CC BY
193
Наука й Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Сетевое научное издание
ISSN 1994-0408
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 05. С. 21-41.
Б01: 10.7463/0517.0001156
Представлена в редакцию: 03.04.2017 Исправлена: 17.04.2017
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 623.093
Анализ противопульной стойкости броневых сталей иностранного производства
Зузов В.Н.1' , Шаш Н.1 ':гигуа1ег^гатЫег:ги
:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
В данной работе исследовалось пробитие пластин из стальных сплавов Armox 560T, Domex protect 500, Weldox 700 E, Hardox 400, и Armstal 500, используемых для бронезащиты, для пяти различных толщин (6 мм, 8 мм, 10 мм, 6+6 мм, и 8+8мм) со скоростью удара 830 м/с и 920 м/с во всех тестах пулей 7,62 мм «APM2» (с жестким стальным сердечником), которая является одной из наиболее распространенных. Также произведён анализ влияния коэффициента трения на результаты численного моделирования. В статье представлены разработанные рациональные конечно-элементные модели (КЭМ) пластин и пули, на базе которых получаются результаты с приемлемой точностью и минимальным временем решения при использовании решателя LS-DYNA, и осуществлено прогнозирование значений рациональных толщин и свойств стали для обеспечения защиты по европейской норме EN1063.
Ключевые слова: броневые стали; пуля; EN1063; модифицированный Джонсон -Кук; LS-DYNA; конечно-элементная модель
Введение
Металлическая броня как класс включает в себя броневые стали, высокопрочные алюминиевые [1][2] и титановые сплавы. Наиболее широко используется стальная броня [3]. При проектировании защитных сооружений от стрелкового оружия сталь по-прежнему является доминирующим материалом, хотя могут применяться и легкие композитные материалы. Это происходит потому, что стали имеют высокую прочность и твердость в сочетании с пластичностью, низкой ценой по сравнению с большинством других броневых материалов, отличной несущей способностью и технологичностью при изготовлении бронированных объектов [4].
В опубликованных исследованиях [4-7] было изучено сопротивление прониканию пули в пластину из стали с разными скоростями, толщинами, и формами носовой части пули. В большинстве из них используются КЭМ, составленные из плоских (оболочечного типа) конечных элементов (КЭ) [4,6]. Однако сравнение результатов для различных стальных сплавов освещено недостаточно полно [4].
В нашей статье исследовалось пробитие пластин из стальных сплавов Armox 560T, Domex protect 500, weldox 700 E, Hardox 400, и Armstal 500, используемых для бронезащи-ты, для пяти различных толщин (6 мм, 8 мм, 10 мм, 6+6 мм, и 8+8мм) со скоростью удара 830 м/с и 920 м/с во всех тестах пулей 7,62 мм «APM2» (с жестким стальным сердечником), которая является одной из наиболее распространенных. Также произведён анализ влияния коэффициента трения на результаты численного моделирования.
Для решения поставленных задач по разработке, связанной с броневыми сталями, был выбран самый высокий класс баллистической защиты по определению в соответствии с европейской нормой EN1063 [8]. Это «BR7» (для защиты от боеприпасов AP 7,62 мм, где скорость удара пули составляет около 830 м / с).
Цель работы состоит в разработке рациональных КЭМ пластин и пули, на базе которых получаются результаты с приемлемой точностью и минимальным временем решения при использовании решателя LS-DYNA, для исследования пробития пулей моно-слойных и двухслойных пластин из стальных сплавов, а также в прогнозировании значений рациональных толщин и свойств стали для обеспечения защиты по европейской норме EN1063.
Спецификация пластинок и пули Мишени пластинок
В этом исследовании мы выбрали 5 марок стальных сплавов, используемых для бро-незащиты, производящихся в разных компаниях: Armox 560T, Domex protect 500, weldox 700 E, Hardox 400, и Armstal 500. Химический состав этих сплавов приведен в таблице 1 [4,9].
Таблица 1. Химический состав (в % отношении к общей массе) пяти марок стальных сплавов
Материалы C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Al
Armox 560T 0.35 0.27 0.84 0.007 0.001 0.49 1.44 0.45 0.19 0.053
Domex protect 500 0.3 0.4 1.3 0.02 0.01 - - - - -
weldox 700 E 0.14 0.28 1.06 0.01 0.002 0.4 0.05 0.016 0.01 0.047
Hardox 400 0.13 0.31 1 0.01 0.001 0.2 0.05 0.012 - -
Armstal 500 0.32 0.5 1.2 - - 0.9 1.1 0.3 - -
Эти стали для защиты легкобронированной техники должны выдерживать без разрушения попадание бронебойных пуль и малокалиберных снарядов, а также обеспечивать требования по технологичности (в том числе свариваемости). Значения твердости этих сплавов показаны в таблице 2. Отметим, что производители новых материалов на этих предприятиях в основном полагаются на увеличение параметра твёрдости.
Материалы Armox 56GT Domex protect 5GG weldox 7GG E Hardox 4GG Armstal 5GG
Твердость НВ 53G-59G 477-55G 26G - 31G 37G - 43G 4BB-566
На рис.1 показаны экспериментально полученные кривые напряжение - деформация до разрушения при испытаниях на растяжение на гладких осесимметричных образцах при квазистатической скорости деформации и комнатной температуре [4].
Рис.1 Кривые напряжение - деформация, полученные при испытаниях образца на растяжение
Пуля
Рис.2. Пуля «APM2» 7,б2 мм
Как указывалось, в данной работе используется один тип пули 7,62 мм «АРМ2». Описание геометрии этого типа пули приведено на рис.2.
Пуля «APM2» имеет жесткий стальной сердечник, изготовленный из инструментальной стали 1007. Она состоит из латунной оболочки, заглушки, заполнителя из свинца и жесткого стального сердечника. Общая масса пули APM2 составляет около 10,5 г [2,4,10].
Модифицированная модель Джонсона-Кука
При моделировании соударения объектов важную роль играет описание пластических эффектов в материале. В работе используются модифицированная модель Джонсона-Кука (MJC) для моделирования мишени и пули как наиболее подходящая для решения подобных задач [2,10]. Данная модель (MJC) определяет следующее соотношение для эквивалентного напряжения (напряжение по Мизесу) [2,10] <гэ к:
аэк = (л + в £ЭКХ 1 + ¿эк) с ( 1 - Гта) , (1)
где ¿эк — эквивалентная пластическая деформация; ¿Эк = ¿р/ёо — нормированная эквивалентная скорость пластической деформации; ¿0 — справочная скорость деформации, полученная в квазистатических испытаниях (эти параметры называют также интенсивно-стями соответствующих величин); Л, B, п, с, m — константы, зависимые от материала; Т * — гомологическая температура.
Для описания разрушения материала в пакете LS-DYNЛ, применяемого в работе как решатель, используется критерий предложенный Кокрофтом и Латом [2,10]
< > Й£эк < Жсг , (2)
0
где - наибольшее главное напряжение, когда и когда
а х < 0; Шсг - общая пластическая работа при разрушении.
Значения параметров материалов пули, относящиеся к модели модифицированного Джонсона-Кука, взятые из публикаций [2,4,5,10], приведены в таблицах 3,4,5.
Таблица 3. Общие параметры для модифицированной модели Джонсона-Кука в пуле
Материалы Е, МПа Я р[кг/м3] Ср [Дж/кгК] X а[ К"1] Т* 1 с
Все стальные сплавы 210000 0.33 7850 452 0.9 1.2 х 1(Г5 0.9
Свинцовый сердечник и заглушка 1000 0.42 10660 124 0.9 2.9 х 1(Г5 0.9
Латунная оболочка 115000 0.31 8520 385 0.9 1.9 х 1(Г5 0.9
Таблица 4. Параметры материала и модифицированной модели Джонсона-Кука в пулях
Материалы Предел текучести Деформационное упрочнение Скорость деформационного упрочнения Температура размягчения Критерий Кокрофта и Лата
A, МПа B, МПа n еа*"1] C тг[к] т,п[к] m Жсг[МПа]
Жесткий стальной сердечник 1200 50000 1 5 х 10"4 0 293 1800 1 -
Свинцовый сердечник и заглушка 24 300 1 5 х 10"4 0.1 293 760 1 175
Латунная оболочка 206 505 0.42 5 х 10"4 0.01 293 1189 1.68 914
Таблица 5. Параметры материалов и модифицированной модели Джонсона-Кука в пластинках
Материалы Предел текучести Деформационное упрочнение Скорость деформационного упрочнения Температура размягчения Критерий Кокрофта и Лата
A, МПа B, МПа n ea*"1] C Tr[K] Tm[K] m Wcr[MIla]
Armox 560T 2030 568 1 5 x 10"4 0,001 293 1800 1 2310
Domex Protect 500 2030 504 1 5 x 10"4 0,001 293 1800 1 1484
Hardox 400 1350 362 1 5 x 10"4 0,0108 293 1800 1 2013
Weldox 700E 819 308 0,64 5 x 10"4 0,0098 293 1800 1 1486
Armstal 500 1875 415 0,98 2 x 10"4 0,001 293 1800 1 1689
Численное моделирование
Пуля и область в пластинке, которая подвергается наибольшим деформациям, были смоделированы с учетом исследований, проведенных нами ранее [2], а именно: размер КЭ задаем равным 0,2 мм в области воздействия и 0,3 мм в пуле для получения высокоточных результатов, адекватных результатам экспериментов (рис. 3). Что касается использования размера КЭ крупнее чем 0,2 мм, мы получили значение остаточной скорости с большой погрешностью.
Как указывалось, в данной работе исследуется процесс проникания пули 7,62 мм «АРМ2» (с жестким стальным сердечником) в пластинки из 5-ти типов стальных сплавов с пятью толщинами как монослойные (6 мм,8 мм,10 мм), так и двухслойные (6х2 мм и 8х2 мм). Скорость удара пули принята равной 830 м/с (в соответствии с «ВЯ7») для пластин с толщинами 6,8,10,6х2 с целью расчетной оценки удовлетворения уровня требуемой защиты «ВЯ7» и прогнозирования не пробития для этих материалов при определенной толщине. Наряду с принятой скоростью изучался процесс пробития при скорости удара пули равной 920 м/с (которая также имеет место) при больших толщинах (6х2 и 8х2 м), для того, чтобы проверить сопротивление проникновению в критических случаях и определить толщины и типы материалов для пластин, когда пробития их не произойдет.
Рис.3. КЭМ пули и пробиваемой пластины
Роль трения в вопросах проникновения до сих пор до конца не ясна, особенно на высоких скоростях. В ряде численных исследований им пренебрегали [4], и наоборот, другие исследователи приняли его во внимание, причем, с значениями меньше, чем для «обычного» трения [10], когда наибольшее значение коэффициента трения стали (твёрдая) со сталью (твёрдая) составляет 0,78. Однако при пробитии его значение будет намного меньше [11]. В нашем исследовании, после предварительного анализа, было выбрано его значение равное 0,01, которое позволило получить результаты, адекватные экспериментальным. Далее в статье будет дано сравнение результатов без трения и с трением.
При этом КЭМ пластины с толщинами 6, 8,10, 6х2,и 8х2 мм имеют в центральной зоне - зоне воздействия размерами 20х20 мм2 300.000, 400.000,500.000,600.000, и 800.000 элементов соответственно. В таблице 6 показано количество элементов, количество узлов и вычислительное время на полную задачу (при работе на ЭВМ с процессором Intel core с тактовой частотой 3,5 ГГц) для различных толщин (рис.4), используемых в этой работе для КЭМ с моделью зоны воздействия в виде квадрата.
Толщина Мишень и пуля APM2 Материалы Вычислительное время [мин]
Число элементов Число узлов Без трения С трением
6 902204 586220 Armox 560T 445 485
Domex Protect 500 485 486
Hardox 400 544 501
Weldox 700E 688 701
Armstal 500 499 484
8 1062204 748230 Armox 560T 856 980
Domex Protect 500 871 839
Hardox 400 915 888
Weldox 700E 850 1057
Armstal 500 953 888
10 1222204 910240 Armox 560T 1154 1444
Domex Protect 500 1281 1278
Hardox 400 1396 1392
Weldox 700E 1432 1308
Armstal 500 1165 1447
6Х2 1382204 1088451 Armox 560T 1612 1917
Domex Protect 500 1642 1523
Hardox 400 1943 1786
Weldox 700E 1697 1652
Armstal 500 1572 1552
8Х2 1702204 1412471 Armox 560T 2767 3261
Domex Protect 500 2848 2659
Hardox 400 3036 2928
Weldox 700E 1841 1970
Armstal 500 2825 3204
Для оценки временных границ расчетов в LS-Dyna также было определено время собственно пробития пластин пулей, которое составило 80 мкс для пластины толщиной 6 мм, 100 мкс для толщины 8 мм, 120 мкс для толщины 10 мм, 140 мкс для толщины 12 мм и 180 мкс в случае толщины 16 мм соответственно.
Результаты исследований
Результаты исследований оценивались путем сопоставления с экспериментальными данными, опубликованными в работе [4], в которой представлены значения остаточной скорости и механизм разрушения для некоторых стальных сплавов.
В нашем исследовании мы разделили расчетные исследования на следующие этапы:
1. Расчетная оценка обеспечения уровня требуемой защиты «BR7».
2. Анализ влияния коэффициента трения на результаты.
3. Проверка сопротивления проникновению в критических случаях, когда скорость пули 920 м/с.
Расчетная оценка обеспечения уровня требуемой защиты «BR7»
В этой части исследуется пробитие пулей «APM2» 5-и пластинок из стальных сплавов при толщине монослойных пластин 6, 8, 10, и двухслойных пластин 6х2 мм при скорости пули 830 м/с.
Результаты расчетов для монослойных пластин толщиной 6 мм 5-и типов стальных сплавов представлены на рис. 4 - 6. Мы можем отметить, что оболочка пули не пробивает пластины, а отскакивает в противоположном направлении (кроме сплава Weldox 700 E).
В t 41.
воо- ■-Е
\
ISO- \
\
ТЮ в п
-л
№ EDO
ici----£ с
--■—г. _ -* »----
i а.т 0.W СМ. D.
■Fort Но.
А. Дгпч> 5*6-Т Ы fcomci
ШШш «HI С iVD-dcr IDOt . с АгпчМНП
И
Tur-tH
Бзгмя [с] |Е ля
Рис.4. Изменения скорости пули «АРМ2» при проникновении в пластину толщиной 6 мм
Рис.5. Изменение кинетической энергии пули «АРМ2» при проникновении в пластину толщиной 6 мм
д) ЛгтаМ 500
Рис.6. Картина проникания пули «АРМ2» в пластину толщиной 6 мм
На рисунках 7-9 показаны результаты для монослойных пластин толщиной 8 мм для каждого типа стальных сплавов.
Рис.7. Изменения скорости пули «АРМ2» при проникновении в пластину толщиной 8 мм
Рис.8. Изменение кинетической энергии пули «АРМ2» при проникновении в пластину толщиной 8 мм
а) Лгтох 560Т Б) Ботех РЮесг 500
В) Нагёох 400 г) Weldox 700Е
д) Лгшла 500
Рис.9. Картина проникания пули «АРМ2» в пластину толщиной 8 мм
Результаты расчетов для монослойных пластин толщиной 6 мм из 5-и типов стальных сплавов представлены на рис. 10 - 12. Анализ их показывает, что характер уменьшения остаточных скоростей и кинетических энергий по времени для сплавов Armox 560T и Domex Protect 500 идентичен и несколько отличается у сплавов Armstal 500 и Hardox 400, а у сплава Weldox 700 E отличие существенно.
■ADO —1
J DO 700 fl * 0
£
«О
* В D Q В
RL0
£ i
JQC
Г е с
Е * L
JLK' -1ГИ-. Л- В -«— ■- ± ' *
4 J? HOi О.» 0 > fl.J
Part No:
ft Агттюк WD"t В Dome» РгиВМ! iOO С iMn 4Л0
D ШеМмгне
E Arm.til 5»
mm^lea.M Hir.tM «1
кргуп ¡с] сл
Рис.10. Изменения скорости пули «АРМ2» при проникновении в пластину толщиной 10 мм
Рис.11. Изменение кинетической энергии пули «АРМ2» при проникновении в пластину толщиной 10 мм
а) Armox 560T б) domex protect 500
в) hardox 400 г) Weldox 700E
д) Armstal 500
Рис.12. Картина проникания пули «APM2» в пластину толщиной 10 мм
Результаты решений для двухслойных пластин толщиной 6х2 мм для каждого типа стальных сплавов представлены на рис. 13 - 15. На рис. 15 мы можем увидеть образование зазора между пластинками. В том случае, когда пуля не пробила пластинку, то она (пуля) продолжает движение в противоположном направлении.
Рис.13. Изменения скорости пули «АРМ2» при проникновении в пластины толщиной 6х2 мм
Рис.14. Изменение кинетической энергии пули «АРМ2» при проникновении в пластины толщиной 6х2 мм
д) armstal 500
Рис.15. Картина проникания пули «APM2» сквозь пластины толщиной 6х2 мм
Отметим, что пуля пробила все монослойные пластины толщиной 6, 8, и 10 мм из всех стальных сплавов (остаточная скорость ее показана в табл. ). В то же время при толщине двухслойных пластин 6х2 мм пуля не пробивает пластины из сплавов Armox 560T, Domex Protect 500, и Armstal 500 и пробивает пластины из сплавов Hardox 400, и Weldox 700E. Таким образом, уровень защиты «BR7» обеспечивается при использовании двухслойных пластин толщиной не менее 6х2 мм из сплавов Armox 560T, Domex Protect 500, и Armstal 500.
Таб.7. Остаточная скорость пули «APM2» при проникновении в пластины разных толщин и пяти типов
стальных сплавов (Начальная скорость= 830 м/с)
Толщина 6 мм 8 мм 10 мм 12 мм
Armox560T 591.02 453.46 265.34 0
Domex Protect 500 592.478 456 273.11 0
Weldox 700 E 699.79 613.97 536.53 473.6
Hardox 400 612.747 499.33 353.216 143.13
Armstal 500 596.985 472.06 304.09 0
На рис. 16 показаны изменения остаточных скоростей пули «APM2» в зависимости от толщин и типов сплавов пластин. Из анализа графиков можно сделать выводы:
• Характер уменьшения остаточных скоростей с увеличением толщины для сплавов Armox 560T и Domex Protect 500 идентичен и несколько иной у сплава Armstal 500.
• Уменьшение остаточной скорости пули с увеличением толщины для сплава Hardox 400 не до нуля указывает на то, что не происходит пробития пластинки пулей если ее толщина более 13 мм.
• Уменьшение остаточной скорости пули с увеличением толщины сплава Weldox 700E имеет близкий к линейному характер.
Рис.16. Изменение остаточных скоростей пули «APM2» в зависимости от толщин и типов сплавов пластин
Испытания для оценки влияния коэффициента трения на результаты
В этой части мы исследовали влияние коэффициента трения на результаты численного моделирования. Коэффициент трения введен в модель контакта в программе Ls-Dyna (контакт задается между пулей и пластинкой). Как указывалось ранее, мы выбрали значение для коэффициента трения равным 0,01 исходя из первоначальных проведенных нами расчетов и с учетом предлагаемых его значений другими авторами [11].
Численные испытания проводились для всех стальных сплавов с коэффициентом трения и без коэффициента трения. Мы представили наиболее интересные результаты, а именно для материалов Armox 560T и Weldox 700E при толщине пластины 6 мм и 6х2 мм (рис. 17,18).
Анализ результатов для контакта без трения и с трением показывает, что разница для пластин с малой и большой толщиной не превышает 3%, т.е. трением можно пренебречь.
Рис.17. Изменения скорости пули «APM2» при проникновении в пластины толщиной 6 мм и 12 мм без
трения и с трением для материала Armox 560Х
мм
и 1V1 51 В
*
1И > Ж а А • * В '
С
в
№0
50£| ■ С -г С о
с ■
В
1 ___]
от с ы в К «
На:
А Е ии№11ршн| У и мгл-с тр+ынеи С тчЧ'ч!««
МИЛ! Тр^нИГТ"
Время 1Ё-0Й1
Рис.18. Изменения скорости пули «APM2» при проникновении в пластины толщиной 6 и 6х2 мм без трения
и с трением для материала Weldox 700в
Анализ сопротивления проникновению в критических случаях при скорости пули 920 м/с
В исследованиях мы использовали двухслойные пластинки толщиной 6х2 мм и более при скорости пули 920 м/с. Результаты представлены на рис. 19 - 20.
Рис.19. Скорость пули «APM2» при проникновении в пластину толщиной 6х2 мм
Рис.20. Изменение кинетической энергии пули «APM2» при проникновении в пластины толщиной 6х2 мм
Для сравнительной оценки в табл.8 представлены значения остаточных скоростей при проникновении пули в двухслойные пластины из разных материалов толщиной 6х2 мм для двух значений начальной скорости. При скорости 920 м/с пуля пробила пластины из всех рассматриваемых стальных сплавов. Из таблицы видно, что увеличение начальной скорости пули на 90 м/с, привело к увеличению остаточной скорости 263 м/с, 271м/с, 167м/с, 257м/с и 323м/с для сплавов Armox 560T, Domex protect 500, weldox 700 E, Hardox 400, и Armstal 500 соответственно.
Таб.8. Остаточная скорость при толщине двухслойных пластин 6х2 мм для двух скорости и пяти типов
стальных сплавов
Скорость Armox560T Domex Protect 500 Weldox 700 E Hardox 400 Armstal 500
830 м/с 0 0 473.61 143.13 0
920 м/с 263.91 271.85 640 400.02 323.71
При толщине двухслойных пластин 8х2 мм и скорости пули 920 м/с произошло полное пробитие только пластин из сплава weldox 700 Е (табл. 9 ).
Таб.9. Остаточная скорость при толщине двухслойных пластин 8х2 мм для скорости 920 м/с
Скорость Armox560T Domex Protect 500 Weldox 700 E Hardox 400 Armstal 500
920 м/с 0 0 469.26 0 0
Выводы по работе
1. Монослойные пластины толщиной 6 мм, 8 мм и 10 мм из всех исследуемых стальных сплавов не обеспечивают уровень защиты «BR7».
2. Двухслойные пластины из сплавов Armox 560T, Domex protect 500 и Armstal 500 при суммарной толщине 12 мм обеспечивают уровень защиты «BR7».
3. Пластины из сплава Hardox 400 обеспечивают уровень защиты «BR7» при толщине 13 мм и более.
4. Сплав Weldox 700E не рекомендуем использовать для обеспечения уровня зашиты «BR7» из-за необходимости задания большой толщины бронелистов (это приведет к увеличению массы конструкции).
5. Взаимосвязь между остаточной скоростью и толщиной пластин является нелинейной во всех сплавах (кроме Weldox 700E).
6. Влияние коэффициента трения на сопротивление проникновению пули очень мало, поэтому им можно пренебречь.
7. Увеличение величины начальной скорости пули на 11% привело к увеличению ее остаточной скорости в 2 - 4 раза.
8. При скорости 920 м/с пуля пробила двухслойные пластины толщиной 6х2 мм из всех рассматриваемых стальных сплавов, а при толщине 8х2 мм пуля уже их не пробила (кроме пластин из сплава Weldox 700E).
Список литературы
1. Шаш Н., Зузов В.Н. Влияние параметров алюминиевых сплавов на сопротивление прониканию пуль 7.62 «Шар НАТО» и «APM2» // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана: Электрон. журн. 2016. № 11. С. 15-27. DOI: 10.7463/1116.0850281
2. Шаш Н., Зузов В.Н. Численное моделирование проникания пуль стрелкового оружия в пластины из алюминиевых сплавов с использованием модифицированной модели Джонсона-Кука // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана: Электрон. журн. 2017. № 1. С. 1-19. DOI: 10.7463/0117.0000922
3. Гладышев С.А., Григорян В.А. Броневые стали. М.: Интермет Инжиниринг, 2010. 334 с.
4. B0rvik T., Dey S., Clausen A.H. Perforation resistance of five different high-strength steel plates subjected to small-arms projectiles // Intern. J. of Impact Engineering. 2009. Vol. 36. No. 7. Pp. 948-964. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2008.12.003
5. B0rvik T., Langseth M., Hopperstad O.S., Malo K.A. Perforation of 12 mm thick steel plates by 20 mm diameter projectiles with flat, hemispherical and conical noses: Pt. I: Experimental study // Intern. J. of Impact Engineering. 2002. Vol. 27. No. 1. Pp. 19-35. DOI: 10.1016/S0734-743X(01)00034-3
6. B0rvik T., Hopperstad O.S., Berstad T., Langseth M. Perforation of 12 mm thick steel plates by 20 mm diameter projectiles with flat, hemispherical and conical noses: Pt. II: Numerical simulations // Intern. J. of Impact Engineering. 2002. Vol. 27. No. 1. Pp. 37-64. DOI: 10.1016/S0734-743X(01)00035-5
7. Djalel Eddine Tria, Trebinski R. Dynamic characterization and constitutive modelling of ARMSTAL 500 steel // Problemy mechatroniki: uzbrojenie, lotnictwo, inzynieria bezpieczenstwa. 2015. Vol. 6. No. 3(21). Pp. 19-40. DOI: 10.5604/20815891.1166973
8. CSN EN 1063. Glass in building. Security glazing. Testing and classification of resistance against bullet attack. 1999-11-01. 1999.
9. ARMSTAL 500: ARMOR STEEL / HSJ (Huta Stali Jakosciowych S.A.). Режим доступа: http://hsjsa.pl/resources/uploaded/ARMSTAL%20500%20eng.pdf (дата обращения 27.04.2017).
10. B0rvik T., Olovsson L., Dey S., Langseth M. Normal and oblique impact of small arms bullets on AA6082-T4 aluminium protective plates // Intern. J. of Impact Engineering. 2011. Vol. 38. No. 7. Pp. 577-589. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2011.02.001
11. Engineer's Handbook: Reference Tables - Coefficient of Friction. Режим доступа: http://www.engineershandbook.com/Tables/frictioncoefficients.htm (дата обращения 27.04.2017).
Science ¿Education
of the Baumail MSTU
Science and Education of the Bauman MSTU, 2017, no. 05, pp. 21-41.
DOI: 10.7463/0517.0001156
Received: 03.04.2017
Revised: 17.04.2017
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Analysis of Anti-Bullet Resistance of Armored Steels of Foreign Manufacture
V.N .Zuzov1*, N. Shash1
zuzvaleryigramblerju :Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: armored steel; bullet; EN1063; modified Johnson-Cook; LS-DYNA; finite element model
The paper studies penetrating armour plates from the steel alloys such as Armox 560T, Domex protect 500, Weldox 700 E, Hardox 400, and Armstal 500, which are used for armour protection. In all tests for five different thick (6 mm, 8 mm, 10 mm, 6 + 6 mm, and 8 + 8mm) plates was used one of the most common bullets, i.e. a 7.62 mm "APM2" (hard steel core) bullet with an impact velocity of 830 m / s and 920 m / s. The article presents the developed rational finite element models of plates and bullets, which allow us to obtain results with acceptable accuracy and minimum time of solution using the LS-DYNA solver. Predicts the rational thickness values and the steel properties to ensure protection according to the European standard EN1063 ("BR7"). Also conducts analysis of influence of the friction coefficient on the results of numerical simulation.
The main results of calculations include the residual velocity and kinetic energy of the bullet after penetrating and the pattern of the plate fracture mechanism (for each plate type and thickness). As a result of the studies, it was found that the monolayer 6 mm, 8 mm and 10 mm thick plates from all the investigated steel alloys do not provide a protection level of "BR7" (with an initial bullet velocity of 830 m / s) and, on the other hand, the two-layer plates from the alloys Armox 560T, Domex protect 500, and Armstal 500 with a total thickness of 12 mm provide such level of protection. It was also revealed that the influence of the coefficient of friction on the resistance to the bullet penetration is very small, so friction can be neglected.
At an initial velocity of 920 m / s a bullet penetrated two-layer 6x2 mm thick plates from all the steel alloys under consideration, while with a thickness of 8x2 mm the bullet could not penetrate (except the Weldox 700E alloy plate).
References
1. Shash N., Zuzov V.N. Impact of aluminium alloy parameters on penetration resistance of the bullets 7.62 "BallNATO" and "ARM2". Nauka i obrazovanie MGTUim. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2016, no. 11, pp. 15-27. DOI: 10.7463/1116.0850281 (in Russian)
2. Shash N., Zuzov V.N. Modified Johnson-Cook model-based numerical simulation of small arms bullets penetration in the aliminium alloy plates. Nauka i obrazovanie MGTUim. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2017, no. 1, pp. 1-19.
DOI: 10.7463/0117.0000922 (in Russian)
3. Gladyshev S.A., Grigorian V.A. Bronevye stali [Armored steel]. Moscow: Intermet Inzhiniring Publ., 2010. 334 p. (in Russian).
4. B0rvik T., Dey S., Clausen A.H. Perforation resistance of five different high-strength steel plates subjected to small-arms projectiles. Intern. J. of Impact Engineering, 2009, vol. 36, no. 7, pp. 948-964. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2008.12.003
5. B0rvik T., Langseth M., Hopperstad O.S., Malo K.A. Perforation of 12 mm thick steel plates by 20 mm diameter projectiles with flat, hemispherical and conical noses: Pt. I: Experimental study. Intern. J. of Impact Engineering, 2002, vol. 27, no. 1, pp. 19-35.
DOI: 10.1016/S0734-743X(01)00034-3
6. B0rvik T., Hopperstad O.S., Berstad T., Langseth M. Perforation of 12 mm thick steel plates by 20 mm diameter projectiles with flat, hemispherical and conical noses: Pt. II: Numerical simulations. Intern. J. of Impact Engineering, 2002, vol. 27, no. 1, pp. 37-64.
DOI: 10.1016/S0734-743X(01)00035-5
7. Djalel Eddine Tria, Trebinski R. Dynamic characterization and constitutive modelling of ARMSTAL 500 steel. Problemy mechatroniki: uzbrojenie, lotnictwo, inzynieria bezpieczenstwa, 2015, vol. 6, no. 3(21), pp. 19-40. DOI: 10.5604/20815891.1166973
8. CSN EN 1063. Glass in building. Security glazing. Testing and classification of resistance against bullet attack. 1999-11-01. 1999.
9. ARMSTAL 500: ARMOR STEEL / HSJ (Huta Stali Jakosciowych S.A.). Available at: http://hsjsa.pl/resources/uploaded/ARMSTAL%20500%20eng.pdf, accessed 27.04.2017.
10. B0rvik T., Olovsson L., Dey S., Langseth M. Normal and oblique impact of small arms bullets on AA6082-T4 aluminium protective plates. Intern. J. of Impact Engineering, 2011, vol. 38, no. 7, pp. 577-589. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2011.02.001
11. Engineer's Handbook: Reference Tables - Coefficient of Friction. Available at: http://www.engineershandbook.com/Tables/frictioncoefficients.htm, accessed 27.04.2017.
