальный прогиб преграды при этом равен w = 10 мм. На рис. 7.1 приведены зависимости скорости и длины сердечника от времени в течение первой фазы взаимодействия для vn0 = 840 м/с. Потеря кинетической энергии пули на этой фазе составляет 56%, остаточные скорость, масса и длина равны соответственно 724 м/с, 3,25 г и 14 мм.

 
Примеры использования инженерной методики для анализа защищающей способности двухслойных и трехслойных защитных структур
 
Для второй фазы взаимодействия зависимости скоростей пули и керамического конуса от времени приведены на рис. 7.2а, а зависимости тыльного прогиба, длины пули и текущей толщины керамики - на рис. 126. Интересно отметить, что в начале второй фазы взаимодействия из-за высокой скорости сердечника происходит его небольшое дополнительное срабатывание ~ 2 мм. Полное торможение пули осуществляется за время tт = 98 мкс. Среднее усилие Fcp, возникающее при торможении пули, можно оценить с помощью зависимости
 
 

Примеры использования инженерной методики для анализа защищающей способности двухслойных и трехслойных защитных структур

Примеры использования инженерной методики для анализа защищающей способности двухслойных и трехслойных защитных структур
Для рассматриваемого случая Fcp = 39 кН. При массе защищаемого объекта 50 кг это усилие порождает импульсную перегрузку ~ 80g. Для предупреждения травмы от действия такой перегрузки необходима амортизационная прокладка, увеличивающая время передачи ударного импульса защищаемому объекту.

Уменьшение поверхностной плотности преграды до тпп = 34,6 кг/м2, достигаемое выбором следующих характеристик слоев: h0 = 10 мм (тк = 24 кг/м2); топ = 4 кг/м2; δМ = 1,5 мм (ти = 6,6 кг/м2), приводит к уменьшению vnKn до 650 м/с при тыльном прогибе w = 9,9 мм.

Для сравнения был проанализирован случай воздействия нетермоупрочненного сердечника пули ЛПС на облегченную трехслойную преграду с тт = 34,6 кг/м2. Соответствующие зависимости для vn0 = 840 м/с приведены на рис. 7.3 и 7.4. Относительно не высокая прочность материала пули приводит к ее более интенсивному срабатыванию на первой фазе, но остаточная скорость v1 = 760 м/с оказывается при этом выше, чем для сердечника пули Б-32.

Примеры использования инженерной методики для анализа защищающей способности двухслойных и трехслойных защитных структур

Примеры использования инженерной методики для анализа защищающей способности двухслойных и трехслойных защитных структур
На второй фазе взаимодействия происходит дальнейшее интенсивное срабатывание сердечника, что приводит к относительно малой величине тыльного прогиба и небольшому прониканию в керамический слой.

На рис. 7.5 для рассмотренных выше сочетаний средств поражений и преград приведены зависимости тыльных прогибов от скорости сердечников. Сравнение их с экспериментальными данными, приведенными в [7.8], показывает удовлетворительное согласие, что позволяет сделать вывод о работоспособности рассматриваемой методики.

Примеры использования инженерной методики для анализа защищающей способности двухслойных и трехслойных защитных структур

Представляют интерес результаты анализа взаимодействия сердечника пули Б-32 с двухслойной керамико-органо-пластиковой защитной структурой, поскольку такие структуры используются в бронежилетах. Для обеспечения поверхностной плотности mnn = 40,4 кг/м2 характеристики слоев преграды были выбраны следующими: h0 = 12 мм; топ =11,6 кг. При проведении анализа предполагалось, что первая фаза взаимодействия такая же, как и для трехслойной преграды. Для второй фазы взаимодействия зависимости скоростей пули и керамического конуса от времени приведены на рис. 7.6а, а зависимости тыльного прогиба, длины пули и текущей толщины непробитого слоя керамики - на рис. 7.6б. Обращает на себя внимание значительное увеличение времени торможения пули - оно возрастает, примерно, в 10 раз и составляет ~ 800 мкс. Несмотря на увеличение толщины органо-пластикового слоя более чем в 2 раза, отсутствие металлического слоя приводит к существенному увеличению тыльного прогиба до величины w = 18,5 мм. При уменьшении скорости пули от 840 м/с до 600 м/с тыльный прогиб уменьшается незначительно - до 17,5 мм, но заметно возрастает толщина непробитого керамического слоя от 1,34 мм до 3,64 мм. Уменьшение поверхностной плотности преграды до 34,6 кг (ho = 10 мм, mоп = 10,6 кг) приводит к увеличению тыльного прогиба до 20 мм и непробитой толщине керамического слоя 0,6 мм. Так как реальная скорость взаимодействия пуль с защитной структурой всегда ниже дульной скорости, то с небольшим запасом облегченная защитная структура приемлема в качестве начального варианта для последующей экспериментальной отработки.

Анализ защитных структур с постоянной поверхностной плотностью тпп = 40,4 кг/м2 и одинаковой толщиной керамического слоя h0 = 12 мм, но с разным соотношением толщин органопластикового и металлических слоев по величине тыльного прогиба показал их примерно одинаковую эффективность. Результаты соответствующих расчетов приведены в табл. 7.2.

Как следует из таблицы, увеличение жесткости преграды приводит к уменьшению величины тыльного прогиба, но при этом уменьшается толщина непробитого слоя керамики, что увеличивает риск пробития всей преграды.

 

Примеры использования инженерной методики для анализа защищающей способности двухслойных и трехслойных защитных структур

Примеры использования инженерной методики для анализа защищающей способности двухслойных и трехслойных защитных структур

Полученные результаты находятся в удовлетворительном согласии с известными экспериментальными данными [7.10, 7.11] и не противоречат существующим представлениям.
 

 

Смотрите также