CC BY
14
УДК 623.093
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-470-476
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТА БРОНЕКОНСТРУКЦИИ ИЗ ТИТАНОВЫХ ТРУБ
И.К. Устинов, И.Л. Шкарупа, Д.А. Рогов, В.А. Грачев, С.Е. Степанов, О.А. Артеменко
В статье приведены результаты расчёта моделирования быстротекущего процесса взаимодействия движущегося объекта - пули с участком рассматриваемой защитной конструкции, выбранная нагрузка - воздействие пули массой 7,2 г, движущейся со скоростью 700 м/с. Выявлена оптимальная конструкция, обладающая наибольшим коэффициентом эффективности бронезащиты. В расчете проведено моделирование наборов, состоящих из титановых трубок наружным диаметром 12, 14 и 16 мм (марка титана ВТ1-0) с толщиной стенок 1,5 мм, «без» и «с» заполнением двумя типами сыпучих веществ.
Ключевые слова: бронеконструкция из титановых труб, коэффициент эффективности бронезащиты.
Высокая скорость разработки и внедрения новых материалов в 21 веке определяет наличие большого количества технических решений в заданной области техники. Различные типы бронекерамик и энергогасящих подложек, форма фронтальных элементов бронепанели и т.д. напрямую влияют как на баллистическую стойкость и эффективность, так и на живучесть бронепанелей.
На сегодняшний день теория прочности, позволяющая моделировать проникновения поражающих элементов (далее ПЭ) в многослойную бронепанель, описывает работу каждого слоя бронематериала в отдельности.
В данной работе исследована эффективность нескольких вариантов трубчатой четырех рядной брони на предмет сопротивления проникновению и разрушению от внешнего воздействия.
С этой целью выполнен конечно-элементный расчет моделирования быстротекущего процесса взаимодействия движущегося объекта - пули с участком рассматриваемой защитной конструкции (брони). Рассматривается % часть полной геометрии участка брони и пули с центром в точке касания пули и внешнего ряда трубок. В расчете проведено моделирование наборов, состоящих из титановых трубок с наружным диаметром 12, 14 и 16 мм (марка титана ВТ-1-0), «без» и «с» заполнением двумя типами сыпучих веществ, плотность которых отличается в 2 раза. Наиболее плотная засыпка соответствует мелкому кварцевому песку. Толщина трубок составляет Д=1,5 мм.
Критерием эффективности бронезащиты Кэф. каждого из рассмотренных вариантов является соотношение минимального значения кинетической энергии движущейся пули ЕНач, которая позволяет ей проникнуть через 4 ряда трубок, и на выходе иметь нулевую энергию, к массе 1 м2 выбранного варианта конструкции.
Начальным условием расчёта является скорость пули на момент соприкосновения с внешней поверхностью конструкции. При этом, для разных конструкций значение этой скорости, требуемое для разрушения полного пакета рядов трубок, различно.
Значения скоростей, принимаемых в качестве оценочных характеристик, были получены многоитерационным вычислением, что определяло высокую сложность данного моделирования в части требуемого для анализа объема дискового пространства, помимо высоких требований по производительности, необходимого для корректного построения конечно-элементной сетки и расчётной обработки и решения поставленной задачи. Для всех рассмотренных вариантов в качестве начальной итерации принимался случай взаимодействия с пулей массой 7,2 г, движущейся со скоростью 700 м/с, (патрон 7,62^39 мм).
В расчётной конечно-элементной модели к соответствующим поверхностям рассечения приложены условия симметрии, накладывающие ограничения на перемещения и углы поворота из плоскости. В качестве примера на рис. 1 представлен общий вид модели пакета 16 мм трубок [1].
На первоначальном этапе расчета был выбран наиболее эффективный вариант исполнения, для которого в последующем были проведены исследования влияния расположения точки, в которой происходит соударение с поверхностью конструкции пулей: в центре трубки (как показано на рис. 1), между трубок, по центру трубки внешнего ряда и по центру трубки второго ряда, а также между трубок первого и второго рядов.
Рис. 1. Геометрическая модель конструкции 16 мм
Определение условий пробития бронеконструкции. В качестве иллюстрации результатов расчета на рис. 2 и 3 представлены наборы слайдов из файла анимации, дающие пошаговое представление деформирования бронепакета состоящего из 16 мм трубок. На рис. 2 представлены кадры деформированного состояния для трубок, на рис. 3 - для пули. Деформированное состояние вариантов исполнения стенки из трубок диаметром 12 и 14 мм внешне ничем не отличается от представленных ниже [2],[3],[4].
Рис. 2. Поэтапное деформирование конструкции бронезащиты из 16 мм трубок. Масса пули - 7.2 г, начальная скорость - 700 м/с. Нет пробития
Рис. 3. Поэтапное продвижение пули в бронезащите из 16 мм трубок. Масса пули - 7.2 г,
начальная скорость - 700 м/с. Нет пробития
В расчёте при отсутствии достижения пробития конструкции начальная скорость движения пули увеличивалась, изменялась дискретизация расчетных точек по времени и проводилась следующая итерационная оценка, до достижения выхода осколками пули за внутреннюю границу бронеконструкции. Однако для слишком большой выбранной начальной скорости вариант пробития соответствовал высокой выходной скорости пули и тоже не годился в качестве зачётного результата (см. рис. 4). В качестве оптимума рассматривался случай выхода пули с минимальной скоростью или достаточно большие деформации внешней стенки последнего ряда трубок, как это показано на рис. 5.
Рис. 4. Максимально возможное деформированное состояние пули и стенок бронезащиты при выходе пули со слишком большой начальной скоростью
) 1
у
Рис. 5. Максимально возможное деформированное состояние пули и стенок бронезащиты
при оптимальной начальной скорости пули
Результаты расчёта нескольких вариантов исполнения для пули массой 7,2 г, движущейся со скоростью 700 м/с:
Вариант 1. Внешний диаметр трубок dl=12 мм.
На рис. 6 изображены перемещения в титановой части бронеконструкции после пробития. Пуля при пробитии бронеконструкции потеряла 81 % от начальной кинетической энергии.
Вариант 2. Внешний диаметр трубок d2=14 мм.
На рис. 7 изображены перемещения в титановой части бронеконструкции после пробития. Пуля при пробитии бронеконструкции потеряла 89 % от начальной кинетической энергии.
■ 8'3
■ 7,4 6,5
5.5
4.6 I 3,7 - 2,8
1,8 0,92 0
Рис. 7. Перемещения в титановой части бронеконструкции, мм
ш
Вариант 3. Внешний диаметр трубок dз=16 мм.
На рис. 8 изображены перемещения в титановой части бронеконструкции после остановки пули.
3
14,6 13 11,4 9,75 8,13 6,5 4,88 3,25 1,63 ■ 1,78е-14
Рис. 8. Перемещения в титановой части бронеконструкции, мм
Как видно из рис. 8, пуля пробила два слоя трубок и была остановлена третьим.
Таким образом, расчётным путем были определены оптимальные начальные скорости и связанные с ними кинетические энергии пули Енач., характеризующие бронестойкость рассматриваемых вариантов. Результаты расчета в виде значений энергий Енач. и коэффициентов эффективности Кэф= Енач. /т, где Енач. - начальная кинетические энергии пули; т - масса 1 м2 бронезащиты представлены в таблице.
Параметр Диаметр 12 мм Диаметр 14 мм Диаметр 16 мм
без песка с «легкой засыпкой» с песком без песка с «легкой засыпкой» с песком без песка с «легкой засыпкой» с песком
Eнач, кДЖ 2,5 2,95 3,1 3,05 3,65 3,8 4,1 4,7 5,13
Кэф, Дж»м2/кг 22,3 26,3 27,7 24,8 29,7 30,9 30,6 35,1 38,4
Выводы и рекомендации:
1. По результатам расчета вариантом, обладающим наибольшим соотношением Енач. к массе единицы площади, то есть являющимся наиболее эффективным, является вариант исполнения из 16 мм трубок с засыпкой кварцевым песком.
2. Бронеконструкции, состоящие из четырёх слоёв титановых трубок диаметром d=12 и 14 мм, внутренние полости которых или заполнены кварцевым песком или пустые, неработоспособны по отношению к выбранной нагрузке - воздействию пули массой 7,2 г, движущейся со скоростью 700 м/с.
3. Рекомендуется рассмотреть вариант бронеконструкции со смещениями 3 и 4 рядов трубок, в котором относительно первого третий слой сдвинут на половину диаметра трубы, а четвёртый слой сдвинут на половину диаметра относительно второго. Направление сдвига указано на рис. 9 стрелками.
Рис. 9. Направление сдвига слоёв
4. Относительно точки входа пули в бронеконструкцию можно сделать вывод о том, что наиболее стойким к воздействию является вариант попадания в центры первого и второго ряда трубок.
5. Наименее стойким - вариант попадания между трубок первого и второго
рядов.
Список литературы
1. Патент РФ №2733184/29.09.2020. Бронезащита / Устинов И.К., Загоруйко А.И., Евстигнеев А.Р. Подача: 2020-02-13. Публикация: 2020-09-29. Российский патент 2020 года по МПК F41H5/04. 2020.
2. Бруяка В.А. Инженерный анализ в Ansys Workbench. Часть 2. СГТУ, 2010. 148 с.
3. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упруго-пластического разрушения. М.: Наука, 1972. 599 с.
4. Когаев В.П. Расчёты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиностроение, 1977. 232 с.
Устинов Игорь Кириллович, канд. техн. наук, [email protected], Россия, Калуга, Калужский филиал Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана,
Шкарупа Игорь Леонидович, канд. техн. наук, начальник группы, [email protected], Россия, Обнинск, АО ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина,
Рогов Дмитрий Александрович, канд. техн. наук, начальник сектора, [email protected], Россия, Обнинск, АО ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина,
Грачев Виктор Александрович, инженер, [email protected], Россия, Обнинск, АО ОНПП «Технология» им. А.Г. Ромашина,
Степанов Сергей Евгеньевич, канд. физ.-мат. наук, декан, stepanovse@bmstu. ru, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
Артеменко Ольга Александровна, канд. пед. наук, заведующая кафедрой, [email protected], Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
THE RESULTS OF THE CALCULATION OF THE ARMORED STRUCTURE OF TITANIUM PIPES
I.K. Ustinov, I.L. Shkarupa, D.A. Rogov, V.A. Grachev, S.E. Stepanov, O.A. Artemenko
The article presents the results of calculating the simulation of a fast-flowing process of interaction of a moving object - a bullet with a section of the protective structure under consideration, the selected load is the impact of a bullet weighing 7.2 g moving at a speed of 700 m/s. The optimal design is revealed, which has the highest coefficient of armor protection efficiency. In the calculation, modeling of sets consisting of titanium tubes with an outer diameter of 12, 14 and 16 mm (titanium grade VT1-0) with a wall thickness of 1.5 mm, "without" and "with" filling with two types of bulk solids, was carried out.
Key words: armored structure made of titanium tubes, coefficient of effectiveness of armor protection.
Ustinov Igor Kirillovich, candidate of technical sciences, [email protected], Russia, Kaluga, Kaluga branch of the Moscow State Technical University named after N.E. Bauman,
Shkarupa Igor Leonidovich, candidate of technical sciences, head of group, [email protected], Russia, Obninsk, JSC ONPP Tekhnologiya named after A.G. Romashina,
Rogov Dmitry Alexandrovich, candidate of technical sciences, head of sector, [email protected], Russia, Obninsk, JSC ONPP Tekhnologiya named after A.G. Romashina,
474
Grachev Viktor Aleksandrovich, engineer, shil2018igor@yandex. ru, Russia, Obninsk, JSC ONPP «Technology» them. A.G. Romashina,
Stepanov Sergey Evgenievich, candidate of physical and mathematical sciences, dean, [email protected], Russia, Moscow, Moscow State Technical University. N.E. Bauman,
Artemenko Olga Alexandrovna, candidate of pedagogical sciences, head of department, [email protected], Russia, Moscow, Moscow State Technical University. N.E. Bauman
