![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Проект посвящен решению важной фундаментальной и прикладной задачи - математическому моделированию процессов пробивания легких многослойных защитных преград на основе тканых композитов из арамидных волокон с металлической основой. Такого рода защитные оболочки широко применяются при разработке современных средств индивидуальной защиты, а также в корпусных деталях ответственных элементов авиационной и космической техники. Особенностью математического моделирования процессов пробивания таких преград является принципиальная невозможность во многих случаях использования полномасштабного (детализированного с точностью до отдельных волокон) представления полноразмерных преград вследствие высокой вычислительной ресурсоемкости. Поэтому, наряду с разработкой полномасштабных моделей, актуальной и практически важной задачей является построение адекватных редуцированных моделей пробивания. В работе предполагается на основе комплексного экспериментально-вычислительного подхода построить адекватные экспериментально обоснованные многоуровневые (полномасштабные и редуцированные) математические модели пробивания многослойных тканых композитов и металло-тканых конструкций. Будут построены и экспериментально обоснованы разноуровневые определяющие соотношения и критерии разрушения для материалов преграды. Для идентификации параметров этих соотношений будет использована система статических и динамических натурных и виртуальных верификационных экспериментов, включающая испытания по методу Кольского с разрезным стержнем Гопкинсона в широком диапазоне скоростей деформаций и температур, а также баллистические ударные тесты. В рамках проекта будет исследовано влияние на эффективность преграды применение связующего (без пропитки, эпоксидная или нанокомпозитная пропитка), а также уточнен механизм абсорбции энергии в композитной преграде при пробивании и идентифицированы параметры закона трения в контактных парах: связующее - ткань, связующее - ударник, ударник - ткань).
Разработаны разномасштабные математические модели процессов пробивания многослойных защитных оболочек на основе арамидных волокон с металлическим несущим слоем. Полномасштабная модель (с детализированной с точностью до волокна геометрией) и редуцированная (значительно менее ресурсоемкая и вычислительно эффективная) были верифицированы по результатам сравнения результатов натурных и виртуальных баллистических тестов. Исследовано влияние на защитные свойства тканой преграды типа плетения в слое, формы ударника, наличие упрочняющих факторов: поперечной прошивки, характерных видов трехмерной прошивки, несущего металлического слоя, а также некоторых перспективных типов вязкого связующего. Полученные результаты будут в дальнейшем использованы при разработки оптимизированных легких преград, обеспечивающих надежную защиту от различных типов ударников. Получены новые результаты в рамках оценки основных диссипативных факторов тканой преграды в процессе ее пробивания. Разработана новая экспериментальная методика исследования межволоконного трения в условиях трансверсального сжатия, изготовлена оснастка и проведены натурные испытания. По результатам проведенных экспериментов были уточнены параметры закона межволоконного трения в процессе пробивания тканых преград на основе арамидных волокон. В рамках проекта продолжена работа по созданию новых и более эффективных редуцированных математических моделей пробивания тканых преград для использования в инженерных расчетах.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. | Экспериментально-вычислительное исследование процессов пробивания легких многослойных защитных преград из тканых композитов и металлов |
Результаты этапа: | ||
2 | 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Экспериментально-вычислительное исследование процессов пробивания легких многослойных защитных преград из тканых композитов и металлов |
Результаты этапа: На втором этапе проекта были продолжены работы по построению экспериментально обоснованных полномасштабных и редуцированных математических моделей пробивания легких многослойных преград из композиционных материалов на основе арамидных волокон. Построена эффективная расчетная математическая модель пробивания металлотканой преграды на основе многослойного тканого композита, состоящего из ортогонально уложенных плоских слоев полотняного плетения и тонкого несущего металлического слоя. Получено хорошее количественное и качественное согласование результатов компьютерного моделирования и натурных ударных тестов. Выполнено экспериментально-вычислительное исследование влияния типа и периодов плетения на диссипативные свойства преграды. Проведены серии натурных и виртуальных испытаний по пробиванию многослойных тканевых преград из арамидных волокон с различными типами плетения (полотно, саржа, сатин, рогожка) с числом слоев от 1 до 10 стальными инденторами сферической и оживальной формы. Исследован характер диссипации кинетической энергии ударника с учетом локальных разрушений волокон, межволоконного трения и контактного взаимодействия. По результатам исследования сделан вывод, что превалирующими факторами, влияющими на величину диссипации в условиях проведенных экспериментов, являются межволоконное трение и изменение кинетической энергии отдельных волокон. Проведено исследование влияния на защитные свойства преграды использования поперечной прошивки (вариант 3D плетения). Изготовлены образцы на основе десятислойного полотняного пакета с тремя характерными схемами поперечной прошивки. Построена полномасштабная математическая модель пробивания, соответствующая одному их вариантов 3D прошивки. Проведены натурные баллистические тесты и компьютерное моделирование. Установлено, что использование поперечной прошивки увеличивает изгибную жесткость преграды, но не способствует существенному улучшению ее диссипативных свойств. С целью уточнения математической модели пробивания металлотканой преграды проведено экспериментально-вычислительное исследование динамических свойств и критерия разрушения материала несущего слоя (титанового сплава ВТ3-1) в условиях высокоскоростного деформирования и повышенных температур. Разработана и апробирована модификация метода Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона для построения динамических кривых нагружения и определения предельных характеристик металлов при повышенных температурах с использованием удаленной от оси стержней нагревательной печи. | ||
3 | 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Экспериментально-вычислительное исследование процессов пробивания легких многослойных защитных преград из тканых композитов и металлов |
Результаты этапа: Проект посвящен исследованию процессов пробивания легких многослойных защитных преград на основе тканого композита из арамидных волокон. Подобные защитные оболочки широко используются в средствах индивидуальной защиты (бронежилеты и пр.), а также для дополнительной защиты корпусных элементов элементов авиационной и космической техники. Работа проводилось по следующим главным направлениям: - построение разномасштабных экспериментально обоснованных и вычислительно эффективных математических моделей процессов пробивания многослойной тканой преграды и идентификация их параметров с использованием разработанной экспериментально-вычислительной верификационной процедуры; - исследование основных диссипативных факторов, определяющих эффективность преграды, в зависимости от типа плетения в слое и формы ударника; - проведение сравнительного анализа эффективности использования в защитных преградах вариантов 3D плетения, некоторых перспективных типов связующего, а также наличия тонкого несущего металлического слоя. В рамках проекта были построены экспериментально обоснованные разномасштабные математические модели пробивания тканой преграды с тонким металлическим несущим слоем: полномасштабная трехмерная модель (детализированная с точностью до отдельного волокна геометрией) и вычислительно эффективная (существенно менее ресурсоемкая) редуцированная модель с использованием оболочечных элементов. Для верификации моделей и идентификации их параметров была разработана система натурных и виртуальных экспериментов, включающих: статические и динамические испытания для определения упругих и предельных параметров волокон утка и основы; эксперименты по идентификации параметров межволоконного трения и трения между ударником и волокнами; статические испытания по растяжению вплоть до разрушения многослойных тканых пакетов в направлении утка и основы; динамические испытания на трансверсальное сжатие (по методу Кольского); баллистические ударные тесты на пробивание многослойных преград с металлическим несущим слоем. С использованием полномасштабной модели исследованы основные диссипативные факторы, определяющие эффективность преграды, в зависимости от типа плетения и формы ударника. Были рассмотрены 15 характерных вариантов плетения в слое (полотно, сатин, различные виды саржи, рогожка и др.) и три типа ударника (сфера, оживальный и плоский, имитирующий лезвие ножа). В экспериментах с 10-слойными преградами установлено, что ведущим диссипативным фактором является изменение кинетической энергии отдельных волокон. Традиционно считающиеся основными диссипативные факторы, такие как: работа по разрушению волокон и потери на трение, - во всех случаях имели второстепенный характер. Полученные результаты объясняют ухудшение защитных свойств тканой преграды при использовании невязких связующих (на основе эпоксидных смол), а также способов повышения ее жесткости (поперечная прошивка и пр.), поскольку это приводит к ограничению подвижности волокон. Проведены численные эксперименты по сравнительному анализу эффективности тканых преград при использовании некоторых характерных типов 3D плетений. При этом достоверно не было выявлено каких-либо преимуществ применения подобных технологий при проектировании преград. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".