Блог

Ткань против пули. Математическое моделирование испытаний бронеткани согласно ГОСТ 34286-2017

Бронеодеждой или БО согласно ГОСТ 34286-2017 называют средства индивидуальной броневой защиты, выполненные в виде пальто, накидок, плащей, костюмов, курток, брюк, комбинезонов, жилетов и т.п., предназначенные для периодического ношения с целью защиты туловища и (или) конечностей человека (за исключением стоп ног и кистей рук) от воздействия холодного оружия и огнестрельного стрелкового оружия, а также поражения осколками (далее - средства поражения). БО применяется тогда, когда может потребоваться защита жизни и здоровья человека. Она классифицируется и для нее проводятся испытания согласно назначенным классам.

Так, например, для обеспечения защиты БО по классу Бр 1 по ГОСТ 34286-2017 БО должна обеспечивать стойкость (непробитие) к воздействию пули со стальным сердечником «ПСТ» (57-H-181C) выпущенной из автоматического пистолет Стечкина (инд. 56-А-126). Ударная скорость такой пули массой 5,9 г составляет 335 м/с.


[https://ru.wikipedia.org/wiki/9_×_18_мм_ПМ]

[https://ru.wikipedia.org/wiki/Автоматический_пистолет_Стечкина]

Для того чтобы БО обеспечивала требуемую пулестойкость, проводят стандартные испытания по ГОСТ Р 55623-2013. В ходе испытаний пакет из листов бронеткани размером 300х300 мм свободно расположенных друг относительно друга без зазора закрепляют на стенде. Стенд представляет собой цилиндрический манекен из сосновой древесины высотой 50 см и диаметром 30 см, покрытый листовым техническим грубошерстным войлоком толщиной 20 мм. Обстрел производится по нормали, а местом попадания служит центр пакета.

Подобные испытания могут проводиться как натурно, так и при помощи прямого математического моделирования. Именно о втором варианте сегодня мы и хотели бы рассказать. Проводить подобные расчеты мы можем благодаря использованию Ansys LS-DYNA – высокопроизводительного промышленного вычислительного кода общего назначения для решения нелинейных сильно связанных многодисциплинарных задач. 

Для того чтобы выполнить подобный расчет, необходимо создать математическую модель пули, модель пакета листов бронеткани и модель стенда. Так как постановка задачи обладает симметрией относительно горизонтальной и вертикальной плоскостей, то далее будет рассматриваться только четверть модели, что существенно сократит ресурсоемкость расчетов.

Математическая модель пули со структурированной гексаэдральной сеткой представлена ниже. Она состоит из трех основных частей, выполненных из разных материалов: грибовидный сердечник из стали 10 отображается синим цветом, оболочка из томпака – красным, а свинцовый наполнитель – зеленым. Подобная модель состоит всего из 1480 элементов, чего оказывается достаточна для адекватной передачи нагрузки на испытуемый пакет бронеткани. Стоит отметить, что при скоростях деформации, которые испытывают материалы пули, необходимо учитывать не только деформационное изотропное упрочнение, происходящее при пластическом деформировании металлов, но и вязко-пластические эффекты, которые обеспечивают повышение прочностных характеристик материала. Так, в данном расчете, за динамическое упрочнение материала сердечника отвечает модель Купера – Саймондса.

Так как мы испытываем пулестойкость пакета бронеткани, то для нас наибольший интерес представляет возможность адекватно моделировать свойства бронетканей. Для описания поведения подобных материалов используется специализированная модель *MAT_DRY_FABRIC. Эта модель материала может быть использована для моделирования высокопрочных тканых материалов, способных поглощать большую энергию удара, таких как арамид. Модель позволяет учитывать ортотропные свойства материала (разной прочности по направлению основы и утка). Основные области применения модели – это моделирование материалов, используемых в системе защиты двигательных установок от обрыва лопатки, бронежилетах и средствах индивидуальной защиты.

Модель *MAT_DRY_FABRIC позволяет учесть обжатие ткани при первичном деформировании, линейное упрочнение до пиковых значений деформаций и нелинейное разупрочнение до полного разрушения. Качественная диаграмма зависимости напряжений от деформаций представлена на рисунке ниже.

[Качественная диаграмма деформирования ткани при использовании модели материала *MAT_DRY_FABRIC]

Каждый слой ткани моделируется слоем мембранных оболочечных элементов – применение только таких элементов позволяет модели *MAT_DRY_FABRIC правильно описывать физику моделируемого процесса. Размер элемента составляет 0,5 мм, таким образом, на один слой ткани приходится примерно 130 тысяч элементов. Толщина одного слоя ткани принимается равной 0,45 мм. 

Взаимодействие между слоями бронеткани, манекеном и пулей обеспечивается контактными алгоритмами карты *CONTACT_EROING_SINGLE_SURFACE. Данный алгоритм не только обеспечивает автоматическое определение контактирующих поверхностей, но и обрабатывает возможность их разрушения. Таким образом, в модели может быть учтено присутствие практически любого число слоев бронеткани.

Модель тканевого пакета: a – геометрическая модель 20 слоев, б – КЭ сетка (укрупненный вид).

После того как модель пули и пакета листов бронеткани готова, немаловажным является правильный учет характеристик древесины манекена. К счастью, в Ansys LS-DYNA присутствует стандартная модель материала сосновой древесины *MAT_WOOD_PINE. Данная модель разработана специально по заказу Федерального управления автомобильных дорог США (Federal Highway Administration, FHWA) для моделирования поведения древесины под действием ударных нагрузок. Модель учитывает ортотропность материала, вызванную естественной волокнистостью древесины, а также нелинейно поведение вплоть до разрушения. 

КЭ модель манекена представляет собой четверть цилиндра со сгущением сетки непосредственно под местом удара пули. Размер элемента в области сгущения составляет 2 мм, в остальной модели 10 мм. Таким образом, КЭ сетка манекена состоит из 43 тысяч элементов. 

Полная модель для математического моделирования испытаний пулестойкости пакета листов бронеткани показана на рисунке ниже.

По итогам подобного математического моделирования мы можем определить необходимое количество слоев ткани. Так, для испытываемого в данном примере, материала оказалось, что начиная с 11 слоев материала обеспечивается непробитие, что хорошо согласуется с натурными экспериментами. Проследить процесс пробивания ткани можно на рисунках ниже: на них приводится состояние модели в ключевые моменты времени.

а

б

в

Деформации модели с 10 слоями ткани в различные моменты времени: 

а – 0,075 мс; б – 0,15 мс; в – 0,3 мс

а

б

в

Деформации модели с 11 слоями ткани в различные моменты времени: 

а – 0,075 мс; б – 0,15 мс; в – 0,3 мс

По итогам выполненной работы становится ясно, что смоделировать натурные испытания согласно ГОСТ для опытных специалистов по прикладному математическому моделированию физических процессов не составляет большого труда. Время моделирования одного такого испытания на современном шестиядерном персональном компьютере не первышает трех-четырех часов. 

Важно отметить, что полученная модель способна предоставить намного больше информации чем стандартные натурные испытания. Так, модель может с легкостью показать результаты множественных попаданий различных средств поражения, движущихся не только по нормали и взаимодействующих с пакетом листов бронеткани как последовательно, так и одновременно. Математическое моделирование позволяет инженерам получать достоверные данные о состоянии материала в любой точке в любой момент времени, что позволят лучше понимать физику происходящего процесса и оптимизировать работу изделия за счет внедрения слоев бронеткани различной ориентации направлений основы и утка. 

Более того, размещение полученной модели пакета листов бронеткани не на деревянном манекене, а на точной модели тела человека, разработанной специалистами по пассивной безопасности автотранспорта и бесплатно доступнымой пользователям Ansys LS-DYNA, может показывать реальную картину возможных повреждений внутренних органов человека после попадания в его бронеодежду различных средств поражения.

 

Связанные новости
АО «ЦИФРА» приняла участие в треке «Математическое моделирование» в рамках образовательного форума "Phygital universe", который проходил в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого. 27 апреля руководитель инженерной группы АО «ЦИФРА» Юрий Лавров, а также инженеры Рубцов Иван и Васильева Дарья выступили в Высшей школе теоретической механики с презентацией проектов из инженерной практики. 29 апреля Юрий и Дарья оценивали навыки математического моделирования и инженерного мышления участников форума при решении практического кейса от АО «ЦИФРА». По результатам защиты кейсов выбрано 5 победителей, которые получат дополнительные 10 баллов при поступлении в магистратуру в СПбПУ.
В марте 2022 года эксперт по судостроению АО «ЦИФРА» Алексей Петров принял участие в натурных испытаниях буксировки судна во льдах по Северному морскому пути. Буксировка выполнялась универсальным атомным ледоколом «Сибирь» проекта 22220, введенным в эксплуатацию в декабре 2021 года.
Связанные публикации в блоге
Основной эксплуатационной характеристикой судна, определяющей возможности работы судна в ледовых условиях, является его ледовый класс. В прошлом каждое классификационное общество имело свою уникальную систему классификации судов ледового плавания, и, как следствие – свои нормативные требования к таким судам, однако в начале 2000-х годов Международной ассоциацией классификационных обществ (МАКО) была проведена работа по унификации этих требований, результатом которой стало введение двух систем классификации судов ледового плавания: системы балтийских ледовых классов (для плавания в Балтийском море и схожих по ледовым условиям морях) и системы полярных классов (для плавания в полярных водах), при этом требования каждого классификационного общества-члена МАКО остались в силе. Со вступлением в силу в 2017 году Международного кодекса для судов, эксплуатирующихся в полярных водах (Полярного кодекса) особенно актуальным стал вопрос присвоения судну полярного класса. Несмотря на то, что МАКО была определена приблизительная эквивалентность ледовых классов различных систем классификации (см. рис. 1), на практике для получения полярного класса необходимо подтверждение соответствия судна требованиям IACS UR I – requirements concerning Polar Class. Эти требования разделяются на корпус и механические установки. Рассмотрим пример выполнения анализа соответствия механических установок судна полярному классу.
Идеальная оптическая система существенно отличается от реальной, так как в реальности на оптическую систему воздействуют тепловые и механические нагрузки, оптические элементы взаимодействуют с конструктивным окружением, вследствие чего приходится сталкиваться с множеством проблем и факторов, которые требуется учитывать и корректировать, чтобы результат проектирования оптического элемента оказался качественным. Учесть большое количество факторов, избежать нежелательных поломок и сэкономить ресурсы за счёт уменьшения натурных испытаний возможно с применением инструментов предсказательного моделирования.
Связанные вебинары
В рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между АО «ЦНИИМФ» и АО «ЦИФРА» на данном вебинаре заведующий отделом конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ» Алексей Петров расскажет об имеющемся опыте и перспективах использования компьютерного моделирования для решения различных задач, связанных с ремонтом или модернизацией судов в эксплуатации.
АО "ЦИФРА" объявляет о проведении серии лекций-вебинаров от ведущих приглашенных экспертов в области численного моделирования. В ходе первого вебинара данной серии будут рассмотрены вопросы прочностного анализа «легких» (lightweight) композитных конструкций при динамическом нагружении с использованием явных решателей (сеточного и бессеточного) ПО LS-DYNA.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.