CC BY
118
Механика
УДК 539.4.019
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КОНСТРУКЦИИ БРОНЕЖИЛЕТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ БРОНЕЭЛЕМЕНТОВ МОЗАИЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ
А.В. Понькин, П.В. Кочнев
Рассматривается возможность создания сборного противопульного металлического бронеэлемента в виде мозаики из фрагментов конечного размера, позволяющего реализовать совместную работу бронеэлемента и высокопрочного тканевого пакета в составе противопульной защиты бронежилета. С помощью программного пакета LS-DYNA проведен ряд расчетов, результаты которых позволяют положительно оценить перспективу создания такого бронеэлемента.
Ключевые слова: противопульная защита, бронеэлемент, мозаичная конструкция, метод конечных элементов.
Введение
Среди используемых в настоящее время в правоохранительных органах и в войсках моделей бронежилетов наиболее распространены такие, основу конструкции которых, помимо наружного чехла, составляют многослойный тканевый пакет из высокопрочных арамидных нитей и металлический (чаще всего - стальной) бронеэлемент, располагаемый с ударной стороны, толщина которого определяется классом защиты бронежилета (рис. 1). С тыльной стороны в качестве амортизатора может использоваться дополнительный слой из легкого пористого материала, например пенополиэтилена.
Такую конструкцию, в частности, имеют бронежилеты 3, 4 и 5 классов [1], предназначенные для защиты от автоматных и винтовочных пуль. Эта конструкция имеет один существенный недостаток: металлический бронеэлемент и тканевый пакет при ударе пули работают независимо друг от друга. Если прочность бронеэле-мента достаточна для удержания пули, то тканевый пакет при этом фактически не нужен, так как прогиб в бронеэлементе от удара пули не превышает 2-3 мм (это наблюдается в экспериментах) - тканевый пакет просто не способен при таких малых прогибах оказать существенного сопротивления движению пули. Если же, напротив, металлический бронеэлемент пробивается, то чаще всего расположенный за ним тканевый пакет также пробивается навылет сердечником пули.
Исходной предпосылкой для проведения данной работы послужило намерение добиться совместной работы металлического бронеэлемента и тканевого пакета на всем этапе торможения пули, и, как следствие, снижения веса противопульной защиты.
Совместная работа металлического бронеэлемента и тканевого пакета может быть достигнута за счет отделения от бронеэлемента при ударе пули фрагмента небольшой массы, двигающегося далее вместе с пулей и останавливаемого тканевым пакетом. Это позволяет получить двойной положительный результат: во-первых, снижение скорости пули за счет увеличения массы движущихся тел и, во-вторых, увеличение площади воздействия на тканевый пакет.
Возможны несколько вариантов решения этой задачи.
- Откол фрагмента с тыльной стороны бронеэлемента. Это явление хорошо известно [2, 3] и, в частности, наблюдается в некоторых экспериментах при ударах пуль в стальные бронепласти-
Рис. 1. Конструкция противопульной защиты бронежилета
ны. Однако откалывающийся фрагмент имеет небольшую толщину (при исходной толщине бро-непластины 5-6 мм толщина отколовшегося фрагмента не превышает 2 мм) и, как правило, ломается сердечником пули. Кроме того, пока не удалось добиться стабильности отколов при каждом попадании пули.
- Откол части бронеэлемента можно реализовать, фрагментировав его с помощью нанесения сетки тонких разрезов, глубина которых меньше толщины пластины. Такое решение представляется достаточно сложным с точки зрения технической реализации.
- Создание сборного бронеэлемента в виде мозаики из фрагментов конечного размера. Подобные конструкции бронеэлементов с керамическими фрагментами сферической и цилиндрической формы известны [4, 5]. При ударе в керамический фрагмент пуля деформируется, частично разрушается и теряет значительную часть своей кинетической энергии, что позволяет расположенному далее тканевому пакету из арамидных нитей эффективно тормозить ее на заключительном участке траектории. Однако при этом разрушается и сам керамический фрагмент, дробясь на многочисленные осколки. Говорить о совместной работе керамического фрагмента и тканевого пакета, по-видимому, можно лишь на начальном участке торможения пули. Кроме того, керамические бронеэлементы имеют существенный разброс свойств и намного дороже металлических. Поэтому представляет интерес создание сборного бронеэлемента из металла. Совместная работа металлического бронеэлемента и ткани будет обеспечена, если составляющие его фрагменты сами не будут пробиваться пулей насквозь, но приходить в движение и двигаться совместно с пулей, воздействуя на тканевый пакет.
Для создания противопульной защиты с металлическим сборным бронеэлементом необходимо решить, как минимум, две задачи.
1. Определить форму и максимальные размеры фрагментов, при которых не происходит их сквозного пробоя при заданных условиях воздействия - это удары автоматных и винтовочных пуль как со свинцовым, так и со стальным термоупрочненным сердечником, движущихся со скоростью от 700 до 900 м/с.
2. Выбрать оптимальный материал для изготовления фрагментов.
Построение расчетной модели
В рамках данной работы на ПЭВМ с помощью пакета метода конечных элементов LS-DYNA проведена расчетная оценка возможности решения этих задач. Рассмотрен вариант сборного бронеэлемента с фрагментами квадратной формы, в качестве пули использован ударник в виде цилиндра (рис. 2). Материал ударника полагался абсолютно упругим и не разрушаемым (MAT ELASTIC) с плотностью 7800 кг/м3, модулем упругости при растяжении 2*105 МПа и модулем сдвига 0,8х105 МПа. Диаметр ударника приблизительно соответствует калибру пули автомата АК-74 (5,45 мм) и диаметру стального сердечника пули автомата АКМ, длина ударника варьировалась в зависимости от условий решаемой задачи. Ко-нечноэлементная модель ударника создана с помощью восьмиузловых шестигранных элементов SOLID164 с размером грани 0,5 мм.
Материал бронеэлемента - конструкционная Cr-Ni-Mo-V сталь (служебное обозначение -сталь 44) разработки НИИСтали, г. Москва [6]. Эта сталь используется для изготовления защитных элементов бронежилетов, ее основные физические и механические характеристики представлены в табл. 1.
Таблица 1
Основные характеристики стали 44
О
1 <-» :
s s
23...30 мм m 5)
Рис. 2. Сборный бронеэлемент и ударник
Плотность р, кг/м3 Модуль Юнга Е, МПа Модуль сдвига G, МПа Условный предел текучести 00,2, МПа Предел прочности 0в, МПа Относительное остаточное удлинение 3,% Относительное поперечное сужение ¥,%
7900 2,16х105 0,83х105 1700 2200 10 40
Конечноэлементное моделирование бронеэлемента также выполнено с помощью элементов SOLID164 с размером грани 0,5 мм, при этом использована модель материала с линейным деформационным упрочнением MAT PLASTIC KINEMATIC (соответствующая диаграмма растяжения представлена на рис. 3). Величина &т полагалась равной условному пределу текучести а02, модуль упрочив -
От
нения рассчитывался по формуле Et = -
шающая (предельная) деформация епр = ln
5
1 -у
разру-
. Свой-
Е,
Е
У
Рис. 3. Расчетная диаграмма деформирования материала бронеэлемента
ства материала бронеэлемента считались не зависящими
от скорости нагружения. Критерием разрушения считалось достижение наибольшей главной логарифмической деформацией предельного значения, сама возможность разрушения при расчете учитывалась подключением дополнительной функции MAT ADD EROSION.
Проверка модели материала и определение размеров бронеэлемента
Из экспериментов известно, что пластина из стали 44 толщиной 6,5 мм выдерживает попадание под прямым углом пули автомата АКМ со стальным термоупрочненным сердечником (5 класс согласно [1]), и глубина кратера в точке удара не превышает 1/3 от толщины пластины. При этом основное поражающее действие на пластину оказывает сердечник пули. Для проверки адекватности модели материала бронеэлемента первоначально проведен расчет воздействия ударника длиной 30 мм и массой 4,6 г на закрепленную по контуру пластину из стали 44, имеющую размеры в плоскости 100*100 мм и толщину 6,5 мм. Скорость ударника в начальный момент времени 715 м/с, что соответствует скорости пули автомата АКМ. Масса ударника имеет промежуточное значение между массой стального сердечника (около 3 г) и полной массой пули (7,9 г). Результат расчета представлен на рис. 4.
Как видно из рисунка, глубина внедрения ударника в пластину составляет приблизительно 50 % ее толщины. Это несколько больше, чем наблюдается в экспериментах, но ошибка расчета идет в запас прочности бронеэлемента.
В качестве следующего шага была предпринята попытка уменьшить толщину стальной пластины до 5 мм и подобрать ее размеры в плоскости из условия непробиваемости при воздействии ударником массой 3,5 г (длина ударника 23 мм), с начальной скоростью 900 м/с, что соответствует массе и скорости пули автомата АК-74. Выбор ударника с такими характеристиками обусловлен тем, что в настоящее время именно этот автомат принят на вооружение в большинстве силовых подразделений России. При этом толщина пластины из стали 44, обеспечивающая защиту от этого вида оружия (4 класс согласно [1]), равна 5,5 мм.
о
1
£
Рис. 4. Максимальное внедрение ударника в бронеэлемент
Рис. 5. Максимальное внедрение ударника в пластину размером в плоскости 12^12 мм при начальной скорости ударника 900 м/с
Рис. 6. Удар в угол, образованный четырьмя фрагментами
Проведен ряд расчетов удара под прямым углом в центр свободной от закреплений пластины в форме квадрата со стороной а (см. рис. 2) от 10 до 20 мм. Уверенное непробитие пластины получено при максимальном ее размере в плоскости 12*12 мм (рис. 5). Ударник внедряется в пластину приблизительно на 60 % ее толщины, а скорость их совместного движения в этот момент времени составляет около 340 м/с. Это обнадеживающий результат, однако при создании сборного бронеэлемента из фрагментов квадратной формы необходимо учитывать возможность попадания пули в стык между двумя фрагментами или, что еще хуже, в угол, образованный четырьмя фрагментами. Результаты соответствующего расчета представлены на рис. 6 (в этом и последующих расчетах все ударяемые фрагменты считались свободными от закреплений). Как видно из рисунка, при таком ударе фрагменты изгибаются и сильно разворачиваются, и ударник достаточно легко проникает за их тыльную поверхность. При этом остаточная скорость ударника 480 м/с, что может привести к сквозному пробою тканевого пакета из арамидных нитей.
Уменьшить изгиб и разворот пластин можно, если существенно увеличить их толщину, однако при этом не должен измениться общий вес бронеэлемента. Для этого материал бронеэлемента был заменен на более легкий алюминиевый сплав Д16Т, плотность которого примерно втрое меньше плотности стали. Это позволило увеличить расчетную толщину бронеэлемента до 14 мм, при этом размеры каждого фрагмента в плоскости бронеэлемента оставлены 12*12 мм. Основные физические и механические характеристики алюминиевого сплава Д16Т представлены в табл. 2.
Таблица 2
Основные характеристики алюминиевого сплава Д16Т по данным [7]
Плотность р, кг/м3 Модуль Юнга Е, МПа Модуль сдвига в, МПа Условный предел текучести 00,2, МПа Предел прочности ов, МПа Относительное остаточное удлинение 3, % Относительное поперечное сужение ¥,%
2800 0,7*105 0,27* 105 400 540 11 50
В расчетах методом конечных элементов для бронеэлемента из алюминиевого сплава также использована модель материала с линейным деформационным упрочнением (см. рис. 3) с аналогичным критерием разрушения.
Результат расчета удара в центр фрагмента из Д16Т представлен на рис. 7. Глубина внедрения ударника составляет около 80 % толщины фрагмента, скорость их совместного движения в этот момент времени равна приблизительно 350 м/с.
Проведен также расчет удара в угол, образованный четырьмя смежными фрагментами (рис. 8). Как видно из рисунка, разворота фрагментов практически не наблюдается, но имеет место их смещение в стороны. Это сме-Рис. 7. Максимальное внедрение ударника Щение, по-видимому, будет тем меньше, чем большее в элемент из алюминиевого сплава Д16Т количество фрагментов располагается вокруг взаимодей-при начальной скорости ударника 900 м/с ствующих с пулей. Кроме того, можно предложить различные варианты крепления фрагментов в бронеэлементе, препятствующего их боковому смещению. Ударник пробивает бронеэлемент, и его остаточная скорость составляет около 380 м/с, что на 100 м/с меньше в сравнении с ударом в смежный угол стальных фрагментов (см. рис. 6). Выводы
Изготовление сборного бронеэлемента в виде мозаики из фрагментов небольшого размера выглядит принципиально возможным, но перед практической реализацией нужно дополнительно решить следующие задачи.
1. Заменить в расчетах цилиндрический ударник на более точную модель пули с учетом возможности ее разрушения.
Рис. 8. Удар в угол, образованный четырьмя фрагментами из алюминиевого сплава Д16Т
2. В качестве материала бронеэлемента в расчетах использовать специальные алюминиевые высокопрочные сплавы системы Al-Zn-Mg, например, АБТ-101 (другое обозначение - марка 1901) или АБТ-102 (марка 1903), разработанные в НИИСтали [8]. Эти алюминиевые сплавы применяются для изготовления противопульной и противоснарядной брони.
3. Уточнить форму и размеры фрагментов. Например, замена фрагментов квадратного поперечного сечения на шестигранные позволяет добиться того, что при попадании в сборный броне-элемент пуля может одновременно войти в контакт не более чем с тремя фрагментами (в случае квадратного сечения их может быть четыре). Это уменьшает вовлекаемую в движение массу бронеэлементов и, тем самым, снижает вероятность их сквозного пробоя. Той же цели может служить уменьшение размеров фрагментов в плоскости бронеэлемента. Эти меры способствуют обеспечению совместного движения пули и фрагментов бронеэлемента и, тем самым, повышению эффективности их торможения многослойным тканевым пакетом из высокопрочных ара-мидных нитей.
Литература
1. ГОСТ Р 50744-95 Бронеодежда. Классификация и общие технические требования. - М.: Издательство стандартов, 1995.
2. Куликов, Д.В. Физическая природа разрушений / Д.В. Куликов, Н.В. Мекалова, М.М. Закирничная; под общ. ред. И.Р. Кузеева. http://rusnauka.narod.ru/lib/phisic/destroy/-glava7.htm (дата обращения 18.10.2009).
3. Хорев И.Е. Ударно-откольная асимметрия в проблеме высокоскоростного соударения твердых тел // Письма в «Журнал технической физики». - 2005. - Т. 31. - Вып. 4. - С. 71-75. URL: http://www.ioffe.rssi.ru/journals/pjtf/2005/04/p71-75.pdf (дата обращения 18.03.2009).
4. Composite armor plates and panel. United States Patent 6289781. URL: http://www.freepatentsonline.com/6289781.pdf (дата обращения 11.10.2009).
5. Ballistic armor panel. United States Patent 6892623. URL: http://www.freepatentsonline.com/6892623.html (дата обращения 11.10.2009).
6. Броневые стали марки 44 и 56 для средств индивидуальной бронезащиты. Механические свойства. http://www.niistali.ru/pr_secure/material.htm (дата обращения: 23.10.2009).
7. Гуляев А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. - М.: Металлургия, 1977. - 648 с.
8. Алюминиевая броня. URL: http://www.niistali.ru/science/legk_bron.htm#1 (дата обращения 26.10.2009).
Поступила в редакцию 31 октября 2009 г.
EVALUATION OF AVAILABILITY OF METAL ARMOUR ELEMENTS OF TESSELLATION CONSTRUCTION IN BULLETPROOF VEST DESIGN
In this paper the possibility of making prefabricated bullet-proof metal armour elements in the form of small tessellation parts which allow to implement joint work of both armour element and high-strength fabric package in the structure of the bullet-proof armour vest was examined. With the help of the finite-element package LS-DYNA a series of calculations were carried out results of which allow to take a favorable view of perspective of making this armour element.
Keywords: bullet-proof, armour element, tessellation construction, finite-element method.
Ponkin Aleksandr Viktorovich - Associate Professor, Cand.Sc.(Engineering), Applied Mechanics, Dynamics and Machine Strength Department, Physics Faculty, South Ural State University.
Понькин Александр Викторович - доцент, кандидат технических наук, кафедра прикладной механики, динамики и прочности машин, физический факультет, Южно-Уральский государственный университет.
e-mail: av_ponkin@74.ru
Konchev Pavel Valentinovich - student, Physics Faculty, Group 687, South Ural State University.
Кочнев Павел Валентинович - студент, физический факультет, группа 687, ЮжноУральский государственный университет.
