Устройство теплового контроля качества композитных броневых преград
DEVICE FOR THERMAL QUALITY CONTROL OF COMPOSITE ARMOURED PROTECTION

Область техники
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля качества композитных броневых преград на основе результатов теплового контроля при попадании поражающего элемента в броневую преграду за счет поглощения энергии броневой преградой.
Изобретение может быть использовано для контроля качества броневых преград как в процессе производства, так и в реальных условиях эксплуатации.
Особенно эффективно применение изобретения при испытании ответственных броневых преград, например при защите личного состава. Такие броневые преграды, как правило, имеют сложную конструкцию и большую стоимость. К таким конструкциям, с одной стороны, предъявляются высокие требования по надежности защиты, а с другой стороны, они являются достаточно дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы достаточно большое количество конструкций можно было испытать методами разрушающего контроля, т.е. разрушить за поражающими элементами.
При этом требуется определить потенциально опасные места (узлы конструкции), которые в первую очередь могут снизить качество броневой преграды, что может привести к поражению личного состава.
Уровень техники
Появление новых типов эффективных бронебойных боеприпасов стрелкового оружия выдвинуло перед разработчиками легкобронированной и небронированной техники актуальную задачу - повышение ее защищенности, а также защищенности людей, находящихся в ней (Анискович В.А. Научно- технологические аспекты создания комбинированной полимеркерамической брони. - М.: Издательский дом «Спектр», 2015 г., 76 с. ISBN 978-5-4442-0096-4). Броневая защита как в военной, так и в невоенной области развивается в направлении получения и использования материалов с высокими защитными свойствами и более низкой, чем у традиционно используемой металлической брони, плотностью. Все более широкое применение находят композитные и керамические материалы как сами по себе, так и в сочетании с металлической броней.
Несмотря на значительные достижения в этой области, в настоящее время отсутствует комплексный научно-технологический подход к созданию полимеркерамической брони с требуемыми свойствами, в том числе методы математического моделирования и расчета комбинированной брони, новые эффективные бронематериалы, не решена проблема изготовления и ремонта полимеркерамической брони без снижения ее защитных свойств.
Анализ современных тенденций в области развития брони для защиты крупногабаритных объектов военной техники и личного состава Вооруженных Сил показал устойчивое развитие керамических материалов, которые идут на замену стали. Это обусловлено комплексом уникальных свойств броневых керамик: низкой плотностью (в 2-3 раза ниже, чем у стали), высокой твердостью (в 2-3,5 раза выше, чем у стали), высоким модулем упругости.
1с
Также немаловажен фактор трещиностойкости (характеризуется показателем интенсивности напряжений К) керамического материала, чтобы свести к минимуму разрушение керамики при ударе и, как следствие, повысить ее живучесть, то есть стойкость к множественным попаданиям в единицу площади брони, защищающей соответствующий объект.
Однако у большинства материалов эти свойства имеют обратную связь, то есть чем выше твердость керамики, тем ниже, как правило, ее трещиностойкость.
Создание эффективной керамической брони начинается с рассмотрения механизмов разрушения керамической плитки под нагрузкой и создания конструкции, которая снижала бы напряжения, приводящие к быстрому разрушению керамики. Имеются две основные проблемные области: область сжимающих нагрузок, возникших в керамике под воздействием снаряда на внешней поверхности, и область наибольших растягивающих напряжений на задней поверхности плитки в зоне ее наибольшего изгиба. Оба этих фактора существенно зависят от толщины плитки и типа материала каркаса, в который с тыльной стороны и с боковых поверхностей заключена плитка. Установлено, что перспективным направлением в развитии броневых керамик является создание многослойных конструкций, содержащих внешний материал из монолитной керамики или металлокерамического композита, закрепленный на эластичной подложке. При этом в качестве эластичной подложки для средств индивидуальной защиты целесообразно использовать полимерные композитные материалы, армированные прочными волокнами.
В настоящее время параллельно с работами по улучшению характеристик брони из стали, алюминиевых и титановых сплавов ведутся исследования по созданию легкой многослойной защиты на основе армированных полимерных материалов и их композиций. Такая броня предназначена для использования в тех случаях, когда вес стальной или другой металлической брони не удовлетворяет требованиям технического задания на разработку боевых средств.
50%нпрб
Используются различные критерии эффективности защитных свойств материала: глубина проникания при остановке пули; продолжительность остановки пули; давление, оказываемое на снаряд при проникании; переходная скорость (скорость выше которой происходит проникание и ниже которой пуля отклоняется на поверхности керамики); критическая скорость снаряда, при которой вероятность его остановки данной броней более 50% или предел V, то есть критическая скорость удара, при которой броня пробивается с вероятностью 50%.
В этой связи большое значение приобретают методы контроля и диагностики таких конструкций. Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценить надежность их эксплуатации и дать рекомендации по ее совершенствованию или восстановлению.
В настоящее время оценка результативности конструирования брони осуществляется главным образом с помощью стендовых испытаний, проводимых для широкого ряда материалов, которые состоят в экспериментальном определении максимальной скорости снаряда, при которой не происходит его проникновения сквозь мишень. Однако какие свойства материала являются определяющими, до сих пор однозначно не установлено. Стендовые испытания не дали достаточной информации относительно конструкции брони, поскольку при оказании противодействия проникновению одновременно работает несколько механизмов. При обычных стендовых испытаниях нельзя разделить вклад отдельных эффектов.
50%нпрб
В настоящее время наиболее популярным способом определения качества защитных свойств керамической брони является определение глубины проникания снаряда (ГПС) и баллистический предел V (Маринин В.М., Хромушкин В.А. Определение характеристик энергоемкости защитных конструкций на основе текстильной брони при баллистическом ударе // Международная конференция «Харитоновские тематические научные чтения». Саров, 2005. Сборник тезисов докладов, с. 239-241).
50%нпрб
Недостатками методов испытаний на глубину проникания и определения предела V является то, что они не дают точного сравнения защитных свойств керамических материалов. В реальной броне не может быть бесконечно толстой подложки (как того требует методология данных тестов).
Наиболее близким к способу и системе по изобретению являются способ и система, раскрытые в публикации Харченко Е.Ф., Ермоленко А.Ф. Изменение энергопоглощения текстильных бронематериалов в зависимости от скорости поражающих элементов // Вопросы оборонной техники. Сер. 15. Композитные неметаллические материалы в машиностроении. - 2010. - вып. 1 (156) - 2 (157).
Известное техническое решение позволяет осуществить тепловой контроль надежности конструкций. Известный способ контроля качества броневых преград на основе анализа их энергии поглощения поражающего элемента, включает:
- установку броневой преграды перед пластиной из пластилина,
- направление с заданной скоростью поражающего элемента на броневую преграду,
- измерение глубины проникновения поражающего элемента в пластилине,
- определение энергии поглощения по формуле:
где m - масса поражающего элемента,
v - скорость поражающего элемента перед композитной броневой преградой,
A(Δw) - работа сил сопротивления пластилина при внедрении в него поражающего элемента.
Система для стендовых испытаний броневых преград на основе анализа их энергии поглощения поражающего элемента включает:
- устройство, обеспечивающее стрельбу поражающим элементом (снарядом) с заданной скоростью («устройство для стрельбы»),
- устройство для измерения скорости поражающего элемента на выходе устройства для стрельбы,
- подложку, как правило, из пластилина,
при этом устройство измерения скорости расположено между подложкой и устройством для стрельбы на траектории полета поражающего элемента.
Недостатки известных способа и системы следующие:
1. Тарировочные кривые для определения сил сопротивления пластилина при внедрении в него поражающего элемента могут иметь достаточно большую погрешность, что соответственно увеличивает погрешность определения энергии поглощения в композитной броневой преграде.
2. Способ не позволяет оценить энергию поглощения по толщине композитной броневой преграды, что не позволяет оптимизировать расположение и характеристики композитных слоев.
3. Способ не позволяет оценить качество самих композитных слоев и их вклад в поглощение энергии.
50%нпрб
4. Недостатками методов испытаний на глубину проникания и определения предела V является то, что они не дают точного сравнения защитных свойств керамических материалов. В реальной броне не может быть бесконечно толстой подложки (как того требует методология данных тестов).
5. Для реализации способа и реализующей его системы необходима пластилиновая толстая подложка, которая отсутствует в реальных условиях эксплуатации композитной брони. Это снижает достоверность получаемых результатов, т.к. пластилиновая подложка вносит искажения в процесс контроля.
Поэтому данное техническое решение применимо только для контроля ограниченной номенклатуры изделий.
На сегодняшний день имеется актуальная потребность в создании способа и устройства диагностики технического состояния реальных броневых конструкций, которые могут применяться на практике для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования.
Решение задач определения и локализации областей концентрации внутренних напряжений и вызванных ими дефектов типа нарушений сплошности (например, трещин) стало возможным в связи с развитием средств диагностики, основанных на регистрации и анализе температурных полей поверхности контролируемой конструкции. Наиболее значимые результаты появились в последнее десятилетие.
Это связано, во-первых, с появлением современной портативной тепловизионной техники, например см. О.Н. Будадин и др., Тепловой неразрушающий контроль изделий. М., Наука, 2002 г., стр. 338-393, во-вторых, с созданием современного математического аппарата (там же, стр. 39-89), позволяющего решать прямые и обратные задачи нестационарной теплопередачи, что дало возможность перехода от дефектоскопии (обнаружения дефектов) к дефектометрии (распознавания внутренних дефектов, определения их характеристик и оценки остаточного ресурса изделий).
Сущность изобретения
Изобретение направлено на решение задачи повышения достоверности контроля композитных броневых преград за счет исключение указанных выше недостатков.
Т.е. в конечном итоге изобретение направлено на повышение безопасности защищаемого личного состава от поражающих элементов.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в повышении информативности и достоверности результатов испытаний, например в определении влияния различных конструкций композитных броневых преград на их энергопоглощающую способность, и возможности испытаний без толстой подложки, что приближает условия испытаний к реальным условиям эксплуатации композитных броневых преград.
Технический результат достигается за счет того, что в способе контроля качества композитной броневых преград на основе анализа их энергии поглощения поражающего элемента, включающем:
установку композитной броневой преграды перед пластиной из пластичного материала,
направление с заданной скоростью поражающего элемента на броневую преграду,
измерение глубины проникновения поражающего элемента в пластичном материале,
определение энергии поглощения по формуле:
где m - масса поражающего элемента,
v - скорость поражающего элемента перед композитной броневой преградой,
A(Δw) - работа сил сопротивления пластилина при внедрении в него поражающего элемента, дополнительно осуществляют следующие действия:
ан
дmin
дmin
регистрируют температурное поле Т(x,y) поверхности композитной броневой преграды, имеющей минимальные температурные аномалии Δx, Δy, которое принимается за аномальное,
определяют пространственное разрешение для регистрации температурного поля, исходя из обнаружения минимальных по размеру температурных аномалий с пространственным периодом Δа, определяемым размерами минимальной температурной аномалии:
дmin
дmin
где Δx, Δy - геометрические размеры минимальной температурной аномалии кожного покрова,
после направления на броневую преграду поражающего элемента с заданной скоростью измеряют температурное поле в области соприкосновения поражающего элемента с композитной броневой преградой. При этом начало регистрации температурного поля начинается с момента соприкосновения поражающего элемента с композитной броневой преградой, и
на основе анализа температурного поля определяют энергию поглощения композитной броневой преградой.
Технический результат усиливается за счет того, что
дmin
дmin
геометрические размеры минимальной температурной аномалии Δx, Δy определяют следующим образом:
дi
дi
измеряют размеры всех температурных аномалий, содержащихся на поверхности, выявленных в результате предварительной регистрации температурного поля: Δx, Δy,
дmin
дmin
определяют размеры минимальной аномалии Δx, Δy, решая систему уравнений:
,
дi
дi
дmin
дmin
где δ - вероятность того, что (Δх, Δy)>(Δx, Δy),
i
дi
дi
p(ΔX) - функция распределения величин Δх, Δy.
изм
Оптимальный интервал последовательного измерения температуры τ на поверхности кожи определяют путем решения уравнения:
.
где f(T) - плотность распределения длительности во времени информационного сигнала,
τ - временной интервал измерения,
P - вероятность пропуска информационного сигнала
0
Т - временная разрешающая способность измерительных датчиков,
η - параметр.
Температурное поле регистрируют путем тепловизионного обследования поверхности.
Технический результат в части системы обеспечивается тем, что известное устройство дополнительно снабжено
тепловизионной системой,
компьютерной системой,
устройством регистрации начала полета поражающего элемента,
при этом тепловизионная система расположена таким образом, чтобы поле обзора ее оптической части охватывало место соприкосновения поражающего элемента и композитной броневой преграды,
вход устройства регистрации начала полета поражающего элемента подключен в выходу устройства для измерения скорости поражающего элемента на выходе устройства для стрельбы,
выход устройства регистрации начала полета поражающего элемента подключен к входу тепловизионной системы,
выход тепловизионной системы подключен к входу компьютерной системы.
Краткое описание фигур чертежей
Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на:
фиг. 1 приведена структурная схема системы контроля качества композитных броневых преград, реализующего способ,
фиг. 2 приведена типовая термограмма (распределение температурного поля) поверхности в зоне соприкосновения поражающего элемента и поверхности броневой преграды,
фиг. 3 приведен график экспериментальной зависимости относительного размера зоны вовлечения в деформирование нитей арамидной ткани РУСАР от начальной скорости ПЭ,
фиг. 4 приведен график экспериментальной зависимости параметров баллистической эффективности арамидной ткани РУСАР от начальной скорости поражающего элемента (ПЭ), полученных по методу, основанному на измерении работы силы сопротивления внедрения ПЭ в запреградную среду (синие кривые) и тепловым методом (красная кривая),
фиг. 5 приведен график экспериментальной зависимости максимального увеличения температуры арамидной ткани РУСАР от скорости ПЭ,
фиг. 6 приведена термограммы образца из арамидной ткани после выстрела по нему стальным шариком диаметром 6,3 мм со скоростью 365 м/с,
фиг. 7 приведена термограмма образца из арамидной ткани после выстрела по нему стальным шариком диаметром 6,3 мм со скоростью 496 м/с.
фиг. 8 - типовое изменение температуры на поверхности в области проникновения поражающего элемента в броневую структуру,
фиг. 9 - типовая зависимость времени запаздывания от глубины проникновения поражающего элемента.
На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:
1 - исследуемая композитная броневая преграда,
2 - слой пластилина,
3 - устройство измерения скорости полета поражающего элемента,
4 - тепловизионная система,
5 - устройство для стрельбы,
6 - устройство регистрации начала полета поражающего элемента,
7 - поле обзора тепловизионной системы,
8 - место соприкосновения поражающего элемента и поверхности композитной броневой преграды,
9 - направление движения поражающего элемента,
10 - компьютерная система,
0
Т - начальная температура поверхности до соприкосновения с поражающим элементом (град),
Т - температура поверхности в области соприкосновения с поражающим элементом (град),
t - время с момента соприкосновения поражающего элемента с поверхности броневой преграды (сек),
h - глубина проникновения поражающего элемента,
зап
t - время запаздывания.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Все используемые электронные блоки построены на основе стандартных микропроцессорных схем и микропроцессорных сборок с перепрограммируемыми запоминающими устройствами (см., например, Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учебн. пособие для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - СПб.: - БХВ-Петербург, 2010). В качестве тепловизионной системы 4 используются тепловизоры фирмы FLIR, ИРТИС-2000 или аналогичные по техническим характеристикам. В проводимых экспериментах в рамках даннной заявки использовалась тепловизионная система FLIR 1500.
Устройство для стрельбы изготовлено на основе стандартной мелкокалиберной винтовки. Устройство измерения скорости полета поражающего элемента (пули) РС-4М (производство «Малое Государственное Предприятие «Нанотех», г. Санкт-Петербург, руководство по эксплуатации РС-4.00.00ТО) имеет стандартную конструкцию. Оно включает два оптико-электронных датчика (фотореле), расположенных последовательно вдоль траектории движения поражающего элемента на заданном расстоянии друг от друга. Содержит также таймер (электронный секундомер). При пересечении поражающего элемента первого оптико-электронного датчика таймер начинает работу, а при пересечении второго оптико-электронного датчика таймер выключается. Зная расстояние между датчиками и время работы таймера, скорость поражающего элемента рассчитывается по известной формуле.
Система стендовых испытаний композитных броневых преград на основе анализа их энергии поглощения поражающего элемента включает устройство 5 для стрельбы, расположенное между подложкой 2 и устройством 5 для стрельбы, на траектории полета поражающего элемента устройство 3 измерения скорости полета поражающего элемента на выходе устройства 5 для стрельбы, подложку 2 из пластичного материала, тепловизионную систему 4, компьютерную систему 10 и устройство 6 регистрации начала полета поражающего элемента. Тепловизионная система 4 расположена таким образом, чтобы поле 7 обзора ее оптической части охватывало место соприкосновения поражающего элемента и композитной броневой преграды 1. Вход устройства 6 регистрации начала полета поражающего элемента подключен к выходу устройства 3 измерения скорости поражающего элемента на выходе устройства 5 для стрельбы. Выход устройства 6 регистрации начала полета поражающего элемента подключен к входу тепловизионной системы 4. Выход тепловизионной системы 4 подключен к входу компьютерной системы 10.
Реализация способа осуществляется следующим образом:.
1. Определяют пространственное разрешение тепловизионной системы (4) для регистрации температурного поля, исходя из обнаружения минимальных по размеру температурных аномалий с пространственным периодом Δа, определяемым размерами минимальной температурной аномалии:
дmin
дmin
где Δx, Δy - геометрические размеры минимальной температурной аномалии кожного покрова,
изм
2. Определяют и выставляют в тепловизионной системе 4 оптимальный интервал последовательного измерения температуры τ, на поверхности кожи определяют путем решения уравнения:
ю
где f(T) - плотность распределения длительности во времени информационного сигнала,
τ - временной интервал измерения,
Р - вероятность пропуска информационного сигнала,
0
Т - временная разрешающая способность измерительных датчиков,
η - параметр интегрирования,
Определение оптимального интервала регистрации температурного поля необходимо из двух соображений:
С одной стороны, необходимо зарегистрировать полную информацию распределения температурного поля по поверхности. С другой стороны, желательно не перегружать компьютерную систему обработкой избыточной информации.
3. Тепловизионную систему 4 устанавливают таким образом, чтобы место соприкосновения поражающего элемента и поверхности композитной броневой преграды 8 находилось в пределах поля обзора 7 тепловизионной системы 4, а величина пространственного разрешения соответствовала п. 1. При этом,величина поля обзора определяется перед началом контроля исходя из теплофизических свойств контролируемого материала и выполнения условий п. 1.
4. Далее производится выстрел поражающим элементом устройством 5 в сторону исследуемого материала.
5. В момент прохождения поражающего элемента через устройство 6 регистрации начала полета поражающего элемента (данное устройство располагается максимально близко к устройству 5) с выхода устройства 6 (с выхода одного из оптико-электронных датчиков) поступает сигнал на вход тепловизионной системы 4. В момент поступления сигнала тепловизионная система начинает регистрировать температурное поле поверхности объекта 1 с определенным оптимальным для данного объекта контроля периодом. Видеоизображения температурного поля в различные моменты времени поступают в компьютерную систему 10, где происходит их накопление, хранение и обработка по заложенным алгоритмам. На фиг. 2 приведена в качестве примера термограмма (распределение температуры в области поля обзора 7).
6. По истечении заданного времени регистрация температурного поля тепловизионной системой 4 прекращается и начинается процесс обработки и анализа полученных результатов по заложенным программам компьютерной системой. Цель математической обработки результатов регистрации температурного поля - определение энергопоглощения контролируемого материала.
Для подтверждения работоспособности предлагаемого способа и реализующего его устройства и эффективности проведены теоретические и экспериментальные исследования на некоторых композитных броневых преградах.
С термодинамической точки зрения процессы взаимодействия поражающего элемента (ПЭ) с броневыми преградами в силу их быстротечности могут рассматриваться как адиабатические, когда теплопередачей можно пренебречь, и вся энергия, отнятая преградой от ПЭ, переходит во внутреннюю энергию материала преграды и может быть выражена соотношением:
Здесь ΔQ и  - соответственно тепловыделение и изменение температурного поля в зоне контакта ПЭ с преградой, вызванное их взаимодействием, ρ и С(Т) - соответственно плотность и удельная теплоемкость материала преграды,  - радиус-вектор, V - область броневой преграды, в которой происходит поглощение кинетической энергии ПЭ.
Для случая относительно тонкой преграды, когда температурное поле может быть принято постоянным по ее толщине, выражение (1) принимает вид:
где h - толщина преграды, Ω - область зоны взаимодействия на поверхности преграды.
Таким образом, если плотность и удельная теплоемкость материала преграды известны, то для тонких преград поглощенная ими кинетическая энергия может быть оценена, если известно температурное поле на поверхности преграды.
2
Это позволяет использовать для исследования энергопоглощающих свойств материалов тепловой контроль, основанный на регистрации и анализе температурных полей с использованием тепловизора. Поскольку тепловизор обладает ограниченной разрешающей способностью, измеренное им температурное поле является дискретным, температура принимается постоянной в пределах элемента, площадь (Δа) (или ΔS) которого определяется геометрической разрешающей способностью тепловизора Δа. Все поле обзора (зрения) тепловизора, таким образом, разбивается на конечное число элементов указанного выше размера.
Для дискретного случая выражение (2) запишется в виде:
ij
ij
где T - температура элемента с номером ij, ΔТ - ее приращение после соударения ПЭ с преградой. Измерение температурного поля производится с определенным интервалом по времени (интервал опроса), определяемым возможностями тепловизора, т.е. картина теплового поля может быть получена как непосредственно после удара ПЭ по преграде, так и в конце интервала опроса. Это накладывает определенные ограничения на теплопроводность исследуемых материалов с учетом возможных больших градиентов температур в зоне удара. Очевидно, что температура преграды будет оценена тем точнее, чем меньше эти интервалы. В то же время энергия, поглощенная преградой, будет в меньшей степени зависеть от величины интервала опроса, поскольку все тепло, выделившееся в результате взаимодействия ПЭ с преградой, останется в преграде, если пренебречь теплообменом между преградой и воздухом за время, равное интервалу опроса.
Схема устройства контроля качества броневых преград, на которой проводились экспериментальные исследования, приведена на фиг. 1.
При проведении экспериментальных исследований броневая преграда обстреливалась со скоростями от 260 до 760 м/с стандартными имитаторами осколка - стальными шариками диаметром 6,3 мм, имеющими массу 1,05 г. Измерение тепловых полей производилось тепловизором марки FLIR. Для визуализации картины распределения тепла, выделившегося за счет поглощения кинетической энергии ПЭ, и расчета суммарной поглощенной энергии по формуле (3), было доработано и оттестировано программное обеспечение тепловизора.
2
В качестве объекта исследования использовался четырехслойный пакет из баллистической ткани на основе арамидных волокон РУСАР. Суммарная поверхностная плотность пакета составляла 0,5 кг/м.
На фиг. 6 и фиг. 7 в одинаковых масштабах приведены характерные термограммы, иллюстрирующие распределение температуры по поверхности исследуемого броневого пакета для начальной скорости ПЭ, равной 365 м/с (рисунок 2, а) и 496 м/с (рисунок 2, б).
Как видно из предварительно обработанных для повышения информативности изображений термограмм, приведенных на фиг. 6 и фиг. 7, тепловизор позволяет получить наглядные картины температурных полей преграды в окрестности места ее столкновения с ПЭ. Температурные поля анизотропны, их анизотропия определяется анизотропией ткани - зоны повышенной температуры ориентированы вдоль направления ее нитей. Для относительно низкой и высокой скоростей соударения ПЭ с преградой температурные поля преграды качественно отличаются: при низкой скорости нити ткани вовлекаются в деформирование на длине существенно большей, чем при высокой. Ширина полосы, в которой имеет место заметное вовлечение нитей в деформирование, близка к калибру ПЭ.
На фиг. 3 приведена зависимость относительного размера зоны вовлечения нитей в деформирование от начальной скорости ПЭ, полученная путем обработки термограмм.
Как видно из фиг. 3, размер зоны вовлечения нитей в деформирование снижается с увеличением скорости ПЭ и в диапазоне скоростей (450…550) м/с достигает минимального значения.
Поскольку броневые преграды могут иметь различную поверхностную плотность, а поражающие элементы - различный калибр, энергопоглощающую способность материалов удобно характеризовать величиной, определяемой выражением:
s
Назовем ее параметром баллистической эффективности материала. В формуле (4) ρ - поверхностная плотность преграды,
0
d - калибр ПЭ.
На фиг. 4 даны зависимости параметра баллистической эффективности исследуемого материала от начальной скорости ПЭ, полученные по методике, основанной на измерении работы силы сопротивления внедрения ПЭ в запреградную среду, и тепловым методом - путем обработки термограмм.
E
0
Из фиг. 4 видно, что зависимость β(ν) имеют ярковыраженный статистический характер, в интервале скоростей ПЭ (260…600) м/с, полученная тепловым методом, статистически значимо не отличается от соответствующих зависимостей, полученных по методу, в котором используется запреградная среда. В окрестности начальной скорости ПЭ, равной 500 м/с, оба метода обнаруживают наличие аномально низкой баллистической эффективности броневой преграды («окно прозрачности»). Для объяснения его существования, по-видимому, необходимо исследовать механические характеристики (прочность и податливость) арамидных текстильных структур при поперечном сжатии давлениями, уровень которых соответствует уровню давлений, возникающих при динамическом контакте с ПЭ.
При скоростях ПЭ, больших 600 м/с, тепловой метод показывает, что эненргопоглощающая способность текстильной арамидной броневой преграды стабилизируется и колеблется вблизи некоторого постоянного уровня. Напротив, метод, использующий запреградную среду, указывает на тенденцию ее возрастания с увеличением скорости ПЭ, что может свидетельствовать о наличии дополнительных ресурсов энергопоглощения, арамидных материалов при высоких скоростях взаимодействия с ПЭ. Выяснение причины такого расхождения требует проведения дополнительных исследований.
Из сопоставления фиг. 3 и 4 следует, что энергопоглощающая способность текстильной броневой структуры зависит от объема материала, вовлеченного в деформирование, и возрастает с уменьшением скорости ПЭ. При высоких скоростях взаимодействия ПЭ с текстильной броневой преградой ее высокопрочные нити «не успевают» натянуться до исчерпания их несущей способности на достаточной длине и в связи с этим в потенциальную энергию деформации нитей переходит относительно меньшая, чем при малых скоростях, доля кинетической энергии ПЭ.
Е
0
Наличие ниспадающего участка зависимости β(ν) при малых скоростях ПЭ объясняется тем, что на этом участке не происходит пробития преграды, и ею поглощается вся кинетическая энергия ПЭ, убывающая с уменьшением его скорости.
Тепловой метод позволил произвести непосредственные измерения температуры материала броневой преграды в зоне ее контакта с ПЭ. На фиг. 5 приведены зависимости максимального приращения температуры брони от начальной скорости ПЭ.
max
0
0
Из фиг. 5 видно, что зависимость ΔT(ν) также имеет статистический характер, имея тенденцию к возрастанию с ростом начальной скорости ПЭ. В окрестности скорости ν=520 м/с имеет место аномально низкое приращение температуры.
Тепловизионный метод в дополнение к результатам, полученным по методу, основанному на определении энергии ПЭ, поглощаемой запреградной средой, позволил получить наглядные картины и количественные характеристики температурных полей в зонах взаимодействия брони с ПЭ и оценить размеры этих зон при различных скоростях ПЭ.
Полученная тепловизионным методом зависимость энергии, поглощаемой преградой, от скорости ПЭ подтвердила наличие обнаруженного другими методами «окна прозрачности» - интервала скоростей ПЭ, в котором броневые преграды из арамидных материалов имеют аномально низкую энергопоглощающую способность.
Рассмотрим один из примеров оценки качества броневой преграды с помощью анализа температурного поля поверхности броневой преграды.
При прохождении поражающего элемента через броневую преграду энергия поражающего элемента передается броневой преграде и преобразуется в тепловую энергию.
В этом случае типовое изменение температуры на поверхности в области проникновения поражающего элемента в броневую структуру имеет вид, приведенный на фиг. 8.
зап
Из фиг. 8 видно, что через определенное время (t), называемое «временем запаздывания» изменение температуры на поверхности достигает максимального значения (в данной случае 10°С) и далее медленно уменьшается.
зап
Теоретические исследования с использованием математической модели, приведенной в книге авторов: Барынин В.А., Будадин О.Н., Кульков А.А. Современные технологии неразрушающего контроля конструкций из полимерных композиционных материалов. - М.: Издательский дом Спектр, 2013 г., 242 с. с илл. показали, что чем глубже проник поражающий элемент в броневую преграду при условии ее однородной структуры, тем больше величина (t).
На фиг. 9 приведена типовая зависимость времени запаздывания от глубины проникновения поражающего элемента. Здесь по оси ординат отложено значение времени запаздывания, а по оси абсцисс - глубина проникновения поражающего элемента.
Пользуясь данной зависимостью, определяется качество броневой преграды с точки зрения поглощения энергии поражающего элемента.
Аналогичная зависимость строится для многослойной броневой преграды. В этом случае определяется, на каком слое происходит максимальное поглощение энергии, т.е. какой слой наиболее эффективен как преграда для поражающего элемента с заданной скоростью взаимодействия с поверхностью броневой преграды.
Таким образом, осуществляется оценка качества броневой преграды, в т.ч. наиболее эффективные слои с точки зрения поглощения энергии поражающего элемента.
Рассмотренный в данной работе метод представляется перспективным для исследования процессов взаимодействия ПЭ с броневыми структурами из полимерных материалов, его использование позволит эффективно производить отбор материалов для броневых структур с целью повышения их защитных свойств.
Представленный способ контроля качества композитных броневых преград и устройство для его осуществления имеют следующие преимущества:
1. Исключается операция построения тарировочных кривых для определения сил сопротивления пластилина при внедрении в него поражающего элемента, которые могут иметь достаточно большую погрешность, что соответственно увеличивает погрешность определения энергии поглощения в композитной броневой преграде. Это значительно, в 2-4 раза снижает погрешность получаемых результатов.
2. Позволяют оценить энергию поглощения по толщине композитной броневой преграды, что позволяет оптимизировать расположение и характеристики композитных слоев.
3. Позволяют оценить качество самих композитных слоев и их вклад в поглощение энергии.
4. За счет исключения толстой пластилиновой подложки дают относительно точные характеристики защитных свойств керамических материалов за счет исключения искажений результатов (в реальной броне не может быть бесконечно толстой подложки, как требуется при осуществлении известного способа).5. Повышается производительность исследований (ориентировочно в 3-5 раз) за счет исключения операций составления тарировочных кривых, которые необходимо проводить при каждой смене подложки, изменения температуры окружающей среды.