2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................4
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..................8
1.1. Классификация и устройство СИБ............................8
1.2. Методика испытаний СИБ...................................11
1.3. Характеристики арамидных волокон и тканей на их основе...17
1.4. Процессы взаимодействия ткани с индентором...............22
1.5. Моделирование удара индентора о тканевую структуру.......26
1.6. Задачи исследования......................................34
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АРАМИДНЫХ НИТЕЙ И РЕГИСТРИРУЮЩЕЙ СРЕДЫ (ТЕХНИЧЕСКОГО ПЛАСТИЛИНА).......................................36
2.1. Определение механических характеристик арамидных нитей...36
2.2. Определение механических характеристик регистрирующей среды... 36 Глава 3. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ ТКАНЕВЫХ ПЛАСТИН И ТЕХНИЧЕСКОГО ПЛАСТИЛИНА ПРИ ЛОКАЛЬНОМ УДАРЕ.....................41
3.1. Геометрическая сторона моделирования тканевых пластин....41
3.2. Физическая сторона моделирования тканевых пластин, технического пластилина и индентора.......................................45
3.3. Верификация модели нити как элемента ткани...............47
Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТКАНЕВЫХ ПЛАСТИН РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ИНДЕНТОРАМИ.............................52
4.1. Динамическое взаимодействие индентора с одним слоем ткани полотняного, саржевого, сатинового переплетений, размером 5x5, 10x10, 20x20, 30x30 см (нити не разрушаются)........................52
4.2. Динамическое взаимодействие одного слоя ткани размером 30x30 см сатинового переплетения с индентором, ударяющим в центр ткани под углами 0° - 60° к нормали поверхности ткани (нити не разрушаются) 56
4.3. Динамическое взаимодействие индентора с одним слоем ткани полотняного, саржевого, сатинового переплетений, размером 5x5, 10x10, 20x20, 30x30 см (нити разрушаются).................................58
4.4. Расчетное и экспериментальное исследование динамического взаимодействия индентора и тканевых пластин, состоящих из 1 - 5 слоев ткани размером 10x10 см с возможностью разрушения нитей, расположенных на пластилиновом основании...........................65
4.5. Расчеты динамики удара на высокопроизводительном вычислительном кластере «СКИФ Урал»...............................................69
4.6. Расчетные исследования динамического нагружения тканевых пластин полотняного переплетения из одного и пяти слоев ткани размером 5x5 см, а также размером 30x30 см (нити могли разрушаться) с использованием одного, двух, четырех и восьми ядер с узла вычислительного кластера
«СКИФ Урал»...................................................72
4.7. Расчетные и экспериментальные исследования динамического
нагружения 10 слоев ткани сатинового переплетения размером
30x30 см......................................................79
4.8. Рекомендации для практики................................83
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................85
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................88
Приложение 1...................................................109
Приложение 2...................................................112
Приложение 3...................................................117
Приложение 4...................................................122
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Многослойная тканевая пластина при динамическом локальном нагружении как расчетная схема может соответствовать широкому спектру объектов - от корпусных элементов транспортных конструкций до средств индивидуального бронирования (СИБ или бронежилетов) различных уровней защиты. В ГОСТ Р 50744-95 представлено 10 уровней угрозы, которым соответствуют различные по конструкции СИБ: легкие (1 и 2 класса), представляющие собой слоистые тканевые пластины различной толщины, и комбинированные (от 3 до 6а класса), в которых слоистая тканевая пластина усилена с лицевой стороны жесткими элементами из металла или керамики. Современные тенденции проектирования комбинированных СИБ высоких уровней защиты требуют, чтобы металл или керамика пробивались, притупляя или разрушая сердечники пуль, снижали их скорость до уровня, соответствующего надежной работе тыльной тканевой пластины. Таким образом, тканевые пластины, как важный элемент конструкции, должны обеспечить одинаково допустимое травмирование тела человека в СИБ любых уровней защиты, которое при стандартных испытаниях оценивают по деформации тканевой пластины - глубине следа в регистрирующей среде (техническом пластилине с определенными свойствами).
В легких классах СИБ грудная и спинная пластины содержат несколько десятков слоев высокопрочных тканей различного переплетения (саржа, сатин, полотно и др.). Нагружение тканевых пластин происходит инденторами (пулями, осколками), отличающимися формой (острый или притупленный носок), калибром, длиной, скоростью соударения, углом между вектором скорости и нормалью к поверхности, координатами точки удара и др. Все эти факторы могут существенно влиять на прочность тканевых пластин и уровень травмирования тела человека.
При локальном ударе в тканевой пластине возникают сложные физические явления: динамическое деформирование с распространением ударных
волн, большие прогибы, образование и исчезновение множественных фрикционных контактов, вытягивание и разрушение нитей и др. Все это существенно затрудняет теоретический анализ проблемы локального ударного взаимодействия тканевой пластины с иидентором. Поэтому в настоящее время при разработке новых конструкций многослойных тканевых пластин, отличающихся меньшей массой, высокой надежностью, опираются, в основном, на натурный многофакторный эксперимент [32, 52, 54, 55, 73], что приводит к удлинению сроков проектирования и увеличению стоимости этапа доводки (и изделия в целом), не позволяет выявить влияние различных факторов на прочность и уровень травмирования.
Однако интенсивное развитие вычислительной техники, появление суперкомпьютеров в последние годы, делает возможным решение все более сложных задач динамики деформирования и разрушения многослойных тканевых пластин на основе уточненных расчетных моделей, эффективных численных методов и современных алгоритмов параллельных вычислений. Все это определяет актуальность данной работы, позволяя сместить центр тяжести исследований в область математического моделирования многослойных тканевых пластин, ускорения процесса анализа и отбора вариантов, оставив за экспериментом лишь этап финальной оценки полученного перспективного проекта.
Цель исследования заключается в разработке расчетных моделей многослойной тканевой пластины для численной оценки ее деформируемости и прочности при динамическом локальном нагружении с использованием су-перкомпьютерных вычислений.
Научная новизна работы.
1. Впервые разработаны малопараметрические модели плоских тканевых структур, отличающиеся учетом характера переплетения нитей с возможностью образования фрикционных контактов и больших относительных смещений нитей.
6
2. Показана возможность использования модели ортотропной пластины с одной точкой интегрирования по толщине, с малыми поперечносдвиговыми свойствами для замены арамидной нити в составе плоской ткани и ее разрушения по критерию наибольшего растягивающего напряжения.
3. Показана возможность использования модели упругопластического тела с пределом текучести, зависящим от скорости нагружения для замены технического пластилина (регистрирующей среды, имитирующей реакцию тела человека на локальный удар).
4. Показана возможность замены реальной многослойной тканевой пластины эквивалентной пластиной с меньшим числом слоев при оценке ее прочности при локальном ударе, и предложены новые способы декомпозиции задачи при ее решении на многопроцессорных системах.
Достоверность результатов и выводов в работе обосновывается сопоставлением численных результатов с известными теоретическими и с экспериментальными данными, применением апробированных численных методов и пакетов прикладных программ.
Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации модели и методы расчета деформируемости и прочности при локальном ударе тканевой пластины позволяют провести детальный анализ для выявления наиболее важных факторов, влияющих на эффективность защиты; оперативно оценить величину баллистического предела тканевой пластины, и дать оценку уровня травмирования тела человека. Результаты исследований внедрены в практику работы ЗЛО «ФОРТ Технология» (г. Москва), о чем имеется соответствующий акт.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на международных и всероссийских конференциях: 1-ой всероссийской конференции пользователей программы LS-DYNA (Снежинск, 2005), Finite element modeling of textiles and textile composites (St.-Petersburg, 2007), Параллельные вычислительные технологии (Уфа, 2010), Инновационные направления в расчетах прочности с использованием суперкомпьютеров и
7
грид-технологий (Кыштым, 2010) и научно-технических конференциях Южно-Уральского государственного университета (Челябинск, 2009 - 2010).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 175 источников, приложений; изложена на 128 страницах машинописного текста; содержит 49 рисунков, 16 таблиц. В приложения включены вспомогательные материалы.
Содержание работы. Диссертация состоит из четырех глав. Первая глава посвящена обзору вопросов по исследованию динамического взаимодействия различных конструкций тканевых пластин с инденторами. Во второй главе приведены методики определения механических характеристик ара-мидных нитей Русар* номинальной линейной плотности 58,8 текс (58,8 г/км) многослойных тканевых пластин и регистрирующей среды (технического пластилина). В третьей главе приведены методики моделирования тканевых пластин и технического пластилина при локальном ударе. В четвертой главе приведены экспериментальные и расчетные исследования динамического взаимодействия тканевых пластин различных конструкций с инденторами. Расчеты проводились на персональном компьютере и высокопроизводительном кластере «СКИФ Урал». В приложения включены вспомогательные ма-териачы.
По результатам данной работы опубликовано 8 печатных работ [9, 12 -14, 23, 132], из которых 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК [10, 11].
8
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Выполнен анализ литературных источников, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям деформирования и разру!иения слоистых тканевых пластин при локальном динамическом нагружении-
1.1. Классификация и устройство СИБ
Согласно ГОСТ Р 50744-95 [5] СИБ по конструктивному исполнению подразделяют на три типа: А - мягкая (гибкая) защитная структура СИБ на основе ткани; Б - полужесткая защитная структура СИБ на основе ткани с пластинами из броневого материала; В - жесткая защитная структура СИБ на основе жестких формованных конструктивных элементов из броневого материала (рис. I).
Бронежилеты (СИБ) по стойкости к воздействию средств поражения подразделяют на классы. Всего 10 классов (табл. 1). Бронежилеты 1-го и 2-го классов - тканевые, бронежилеты более высокого класса имеют в своем составе кроме тканевых пластин еще и элементы из броневого материала (металлические или керамические пластины). В нашей работе мы рассматриваем тканевые бронежилеты 2-го класса (рис. 2). Среди уровней угроз в 1-ом: и 2-м-классах самым опасным средством поражения является пистолет ТТ о пулями калибра 7,62 и максимальной скоростью 445 м/с. В тканевом бронез*<илетс 2-го класса грудная и спинная пластины содержат до 90 слоев баллистической ткани. Типичный размер пластины тканевого бронежилета составляет 30x30 см. Конструкция СИБ должна обеспечивать сохранение стойкости к воздействию средств поражения при заданных в нормативной докуме£3'гаи'ИИ на конкретное изделие условиях: температурном диапазоне эксплуатации от минус 40 до плюс 40°С; влажности воздуха до 100%; а также по согласованию с заказчиком при: кратковременном воздействии огня, воздействии атмосферных осадков и (или) погружении в воду.
Классы защитных структур СИБ
Таблица 1
Класс защиты Средство поражения (вид оружия) Характеристика поражающего элемента Дистанция обстрела, м
Калибр, мм; Тип сердечника Масса, г | Скорость, м/с
Специальный Холодное оружие - Энергия улара 45 - 50 Дж —
1 Пистолет Макарова (ПМ) 9; Стальной 5,9 305-325 5
Револьвер типа «Наган» 7,62; Свинцовый 6,8 275 - 295 5
2 Пистолет ПСМ 5,45; Стальной 2,5 310-335 5
Пистолет ТТ 7,62; Стальной 5,5 415-445 5
2а Охотничье ружье 18,5; Свинцовый 35,0 390-410 5-10
3 Автомат АК-74 5,45; Стальной нетермоупрочненный 3,4 890-910 5-10
Автомат АКМ 7,62; Стальной нетермоупрочненный 7,9 710-740 5-10
4 Автомат АК-74 5,45; Стальной термоупрочненный 3,6 890-910 5-10
5 Винтовка СВД 7,62; Стальной нетермоупрочненный 9,6 820 - 840 5-10
Автомат АКМ 7,62; Стальной гермоупрочненный 7,9 710-740 5-10
5а Автомат АКМ 7,62; Специальный 7,4 720-750 5-10
6 Винтовка СВД 7,62; Стальной термоупрочненный 9,6 820 - 840 5-10
6а Винтовка СВД |7,62; Специальный 10,4 800-835 5-10
10
СИБ
а б в
а - мягкая (гибкая), защитная структура СИБ на основе ткани; б - полужест-кая, защитная структура СИБ на основе ткани с пластинами из броневого материала; в - жесткая, защитная структура СИБ на основе жестких формованных конструктивных элементов из броневого материала.
рис. 1
Тканевый бронежилет
1 - спинная пластина, 2 - грудная пластина, 3 - арамидная ткань полотняного
переплетения рис. 2
- Київ+380960830922