НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 53.072

МГТУ им. Н.Э. Баумана

galcomputer@mail.ru

kolpakov54@mail.ru

m_sergey@inbox.ru

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СРЕДСТВ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ

В настоящее время в нашей стране и за рубежом производится большая номенклатура средств индивидуальной бронезащиты различного конструкторско-технологического и эргономического исполнения, ориентированного на самый широкий спектр областей возможного применения. Анализ литературных источников [1 - 3] показал, что под понятием «средство индивидуальной бронезащиты» в целом понимается его способность защищать различные части тела человека от воздействия огнестрельного, холодного, режущего, колющего оружия, ударного и ударно-дробящего воздействий, а  также обеспечение исключения или минимизации заброневой локальной контузионной травмы и механических повреждений. В ГОСТ Р 50744-95 представлено десять уровней угрозы, которым соответствуют различные по конструкции СИБ:  легкие (1-2 классы), конструктивно выполненные в виде слоев тканевых пластин различной толщины, и комбинированные (3-6а классы), состоящих, чаще всего, из жестких металлических или керамических элементов и слоев баллистической ткани.

Современные СИБ постоянно совершенствуются в противовес развитию средств поражения и огнестрельного оружия. Особенно динамично развиваются и совершенствуются конструкции и бронеэлементы для бронежилетов (БЖ) как наиболее массового и популярного вида СИБ, используемого всеми силовыми ведомствами, охранными предприятиями, спецслужбами и т.д. Вместе с тем постоянно выдвигаются новые требования к БЖ, среди которых, прежде всего, отметим: необходимость использования новых бронематериалов с набором улучшенных защитных и эксплуатационных свойств направленных на повышение эффективности защиты, оптимизацию конструктивных решений, обеспечивающих повышение комфортности ношения [4].

Традиционно в процессе испытаний БЖ нагружение их бронеэлементов происходит ударником (пулей), отличающимся формами, калибром, материалами, а также баллистическими характеристиками: скоростью, углом между вектором скорости и нормалью к поверхности, местом точки удара и т.д. Все эти факторы способны оказывать существенное влияние на показатели по бронепробитию БЖ. В процессе соударения ударника с поверхностью бронеэлемента возникают сложные физические явления, сопровождающиеся интенсивным динамическим деформированием, прогибами, распространением волн различной природы [5], трещинообразованием и др. Представленная совокупность факторов существенно затрудняет теоретический анализ проблемы ударного взаимодействия пули с преградой, выполненной из того или иного бронематериала. Таким образом, при разработке новых видов бронеэлементов основным видом их испытаний является натурный эксперимент, отличающийся рядом недостатков, таких как высокая стоимость, увеличение времени и сроков проектирования, необходимость многократного проведения повторных экспериментов и т.д. [6].

Вместе с тем современный уровень развития средств компьютерного моделирования и вычислительной техники открыл широкие возможности для решения задач разрушения моно или многослойных бронепластин из различных материалов на предварительных этапах их создания на основе результатов имитационного моделирования, уточнения расчетных моделей и выдачи рекомендаций для конструкторско-технологической проработке СИБ.  Все вышесказанное определяет общую актуальность и значимость работы по анализу эксплуатационных свойств проектируемых бронематериалов и композиций в процессе локального ударного воздействия путем применения математического моделирования различных конструктивных вариантов исполнения элементов СИБ, ускорения процесса анализа и отбора их наиболее рациональных вариантов, сведения к минимуму натурных экспериментов и их реализации лишь на заключительных этапах отработки перспективных изделий.

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цель проводимых исследований заключается в разработке расчетных моделей перспективных бронеэлементов различного конструкторско-технологического исполнения для численной оценки их баллистических характеристик с использованием средств компьютерно-математического моделирования и современной вычислительной техники.

В работе заключение об эффективности делается на основе анализа заброневого действия пули, которое при применении различных типов преград может быть различным: от почти свободного прохода пули через преграду до остановки пули на глубине менее 5 мм в объёме испытуемого образца и образованием незначительной зоны вздутия с обратной (прилегающей к телу человека) стороны рассматриваемого бронеэлемента.

В качестве ударника в работе рассматривается пуля АК-74 калибром 5,45 мм, которая в начальный момент взаимодействия с преградой имеет скорость V₀=800 м/с по нормали к поверхности преграды. Модель ударника представлена на рис. 1.

Рис. 1: Модель ударника
1 - медная оболочка; 2 - сердечник из стали-75, 3 - свинцовый наконечник; 4 – преграда; h = 26.74 мм. - длина пули; h_с = 22.62 мм - длина сердечника; h_t - толщина преграды; d = 5,45 мм - внешний диаметр.

В качестве преграды используются панели толщиной от 10 до 20 мм, изготовленные из различных материалов (в том числе составные) и закреплённые по краям на стальные опоры представлен. Моделирование производилось в программе Ansys AutoDYN 12.1., общая модель задачи в среде AutoDYN представлена на рисунке 2.

Рис. 2: Общая модель задачи
1 - ударник; 2 - преграда, в общем случае - слоистая; 3 - опоры из Стали-3, внизу слева - расположение реперных точек, в которых измеряется скорость ударника.

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 [7] - [14]:

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.

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.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТОВ ВЫБРАННЫХ ТИПОВ БРОНЕЭЛЕМЕНТОВ

В работе рассматриваются следующие типы бронеэлементов:

1. Стальная преграда конечной толщины (16 мм):

            а) Сталь-3 (Результат стрельб рассмотрен в [6]);

            б) Сталь-3 с двухсторонним азотированием на глубину 0.5 мм;

            в) Сталь броневая σ_т=1500 МПа;

2. Бронеэлемент из металлорезины:

            а) Преграда из металлорезины толщиной 16 мм;

            б) Пакет: слой металлорезины (10 мм)+ слой кевлара (5мм);

            в) Преграда из упрочнённой (σ_т=2000 МПа) металлорезины толщиной 16 мм;

3. Составной бронеэлемент кермика (Al₂O₃)+кевлар в исполнениях:

            а) Керамика (5 мм)+кевлар (5 мм);

            б) Керамика (5 мм)+ кевлар (10 мм);

            в) Керамика (10 мм)+кевлар (5 мм);

4. Слоистые металло-керамические структуры:

            а) Al₂O₃(2 мм)+сплав В95(6 мм)+кевлар(10 мм);

            б) Al₂O₃(2 мм)+сплав В95(6 мм)+ Al₂O₃(2 мм);

            в) [Al₂O₃(2 мм)+сплав В95(6 мм)+ Al₂O₃(2 мм)] – двойной слой;

Результаты расчёта для каждого из вариантов приведены в табл. 1-4 соответственно. Для каждого из вариантов приведено значение остаточной скорости пули V_ост в конечный момент времени расчёта. Это значение позволяет судить о скорости движения участка внутреннего слоя бронеэлемента (прилегающего к телу человека), и делать выводы о травмоопасности при применении того или иного бронеэлемента.

Таблица 1

Стальная преграда конечной толщины (16 мм)

Таблица 2

Бронеэлемент из металлорезины

Таблица 3

Составной бронеэлемент: кермика (Al₂O₃)+кевлар

Таблица 4

Слоистые металло-керамические структуры

4. ВЫВОДЫ:

Разработанные математические модели и компьютерные методы оценки баллистических свойств бронематериалов и их композиций при локальном ударе в них ударника позволяют провести детальный оперативный анализ факторов, влияющих на бронепробитие и общую эффективность СИБ укомплектованных рассматриваемыми бронеэлементами.

В результате проведенных расчетов с использование вычислительных средств установлено, что применение стальных моно пластин оправдано только для сталей с большим значением предела текучести, однако данный вид брони имеет большую массу, а применение их поверхностного упрочнения также не даёт значительного улучшения экслуатационных свойств;

2. Применение бронеэлементов на основе металлорезины с тканевой подложкой (тыльная сторона) не подходит для применения в СИБ ввиду очевидно сильного запреградного травмирования человека;

3. Применение комбинированного бронеэлемента из пакета бронекерамики на основе оксида алюминия и  тканевого материала (кевлар) оправдано для толщины керамики более 5 мм.;

4. В целом, применение комбинированных преград в качестве СИБ оправдано для случая, когда толщина слоя бронекерамики составляет более 2 мм;

5. Как показали данные математического моделирования оксидная бронекерамика обладает хорошим останавливающим или гасящим кинетическую энергию действием, что делает целесообразным применять ее с фронтальной стороны бронекомпозиции, например методом плазменного напыления на керамического слоя на металлическую подложку.

ЛИТЕРАТУРА

1. Средства индивидуальной бронезащиты (Руководство службы) М.: Братишка, 2004. -80 с.

2. Семыкин В.В. Средства индивидуальной бронезащиты: учебное пособие. -М.: Московский университет МВД России, 2008. -66 с.

3. Иванюк А.М, Зарецкий В.В., Специальные средства индивидуальной бронезащиты и активной обороны. Техника и тактика их применения.: Учебно-методическое пособие. -Калининград: Калининградский Юридический институт МВД России, 2009. – 52 с.

4. Сахарова Н.А. Разработка методологии проектирования эргономичных бронежилетов с использованием композиционных текстильных материалов. Автореферат на соиск. уч. степени канд. техн. наук 05.19.04. -Иваново, 2003.- 22 с.

5. Сильников М.В. Химичев В.А. Средства индивидуальной бронезащиты.-СПб.: фонд «Университет», 2000. -480 с.

6. Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования /Под ред. В.А. Григоряна. – М.: Изд. РадиоСофт, 2008. – 406 с.

7. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учеб. для вузов. - 13-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 592 с.

8. Численные методы в задачах физики быстропротекающих процессов: Учебник для втузов./ А.В. Бабкин, В.И. Колпаков, В.Н. Охотин, В.В. Седиванов. 2-е изд., испр. - Т.№. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 520 с.

9. Физика взрыва / под ред. Л.П. Орленко. - Изд. 3-е, испр. - В 2т. Т.2 - М.: ФИЗМАТЛИТ. 2004. – 656 с.

10. Теоретические и экспериментальные исследования высокоскоростного взаимодействия тел / Под ред. А.В. Герасимова. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2007.

12. Акуличев В.А., Алексеев В.Н., Буланов В.А. Периодические фазовые превращения в жидкостях. - М.: Наука, 1986. -280 с.

13. Физические величины: Справочник /А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина,  А.М. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мелихова. - М., Энергоатомиздат, 1991

14. McQueen R.G., et al. // High velocity impact Phenomena / Ed. KinslowR. AcademicPress, 1970.