1. Применение революционных материалов в средствах бронезащиты. 2. Работы CompMechLab® НИУ СПбГПУ в области конечно-элементного моделирования высокоскоростных ударных процессов и динамического разрушения (представлены компьютерные анимации)
1. Применение революционных материалов в средствах бронезащиты.
Высокомолекулярный полиэтилен как новый броневой материал сегодня фактически создает такую же революцию в средствах бронезащиты, как некогда произвел Кевлар - представитель арамидных химических волокон, пришедший на смену синтетическому нейлону. Этот материал имеет преимущества перед арамидами не только в баллистической стойкости, но и по стоимостному параметру и эксплуатационным требованиям (не «боится» воды и т.д.).
В настоящее время высокомолекулярный полиэтилен широко применяется в бронежилетах, бронировании автомобилей, кораблей, самолетов. Разработчики пытаются использовать этот материал и для средств защиты головы.
Фото 1. Стандартная бронепанель 3 класса защиты по ГОСТ Р 507844 из высокомолекулярного полиэтилена не пробивается автоматной пулей ПС-43 с 10 м. Видно, что пуля при высоких скоростях взаимодействия деформируется и останавливается тыльными слоями.
Еще в 2007 году по заказу корпуса морской пехоты (КМП) США ряд американских фирм начал разработку перспективного шлема ЕСН (Enhanced Combat Helmet) из высокомолекулярного полиэтилена. Он должен был заменить кевларовый шлем АСН. Планировалось, что новое изделие сможет обеспечить более высокую противоосколочную (на 35%) и противопульную защиту. На разработку выделили более 10 млн. долларов. В 2010 году шлем из высокомолекулярного полиэтилена должны были выпустить пробной партией в количестве около 240 000 штук. Однако испытания шлемов выявили ряд проблем, из-за которых изделие до сих пор в войска не поставляется.
Попытки применить высокомолекулярный полиэтилен для производства противопульных шлемов предпринимались и в России. Около 4-5 лет назад в Дубне на голландском технологическом оборудовании планировалось развернуть производство полиэтиленовых шлемов для МВД. Экспериментальные образцы показывали достаточно высокие характеристики, но до серийного производства эти шлемы так и не дошли.
По мнению зарубежных исследователей, высокомолекулярный полиэтилен не рекомендуется сильно деформировать при прессовании. При прессовании плоских элементов или элементов с небольшой кривизной характеристики материала значительно выше, чем при производстве элементов защиты сложной формы, например, шлема.
Разработчики Научно-исследовательского института стали обнаружили и другие «сюрпризы» перспективного материала. В процессе исследования бронепанелей из высокомолекулярного полиэтилена специалисты «НИИ Стали» установили, что при скоростях 300-400 м/c обычная автоматная пуля пробивает стандартную бронепанель 3 класса ГОСТ. То есть, при обстреле с дистанции 10 м, когда скорость пули составляет 720-790 м/с, панель гарантированно не пробивается и соответствует ГОСТу. Но с дальности 300 м, когда скорость пули падает, панель пробивается.
Этот феномен объясняется значительным влиянием скорости проникания на сам механизм проникания и, как следствие, на конечный результат (см. фото 1,2).
В отличие от металлической брони полиэтилен абсолютно не чувствителен к углам взаимодействия. Это означает, что его стойкость практически одинакова при попадании осколка или пули как по нормали к преграде, так и под большими углами. Для стальной, титановой или алюминиевой брони стойкость защиты, как известно, увеличивается пропорционально увеличению угла взаимодействия.
Фото 2. Эта же панель, обстрелянная с 300 м, пробита. Видно, что на малых скоростях взаимодействия (398 м/с) деформации пули не происходит, и она легко прокалывает защитную структуру.
Помимо сложностей с получением стабильных баллистических характеристик, у полиэтилена изначально были проблемы с обеспечением требуемого уровня запреградной травмы. Это особенно актуально для шлемов. В отличие от бронежилетов, касание защитной структуры шлема до головы при попадании в него пули или осколка не допускается. Чтобы снизить уровень запреградной травмы, необходимо наращивать толщину защитной структуры. По оценкам специалистов «НИИ Стали», увеличение толщины защитной композиции шлема может составить 50% и более от требуемой для обеспечения баллистической стойкости. Это приведет к увеличению габаритов, массы шлема и его стоимости. В итоге шлем из высокомолекулярного полиэтилена становится в один ряд с арамидным шлемом как по защитным, так и по весовым и стоимостным параметрам.
Многие разработчики, в том числе и зарубежные, именно по этой причине отложили создание шлемов из полиэтилена на неопределенный срок, хотя исследования этого материала применительно к шлемам продолжаются.
В области защитных структур для бронежилетов и бронированной техники высокомолекулярный полиэтилен уже проторил себе твердую и надежную дорогу, но для применения этого материала в области защиты головы потребуется еще много исследований.
Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® по материалам сайта и-Маш.
2. Представлены результаты некоторых работ CompMechLab® НИУ СПбГПУ в области конечно-элементного моделирования высокоскоростных ударных процессов и динамического разрушения. Представлены многочисленные компьютерные анимации.
Cотрудники CompMechLab® НИУ СПбГПУ имеют более, чем 10-летний опыт конечно-элементного (КЭ) решения задач пробивания (проникания, соударения деформируемых тел, защиты от пробивания и т.д.), а также других смежных классов задач.
Для КЭ пространственных (3-D) динамических физически- и геометрически- нелинейных задач контактного взаимодействия термовязкопластических тел с динамическим разрушением для скоростей до 4 км/c применяются программные системы компьютерного моделирования и инжиниринга (CAE-системы) Altair Engineering RADIOSS, ANSYS Mechanical, ANSYS AUTODYN, DS SIMULIA/Abaqus, LS-DYNA, MSC.Dytran, MSC.Marc, NX Advanced Simulation и др.
Ниже представлены рисунки и анимации конечно-элементных решений динамических задач пробивания:
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
|
 |
|
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
| Пробивание бетонной преграды стальным снарядом. Сравнение с экспериментом |
||
На нашем сайте в разделе AVI Галерея результатов конечно-элементных исследований лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab) также представлены результаты решения динамических задач пробивания или смежных задач:
 |
Конечно-элементное исследование откольного разрушения (2007 г.)
Конечно-элементное исследование откольного разрушения при плоском ударном взаимодействии пластин. Материал образцов – титановые сплавы: ВТ-6, ВТ-22, стали: Ст-3 |
| Ключевые слова: | Откол, импульсное нагружение, ударные волны, механика контактного взаимодействия |
| Тип элементов/Тип задачи: | 2D и 3D элементы / Динамическое контактное взаимодействие |
| Внешние воздействия: | Начальная поступательная скорость ударника |
| Программное обеспечение: | LS-DYNA |
| Рейтинг: | 4.68 (Голосов: 19)   |
| Прочтений: 4043 | Просмотр только для пользователей FEA.RU. Вход/Регистрация... |
 |
Конечно-элементное исследование процесса проникания деформируемого цилиндрического ударника в деформируемую плиту конечных размеров (2007 г.)
Конечно-элементное исследование процесса высокоскоростного проникания. Исследование влияния пластических свойств материала на характер деформационного процесса. Исследование влияния разогрева. |
| Ключевые слова: | Удар, проникание, ударные волны, механика контактного взаимодействия, термо-упруго-пластичность, влияние разогрева на характер деформирования, материал Джонсона-Кука (Johnson-Cook) |
| Тип элементов/Тип задачи: | 2D (осесимметричная постановка) / Динамическое термо-упруго-пластическое контактное взаимодействие |
| Внешние воздействия: | Начальная поступательная скорость ударника |
| Программное обеспечение: | LS-DYNA |
| Рейтинг: | 4.61 (Голосов: 18) |
| Прочтений: 5235 | Просмотр только для пользователей FEA.RU. Вход/Регистрация... |
 |
Конечно-элементное моделирование удара шара для боулинга по многослойной композитной дорожке (drop-test) (2006 г.)
Цель работы - конечно-элементное моделирование ударного контактного взаимодействия шара и многослойной композитной дорожки с сотовой структурой, определение толщин слоев композитной структуры, валидация КЭ модели на основе результатов натурных экспериментов |
| Ключевые слова: | Динамическое контактное взаимодействие,drop-test, многослойный композит, сотовая структура |
| Тип элементов/Тип задачи: | Твердотельные элементы, динамика, контактное взаимодействие |
| Внешние воздействия: | Ударное контактное взаимодействие (drop-test) |
| Программное обеспечение: | ANSYS |
| Рейтинг: | 4 (Голосов: 39) |
| Прочтений: 7202 | Подробнее... |
 |
Конечно-элементное моделирование и исследование динамического разрушения. Разработка расчетной методики определения ударной вязкости стали методом двухопорного ударного изгиба (метод Шарпи) (2006 г.)
Цель исследования – разработка расчетной методики оценки ударной вязкости стали на основе упруго-пластических и прочностных характеристик и конечно-элементного моделирования процесса динамического разрушения образца |
| Ключевые слова: | Ударная вязкость, метод Шарпи, большие упруго-пластические деформации, динамическое разрушение, сравнительный анализ результатов конечно-элементного моделирования и результатов экспериментов |
| Тип элементов/Тип задачи: | Твердотельные элементы, динамическое контактное взаимодействие, динамическое разрушение |
| Внешние воздействия: | Удар маятникового копра, ударное контактное взаимодействие |
| Программное обеспечение: | LS-DYNA |
| Рейтинг: | 4.46 (Голосов: 35) |
| Прочтений: 6261 | Подробнее... |
 |
Конечно-элементное исследование удара цилиндра по жесткой преграде. Тест Дж. Тейлора. Рикошет (2006 г.)
Конечно-элементное исследование удара цилиндра по жесткой преграде. Исследование влияния кинематического упрочнения материала и разогрева, обусловленного деформированием цилиндра. |
| Ключевые слова: | Удар, рикошет, механика контактного взаимодействия, термо-упруго-пластичность, динамический предел текучести, эффект Б.М. Малышева, влияние разогрева на характер деформирования |
| Тип элементов/Тип задачи: | 2D и 3D элементы / Динамическое термо-упруго-пластическое контактное взаимодействие |
| Внешние воздействия: | Начальная поступательная скорость цилиндра |
| Программное обеспечение: | LS-DYNA |
| Рейтинг: | 4.32 (Голосов: 22) |
 |
Конечно-элементное моделирование процесса вырубки металла (2005 г.)
Абсолютно жесткий пуансон вырубает цилиндрический элемент из заготовки металла |
| Ключевые слова: | Технологическая механика, пластическая обработка металлов, технологическая операция - вырубка цилиндрической шайбы, динамическое контактное взаимодействие, большие упруго-пластические деформации, адаптивное перестроение сетки |
| Тип элементов/Тип задачи: | 2D элементы, осесимметричная постановка |
| Внешние воздействия: | Заданный закон движения пуансона |
| Программное обеспечение: | LS-DYNA |
| Рейтинг: | 4.42 (Голосов: 24) |
| Прочтений: 7756 | Подробнее... |
 |
Конечно-элементное моделирование обрыва стального троса специального назначения с последующими «раскруткой и распушением» (2005 г.) Моделирование проводилось при случайном распределении прочностных характеристик отдельных проволок стального троса. |
| Ключевые слова: | Стальной канат, стальной трос, множественное пространственное контактное взаимодействие с учётом трения, обжатие, 3-D модель, пространственное напряженное состояние, эквивалентные (эффективные) характеристики каната (троса) |
| Тип элементов/Тип задачи: | Твердотельные элементы |
| Внешние воздействия: | Равномерное растяжение |
| Программное обеспечение: | Pro/Engineer, LS-DYNA |
| Рейтинг: | 4.56 (Голосов: 39) |
| Прочтений: 7474 | Подробнее... |
 |
Соударение летящего шарика с тканой структурой (2003 г.)
Задача содержит ~1 млн степеней свободы. |
| Ключевые слова: | Динамическое контактное взаимодействие с учетом трения, удар, разрушение |
| Тип элементов/Тип задачи: | Пространственный оболочечный элемент, пространственный элемент |
| Внешние воздействия: | Начальная поступательная скорость шарика |
| Программное обеспечение: | LS-DYNA |
| Рейтинг: | 4.23 (Голосов: 48) |
| Прочтений: 9041 | Подробнее... |
 |
Пробивание снарядом толстой стальной пластины (2003 г.)
Подлет снаряда к пластине, пробивание, образование "пробки", застревание. Модель Cowper-Symonds для описания зависимости предела текучести от скорости деформации, деформационный критерий разрушения. |
| Ключевые слова: | Удар, динамическое упруго-пластическое контактное взаимодействие, удар, динамическое пластическое разрушение, пробивание, снаряды ("projectiles") с различной формой головной части (плоская, коническая, полусферическая) |
| Тип элементов/Тип задачи: | Динамическое упруго-пластическое контактное взаимодействие с разрушением - пробивание |
| Программное обеспечение: | LS-DYNA |
| Рейтинг: | 4.86 (Голосов: 22) |
| Прочтений: 4828 | Подробнее... |
Другие новости по этой теме на сайте FEA.ru:
17.09.2013 Российские ученые заявляют, что наши бронежилеты скоро могут стать таким же мировым брендом, как автомат Калашникова
02.09.2013 Эволюция основного оружия: зачем создавались необычные пули
20.08.2013 Новости мира композитов и композитных структур. Армия США предпочитает более прочные и легкие композитные материалы металлам
03.08.2013 Революция в проектировании и производстве оптимальных элементов конструкций на основе объединения технологий производства добавлением слоев (Additive Layer Manufacturing, ALM) и HyperWorks Optistruct топологической оптимизации
19.07.2013 NASA и компания Aerojet Rocketdyne провели испытания инжектора жидкостного ракетного двигателя, изготовленного с применением 3D-печати
17.07.2013 В США разработан способ 3D-печати жидким металлом при комнатной температуре
27.06.2013. Усталость композитных конструкций: новый инструмент для прогнозирования долговечности волокнистых композитов от компаний Safe Technology и Firehole Composites
22.05.2013 Новости мира композитов и композитных структур. Вязанные материалы из тройных скользящих узлов обеспечивают создание недорогого материала с рекордной ударной вязкостью
15.05.2013 Pratt & Whitney готовится к летным испытаниям двигателей PW1100G
07.05.2013 CompMechLab-Hi-Tech-AVIA-Review. Инновационные летательные аппараты: МС-21, Boeing X-48C, БПЛА UCLASS, F-35 JSF, перспективный конвертоплан третьего поколения. Представлены видеосюжеты
03.05.2013 Президент Объединенной авиастроительной корпорации Михаил Погосян рассказал, что мешает российскому авиастроению быть конкурентоспособным
05.04.2013 Компания Pratt & Whitney Rocketdyne на основе интенсивных огневых тестов двигателя J-2X подтвердила применимость SLM-технологии селективной лазерной плавки (3-D лазерной печати) для выполнения деталей ракетных двигателей
24.03.2013 Новости мира композитов. Автомобили с композитными элементами компании TeXtreme показали очень высокие результаты на Daytona 500
19.03.2013 Новости мира композитов. JEC Europe Composites назвал одиннадцать лучших в 2013 году компаний-инноваторов в композитной промышленности
13.03.2013 Канадский изобретатель распечатал на 3D-принтере автомобиль, лобовое сопротивление которого почти в два раза меньше, чем у современных спорткаров
20.01.2013 Российский истребитель пятого поколения ПАК ФА (Т-50) совершил первый длительный перелет, преодолев 7 000 км. Видео "Т-50 - технологии взлёта", особенности конструкции Т-50, тактико-технические характеристики Т-50 в сравнении с истребителем ВВС США F22 Raptor
11.01.2013 CompMechLab-HW-Review - HyperWorks OptiStruct. 1. Применение OptiStruct для оптимизации конструкций в аэрокосмической отрасли (Boeing; EADS / Airbus, Eurocopter)
13.06.2012 CompMechLab-Hi-Tech-Review - Вооружение России: бомбардировщик Су-34, истребители Су-27, Су-35 и МиГ-29, ПАК ФА Т-50
16.05.2012 Доставку армейских грузов обеспечит колонна "умных" грузовиков iTruck Lockheed Martin (управление без водителя, удаленно со смартфона)
12.12.2011 Пентагон модернизирует войска США: перечень новинок
24.06.2011 Bombardier Aerospace добавляет HyperWorks от Altair к своим стратегическим решениям для моделирования корпусов самолетов