УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ДНИЩА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ОТ ВЗРЫВА

Устройство относится к средствам обороны, а именно, к броневым конструкциям, состоящим из нескольких слоев, и может быть использовано для обеспечения защиты различных объектов, например, наземных транспортных средств от действия взрывной волны, которая образуется при возможном контакте объекта с взрывным устройством.
6
Из уровня техники известен бронеэлемент (пат. №2080544 Российской Федерации, МПК F41H 1/02, F41H 5/04, опубл. 27.05.1997), состоящий из керамической плитки, установленной на слоистой подложке из высокомодульной органической ткани, пропитанной клеем, и заключенный в слоистую оболочку из высокомодульной органической ткани, пропитанной клеем, при этом подложка из высокомодульной органической ткани выполнена охватывающей керамическую плитку по боковой поверхности, а на керамической плитке с подложкой установлен по всей поверхности слой из пластичного полимера. При этом бронеэлемент отличает то, что механическая прочность его подложки превышает механическую прочность слоистой оболочки, между керамической плиткой и слоистой подложкой из высокомодульной органической ткани установлен амортизирующий слой, выполненный из металлорезины, а слой пластичного полимера выполнен из полиэтилена.
Недостатком указанного устройства является его низкая технологичность, что выражено в сложности изготовления бронеэлемента, а также его низкой ремонтопригодности в полевых условиях.
Наиболее близким к заявленному устройству является защитная конструкция (пат. РФ 133915, МПК F41H 5/04, опубл. 27.10.2013), содержащая внешний защитный слой, выполненный из твердого упругопластичного материала, промежуточный энергопоглощающий слой из пеноалюминия и опорный слой, выполненный из прочного упругого материала, при этом опорный слой является конструктивным элементом днища защищаемого объекта.
Недостаток указанного устройства состоит в том, что энергопоглощающий слой, выполненный из пеноалюминия, значительно увеличивает стоимость устройства и снижает возможности по его ремонту в полевых условиях.
Задачей заявленной полезной модели является повышение технологичности производства устройства и увеличение его ударно-волновой поглотительной способности.
Указанная задача решается за счет того, что устройство для защиты днища транспортного средства от взрыва содержит внешний защитный слой, выполненный из твердого упругопластичного материала, промежуточный энергопоглощающий слой и опорный слой, при этом внешний защитный слой выполнен U-образным. Внешний защитный слой выполнен из алюминия и имеет толщину 3 мм, промежуточный энергопоглощающий слой состоит из песчаного грунта и имеет толщину 100 мм, опорный слой выполнен из стального листа и имеет толщину 2 мм.
Положительный технический результат, обеспечиваемый указанной совокупностью признаков, заключается в повышении технологичности конструкции устройства, снижении его стоимости и повышении ремонтопригодности в полевых условиях.
Полезная модель поясняется чертежом, где представлено заявленное устройство в разрезе.
Устройство для защиты днища транспортного средства от взрыва содержит внешний защитный слой 1, выполненный из твердого упругопластичного материала, промежуточный энергопоглощающий слой 2 и опорный слой 3, при этом внешний защитный слой выполнен 11-образным. Внешний защитный слой выполнен из алюминия и имеет толщину 3 мм, промежуточный энергопоглощающий слой состоит из песчаного грунта и имеет толщину 100 мм, опорный слой выполнен из стального листа и имеет толщину 2 мм. Опорный слой является конструктивным элементом днища защищаемого объекта, где может располагаться экипаж или оборудование, а промежуточный энергопоглощающий слой обеспечивает защиту экипажа, путем гашения энергии полученной внешним защитным слоем от взрывного нагружения.
Устройство работает следующим образом. За счет особой формы внешнего защитного слоя при воздействии на него нагрузки от взрыва происходит частичный отвод взрывной волны в стороны и уменьшение воздействия на остальные конструктивные элементы опорного слоя - днища транспортного средства. Внешний защитный слой под воздействием взрывной волны начинает перемещаться в сторону энергопоглощающего слоя, сжимая и уплотняя его. Имея достаточно высокую плотность, песчаный грунт по сравнению, например, с наполнителем из алюминиевой пены (пеноалюминия), обладает более высокой силой упругости, что в свою очередь обеспечивает устойчивость всего устройства к деформации. Благодаря своим механическим свойствам, песчаный грунт рассеивает энергию, получаемую от внешнего защитного слоя, путем равномерного распределения энергии по всему промежуточному энергопоглощающему слою, при этом происходит частичное обратное отражение энергии взрывной волны. В ходе давления внешнего защитного слоя в наполнителе происходит разрушение частиц песчаного грунта до микроскопичного состояния (пыли), спрессовывание их в однородную массу с заполнением пустот имевшихся в первоначальном ненагруженном состоянии. Если же влияние взрывного нагружения велико для остановки его промежуточным энергопоглощающим слоем, остаточная энергия взрывной волны гасится опорным, наиболее прочным слоем устройства, обеспечивающим кроме того жесткость всей конструкции.
1
2
Так как испытания заявленной полезной модели в реальных условиях сопряжены со значительными трудностями, связанными с обеспечением безопасности и высокой себестоимостью экспериментов, эффективность работы устройства оценивалась на основе численного моделирования подрыва самодельного взрывного устройства с массой заряда равной 1 кг в тротиловом эквиваленте, расположенного в непосредственной близости от внешнего защитного слоя устройства, с помощью программного комплекса ANSYS. Было проведено два вычислительных эксперимента, в первом из которых, в качестве материала промежуточного энергопоглощающего слоя, использовалась алюминиевая пена, а во втором - песчаный грунт. В качестве материалов внешнего защитного и опорного слоев использовались, соответственно, алюминий и сталь. Параметры математических конечно-элементных моделей указанных материалов приведены в таблицах 1, 2 и 3. В качестве математической модели выбрана модель прямоугольной трехслойной пластины. При этом геометрические параметры пластины составляют длина L=2,5 м, ширина B=1,5 м, толщина опорного слоя t=2 мм, толщина внешнего защитного слоя t=3 мм, максимальная толщина среднего энергопоглощающего слоя H=100 мм. В качестве геометрических граничных условий использовано шарнирное опирание по контуру пластины, т.е. в узлах ее контура выполняется условие отсутствия всех линейных перемещений UX=UY=UZ=0. Заряд взрывчатого вещества расположен внизу под центром пластины на расстоянии 0,5 м от ее нижней грани.
Сравнительные результаты численного моделирования для каждого из слоев устройства представлены в таблице 4. При сравнении значений основных модельных параметров можно сделать вывод о том, что устройство с внешним U-образным защитным слоем и промежуточным энергопоглощающим слоем, состоящим из песчаного грунта, позволяет получить лучшие защитные параметры, чем аналогичное устройство с промежуточным энергопоглощающим слоем, состоящим из алюминиевой пены.
Таблица 1
- Параметры конечно-элементных моделей внешнего защитного слоя и опорного слоя для численных экспериментов 1 и 2
Внешний защитный слой
Модель металлов: MAT_PLASTIC_KINEMATIC
Параметр
Значение
Массовая плотность
2700 кг/м<sup>3</sup>
Модуль Юнга
69·10<sup>9</sup> Па
Коэффициент Пуассона
0,3
Предел текучести
255 Мпа
Модуль упрочнения
566 Мпа
Опорный слой
Модель металлов: MAT_PLASTIC_KINEMATIC
Параметр
Значение
Массовая плотность
7800 кг/м<sup>3</sup>
Модуль Юнга
210 ГПа
Коэффициент Пуассона
0,27
Предел текучести
1320 Мпа
Модуль упрочнения
1810 Мпа
Таблица 2
- Параметры конечно-элементной модели промежуточного энергопоглощающего слоя для численного эксперимента 1
Промежуточный энергопоглощающий слой
Модель сотовых и пенных материалов с реальным анизотропным поведением: MAT_HONEYCOMB
Параметр
Значение
Модуль Юнга
70 ГПа
Коэффициент Пуассона
0,2
Предел текучести
80 Мпа
Относительный объем, при котором алюминиевая пена становится полностью компактированным материалом
0,23
Таблица 3
- Параметры конечно-элементной модели промежуточного энергопоглощающего слоя для численного эксперимента 2
Промежуточный энергопоглощающий слой
Модель грунта: MAT_FHWA_SOIL Model 147
Параметр
Значение
Массовая плотность
2350 кг/м<sup>3</sup>
Относительный вес частиц грунта
2.79
Объемный модуль скелета грунта, используемый при учете эффекта порового давления
465·10<sup>+6</sup>
Модуль сдвига
186·10<sup>+6</sup>
Угол внутреннего трения при пиковой прочности грунта
1,1
Коэффициент для модифицированной поверхности Друкера-Прагера
1-10<sup>+2</sup>
Сцепление
6.2·10<sup>+3</sup>
Параметр эксцентричности поверхности текучести в девиаторной плоскости
0,7
Влажность
0,034
Параметр, контролирующий поровое давление перед завершением сжатия грунта за счет объема пор, занятых воздухом
0
Минимальное значение угла внутреннего трения при остаточной прочности
0
Объемная деформация в начале порога повреждения
2,5·10<sup>-3</sup>
Энергия формирования пор
5
Таблица 4
- Сравнительные результаты численного моделирования
Показатель
Алюминиевая пена
Песчаный грунт
Перемещение опорного слоя, мм
8
5
Перемещение внешнего защитного слоя, мм
48
8,2
Ускорение внешнего защитного слоя, м/с<sup>2</sup>
2400000
1400000
Скорость опорного слоя, м/с
250
79
Внутренняя энергия промежуточного энергопоглощающего слоя, Дж
2700
7500