Влияние кривизны оболочки бронешлема на его баллистическую стойкость

Анализ известных экспериментальных и теоретических результатов, полученных при исследовании баллистической стойкости бронешлемов, позволяет сделать вывод о том, что тыльные прогибы, образующиеся в тканево-полимерных бронешлемах при воздействии пуль и осколков, превосходят тыльные прогибы в плоских бронепанелях из того же самого материала при аналогичных воздействиях [4.8, 4.9].

Механизмы разрушения и пробития органопластиковой преграды при высокоскоростном ударе многообразны и включают в себя сдвиговое разрушение (срез по периметру области воздействия, пробитие по механизму срезания пробки), разрушение связки (потеря сплошности преграды), растяжение и обрыв нитей, расслоение (деламинизация) преграды и другие процессы [4.10]. Но эти механизмы разрушения одинаковы для плоской и искривленной преград. Единственным различием в поведении этих преград является возможность изменения первоначальной формы выпуклой преграды при ударном воздействии по механизму потери устойчивости.

Вопросы устойчивости выпуклых оболочек при их внешнем нагружении сосредоточенной силой рассмотрены в книгах [4.11, 4.12]. При воздействии внешней достаточно большой сосредоточенной силы оболочка претерпевает локальную деформацию с образованием прогиба - шарового сегмента, близкого по форме к зеркальному изображению его первоначальной формы (рис. 4.7). Деформирование оболочки связано с ее значительным изгибом в меридиональной плоскости. Этот изгиб сопровождается появлением значительных напряжений растяжения-сжатия в срединной поверхности в направлении параллелей.

Влияние кривизны оболочки бронешлема на его баллистическую стойкость
Энергетический анализ процесса деформирования тонкой выпуклой оболочки под действием сосредоточенной силы F, нормальной к поверхности оболочки, показывает, что прогиб оболочки w связан с силой F соотношением [4.12]
Влияние кривизны оболочки бронешлема на его баллистическую стойкость
В плоской мембране при больших прогибах w ~ Fl/3, а в тонкой сферической оболочке w ~ F2, что отчасти объясняет, почему в шлемах тыльные прогибы больше, чем в плоских бронепанелях из того же самого материала.

При высокоскоростном воздействии пуль или осколков оболочка стального шлема может быть пробита без ее прогиба, например, по механизму срезания пробки или по механизму пролома с образованием лепестковой пробоины. Для того чтобы этого не произошло необходимо, чтобы работа срезания пробки или работа образования лепестковой пробоины превосходили работу прогиба оболочки до допустимой величины Wдоп. В этом случае энергетически более выгодно не разрушать, а деформировать преграду.

Для установления количественных закономерностей сравним работы срезания пробки и прогиба выпуклой оболочки. Сила сопротивления срезанию пробки Fср, равна произведению предела сдвиговой прочности материала оболочки τср на площадь боковой поверхности пробки nbd. Работа срезания пробки Аср вычисляется путем интегрирования этой силы по высоте пробки. В результате интегрирования получается следующее выражение для Аср

Влияние кривизны оболочки бронешлема на его баллистическую стойкость
 

Условием непробития оболочки шлема по механизму срезания пробки является неравенство Аср > Аоб или

Влияние кривизны оболочки бронешлема на его баллистическую стойкость

Это неравенство накладывает следующее ограничение на физикомеханические свойства материала оболочки шлема

Влияние кривизны оболочки бронешлема на его баллистическую стойкость

Для характерных размеров и свойств материала стального броне- шлема это неравенство не выполняется, поскольку его левая часть (ее значение равно около 0,0025), примерно на порядок меньше значения правой части. Таким образом, стальной бронешлем будет пробиваться по механизму срезания пробки или образования лепестковой пробоины, а прогиба оболочки происходить не будет.

Пробитие оболочек бронешлемов из органопластиков с небольшим количеством связующего компонента по механизму срезания пробки, особенно пулями с полусферическими головными частями, не реализуется. Из-за сохраняющейся, хотя и ограниченной, подвижности нитей механизм пробивания таких органопластиковых преград должен походить на механизм пробивания текстильных бронепакетов - при воздействии пули нити смещаются как в поперечном, так и продольном направлениях, образуя силу сопротивления прониканию пули вследствие их растяжения. Предельная скорость пробития органопластиковой оболочки шлема по такому механизму может быть вычислена с помощью формул (4.2) или (4.3).

С другой стороны, предельная скорость непробития vHn может быть определена исходя из равенства кинетической энергии пули работе прогиба оболочки (4.5). Для сферической оболочки [4.13]

Влияние кривизны оболочки бронешлема на его баллистическую стойкость
Для органопластикового бронешлема с характеристиками R = 120 мм, b = 5 мм, wдоп = 10 мм и пули пистолета ПМ с т = 5,9 г, Е = 25...50 ГПа предельная скорость непробития изменяется в пределах vHn = 380...545 м/с.
Из вышеизложенного следует, что для обеспечения удовлетворительной баллистической стойкости органопластикового бронешлема необходимо выполнение неравенства
Влияние кривизны оболочки бронешлема на его баллистическую стойкость
В этом случае оболочка бронешлема не пробивается, а кинетическая энергия пули расходуется на деформирование оболочки шлема по механизму прогиба. При этом тыльный прогиб оболочки не должен превосходить допустимого wдоп. После подстановки в неравенство (4.6) зависимостей для предельной скорости пробития органопластиковой преграды (4.2) и предельной скорости непробития (4.5) выпуклой оболочки получаем многопараметрическое неравенство [4.13], связывающее конструктивные характеристики оболочки шлема - R, b, mтп; физико-механические характеристики нитей текстильной основы - с, ξp; изгибный модуль упругости органопластика Е и состав органопластика - ξ, с характеристиками средства поражения - т, dп, wДОП

Влияние кривизны оболочки бронешлема на его баллистическую стойкость

В практических расчетах изгибный модуль упругости Е в первом приближении можно определить с помощью смесевой формулы (4.1).

В качестве критерия оптимальности конструкции бронешлема следует использовать условие минимальности его массы, о которой можно судить по поверхностной плотности оболочки

mоб = m10(1+ξ)

 

 

Смотрите также