Buchar, Adamik, Rolc: Vliv mezivrstvy na balistickou odolnost

Buchar, Adamik, Rolc: Vliv mezivrstvy na balistickou odolnost

VLIV MEZIVRSTVY NA BALISTICKOU ODOLNOST
KOVOVÝCH VRSTEVNATÝCH PANCÍŘŮ.
J.Buchar1, V.Adamík 2,S.Rolc3
1
Mendlova zemědělská a lesnická univerzita Brno
2
Technická univerzita Pardubice
3
Vojenský technický ústav ochrany Brno
Je sledován vliv materiálu a tloušťky mezivrstvy složeného ocelového pancíře na jeho
odolnost proti dopadu pěchotního projektilu. Je sledován vliv úhlu dopadu. Z výsledků
numerických simulací je vyhodnocována reziduální rychlost projektilu a jeho dráha. Výsledky
ukazují na možnosti numerické simulace pomocí LS DYNA 3D.
The influence of a middle layer in the composed steel armour on its ballistic performance
against to AP projectile is studied. The effect of the obliquity is also examined. As the main
results the residual projectile velocities together with its trajectory have been evaluated.
Results show the possibility of the LS DYNA 3D finite element code for the study of ballistic
problems.
1. Úvod
Při vývoji pancířů s vyšší balistickou odolností je výhodné kombinovat materiály
různých vlastností. Všeobecně se uznává, že optimální balistické ochrany je možné dosáhnout
použitím pancířů složených z čelní vrstvy keramiky a z týlní polymerní vrstvy. I když tento
postup vede k výraznému zvýšení sledované ochrany, existují značné problémy spojené
s touto technologií. Nezanedbatelným problémem je poměrně vysoká cena keramiky i
vysokopevných laminátů, nedostatečná odolnost proti vícenásobnému ostřelování a dále
problémy s upevňováním daných pancířů. To jsou důvody, proč existuje snaha o konstrukci
pancíře složeného výlučně z kovových vrstev. V tomto směru se ukazuje, že poměrně
značného zvýšení balistické odolnosti je možné dosáhnout použitím tzv. duálních pancířů,
kdy čelní vrstva je tvořena ocelí s vyšší tvrdostí než má týlní vrstva oceli. Numerická analýza
penetrace a perforace projektilu do daného duálního pancíře (Buchar a kol., 2002 a 2004)
ukazuje, že pro dosažení optimálních vlastností pancíře složeného z vrstev oceli je vhodné
umístit mezi obě ocelové vrstvy mezivrstvu relativně tvárného materiálu.
Při návrhu zmíněného složeného pancíře (čelní vrstva oceli o vysoké tvrdosti – mezivrstva
plastického materiálu – týlní vrstva oceli) je třeba řešit následující problémy:
a) typ materiálu a
b) tloušťku mezivrstvy.
S ohledem na značnou variabilitu různých materiálů mezivrstvy a tlouštěk uvažované
mezivrstvy, je vcelku nemožné vyjít z ryze experimentálního postupu. Je nutné použít metod
spolehlivé numerické simulace. Předložená práce se pak zabývá právě touto numerickou
simulací.
13.ANSYS User`s Meeting, 21. – 23. září 2005 Přerov
-1-
2. Formulace problému
V rámci dané prezentace, je uvedeno řešení účinku projektilu 7,62 x 39 mm API (ocelové
jádro) na složený pancíř znázorněný na obr. 1. Celková tloušťka sestavy zůstává konstantní
6.5 mm, tloušťka mezivrstvy se mění.
Obr. 1 Schéma řešeného problému.
Numerická simulace byla provedena pomocí programu LS DYNA 3D. Spolehlivá aplikace
tohoto programu je podmíněna znalostí materiálových vlastností materiálů terčů a projektilu.
Pro popis deformačních vlastností materiálů byla použita konstitutivní rovnice Johnson
Cook, která byla stanovena pomocí Taylorova testu. Tato rovnice spojuje deformační napětí,
plastickou deformaci, rychlost deformace a teplotu. Její tvar je:

ε 
σ = ( A + B ε n )1 + C ln (1 − T * )
εo 

T − Tr
T* =
Tr = 300K
ε o = 1s −1
Tm − Tr
(1)
Hodnoty parametrů této rovnice jsou, pro materiály mezivrstev, uvedeny v tab. 1. V této
tabulce jsou uvedeny i elastické vlastnosti, Youngův modul E a Poissonova konstanta ν. Při
hledání kritéria porušení jsme použili osvědčenou podmínku podle které k poškození dochází
tehdy, pokud maximální hlavní deformace přesáhne určitou kritickou hodnotu εf , která je též
uvedena v tabulce 1. Projektil se chová jako elastický materiál, kde E = 2.07 .105 MPa, ν =0.3
do meze kluzu. Mez kluzu je 1510 MPa. Po dosažení meze kluzu se materiál deformuje po
přímce o plastickém modulu 1.66 x 103 MPa. Hodnota εf je 1.2. Materiálová data pro ocel
TENAX H a ARMOX 500 jsou uvedeny v našich dřívějších pracích, které jsou citovány.
Tímto způsobem jsou definovány veškeré materiálové vlastnosti, které potřebujeme pro
úspěšnou numerickou simulaci.
13.ANSYS User`s Meeting, 21. – 23. září 2005 Přerov
-2-
E
(GPa)
205
ν
MONEL
ρ
(kg/m3)
8800
Alloy 400
INCONEL
8470
Alloy 600
INCONEL
1,05
Tm
(K)
1350
εf
(1)
0,5
0,62
1,0
1370
0,5
1798
0,0312 0,91
1,0
1290
0,67
380
1520
0,029
0,78
1,0
1280
0,55
205
670
0,005
0,65
1,0
1370
0,45
1350
0,55
C (1)
0,29
A
B
(MPa) (MPa)
540
260
198
0,29
240
8440
198
0,29
Alloy 625
INCO
8230
198
Alloy HX
INCOLOY
7940
205
MATERIÁL
m(1)
0,035
n
(1)
0,1
720
0,006
400
0,26
0,28
Alloy 800
HT
Hadfieldova 7880
210
0,28 1100
1010
0,033 0,12 1,00
ocel
Tab. 1 Parametry konstitutivní rovnice materiálů mezivrstev.
3. Výsledky numerické simulace
Pro numerickou simulaci jsme uvažovali jednak kolmý dopad projektilu a jednak šikmý
dopad pod úhly 15, 30 a 45°. Dopadovou rychlost projektilu volíme 700 m/s. Pro tuto rychlost
je z experimentů známo, že projektil je zachycen v pancíři s niklovou mezivložkou při
kolmém dopadu. Tloušťka mezivrstvy je postupně volena 0.3, 0.5 a 0.8 mm.
3.1. Kolmý dopad projektilu
Z výsledků numerické simulace je poměrně nejpotřebnější údaj o časové závislosti
rychlosti projektilu. Příklad takovéto závislosti pro složený pancíř s mezivrstvou z Ni o
tloušťce 0.3 mm je uveden na obr. 2. Z důvodů automatické volby souřadného systému je
dopadová rychlost projektilu záporná, tzn. – 700 m/s. Z obr. 2 je pak zřejmé, že rychlost mění
znaménko, což znamená, že dochází k odskoku projektilu proti směru jeho dopadu. Na dalším
obrázku je znázorněna výsledná penetrace tohoto projektilu do daného pancíře. Je zřejmé, že
projektil plně prorazí čelní vrstvu a plastickou mezivrstvu. Pro tloušťky mezivrstev 0.3, 0.5 a
0.8 mm jsou časové závislosti rychlostí projektilů vyneseny na obr. 4 až 6.
Je zřejmé, že s výjimkou vrstev ze slitin INCO ALLOY HY a INCONEL 600 o
tloušťkách 0.8 mm nedojde k úplné perforaci složeného pancíře
13.ANSYS User`s Meeting, 21. – 23. září 2005 Přerov
-3-
Nickel - 0.3 mm - kolmý dopad
RYCHLOST PROJEKTILU (m/s
1,00E+02
0,00E+00
0,00E+00
1,00E-02
2,00E-02
3,00E-02
4,00E-02
5,00E-02
6,00E-02
-1,00E+02
-2,00E+02
-3,00E+02
-4,00E+02
-5,00E+02
-6,00E+02
-7,00E+02
-8,00E+02
ČAS (ms)
Obr. 2 Časová závislost rychlosti projektilu.
Obr. 3 Výsledná penetrace projektilu.
13.ANSYS User`s Meeting, 21. – 23. září 2005 Přerov
-4-
7,00E-02
8,00E-02
Obr. 4 Závislost rychlosti projektilu na čase pro pancíře
s tloušťkou mezivrstvy 0.3 mm.
Obr. 5 Závislost rychlosti projektilu na čase pro pancíře
s tloušťkou mezivrstvy 0.5 mm.
13.ANSYS User`s Meeting, 21. – 23. září 2005 Přerov
-5-
Obr. 6 Závislost rychlosti projektilu na čase pro pancíře
s tloušťkou mezivrstvy 0.8 mm.
3.2. Šikmý dopad projektilu.
Při numerické simulaci se předpokládá, že složka dopadové rychlosti projektilu kolmá
k povrchu pancíře má hodnotu 700 m/s. Pro popis průrazu projektilu jsou významné časové
průběhy složek rychlostí projektilu a úhlu odklonu projektilu. Pro velikost rychlosti platí:
Vr = Vx2 + Vz2
(2)
Pro odklon dráhy projektilu od původního směru platí:
V 
γ = arctg x 
 Vy 
 
(3)
kde Vx a Vz jsou složky rychlosti projektilu ve směrech x a z. Uveďme si nyní příklad pro
mezivrstvu Ni o tloušťce 0.3 mm. Na obr. 7 je vynesena časová závislost úhlu odklonu
projektilu od původního směru na čase. Skokový průběh souvisí s odskokem projektilu od
terče.
4. Závěry
Z výsledků numerické simulace vyplývá:
1. Vliv druhu materiálu plastické mezivrstvy na balistickou odolnost sledovaného složeného
pancíře není příliš výrazný, s výjimkou mezivrstvy z Ni. U ostatních materiálů pozorujeme
vcelku shodnou balistickou odolnost. Tyto poznatky platí pro tloušťku mezivrstvy 0.3
mm. Pro větší tloušťku dochází, s výjimkou mezivrstvy Ni, k výraznému poklesu
balistické odolnosti a tyto pancíře již nevyhovují, dochází k jejich perforaci.
13.ANSYS User`s Meeting, 21. – 23. září 2005 Přerov
-6-
Obr. 7 Časová závislost úhlu odklonu projektilu od původní dráhy, kterou je přímka svírající
s normálou k povrchu pancíře 15°.
2. Typ materiálu plastické mezivrstvy má výraznější vliv na balistickou odolnost při šikmém
dopadu.
3. S ohledem na jistou podobnost vlivu typu materiálu mezivrstvy na balistickou odolnost
složeného pancíře je při jejich volbě nutné vycházet především z ekonomických nákladů a
zejména z posouzení technologie spojování vrstev.
Kvantitativní výsledky platí pro
sledovaný projektil. Pro jiné typy projektilů zřejmě dostaneme jiné hodnoty mezních
tlouštěk mezivrstev.
Literatura
J.Buchar, J.Voldřich, S.Rolc and J.Lisý. Ballistics performance of the dual hardness armour.
Proc. 20th International Symposium on Ballistics, Orlando, Fl, 23rd – 27th September 2002.
Vol.2, pp. 1071 – 1078. ISBN 1-932078-11-8.
J.Buchar, S.Rolc and G. Cozzani. Numerical simulations of ballistic efficiency of some add –
on armours. Proc. 21st International Symposium on Ballistics, Adelaide , Australia, 19th – 23rd
April 2004. N.Burman, J.Anderson and G.Kaisellis, Eds., Vol.1, pp. 190-195. ISBN No.09752028-0-4.
13.ANSYS User`s Meeting, 21. – 23. září 2005 Přerov
-7-