В работе представлены результаты инженерной оценки эффективности применения композиционных материалов комбинированного строения (керамик карбида бора, оксида и никелид алюминия) в качестве дополнительной защиты стальных преград при ударе вольфрамовым стержнем в диапазоне скоростей 1…5 км/c. Проведено физическое моделирование процесса взаимодействия ударника с преградой при высокоскоростном взаимодействии. Оценка глубины проникания ударников проведена по имитационной модели, разработанной на базе гидродинамической модели бронепробивания. Выявлены основные характеристики керамик для эффективного использования в качестве дополнительных элементов защиты, расположенных на лицевой поверхности конструкции.

В качестве элементов конструктивно-компоновочных схем защитных конструкций против ударников кинетического действия используются различные виды сплавов и композиционных материалов комбинированного строения с усиленными прочностными характеристиками [1]. При отборе наиболее эффективных керамик и композитов для элементов конструкций из имеющихся и вновь разрабатываемых материалов возникает задача сравнения их противоударной стойкости при варьировании условий высокоскоростного удара. Наиболее приемлемым по достоверности методом оценки эффективности является экспериментальное, численное и физическое моделирование процесса проникания ударников в конструкции, содержащие слои из металлических сплавов, керамик и композитов.

На основе экспериментальных данных, представленных в [2, 3] рассмотрен вопрос эффективности использования керамических и композиционных материалов в качестве элементов бронезащиты по методике, представленной в работе [4]. Однако в методике не учитываются массово-габаритные характеристики защитных конструкций, что важно для современной самоходной бронетехники.

В статье представлены результаты прогноза эффективности применения керамик – оксида алюминия Al2O3 (марка КВП-98 – корунд), карбида бора B4C и композита AlN – как дополнительных элементов в защитных стальных конструкциях. Физико- механические характеристики композитов приведены в таблице, в которой обозначены:

r0  -плотность, E – модуль Юнга, НМ –   микро-твердость, HD – динамическая твердость, sТ– предел текучести.

   Таблица

Материал r0 ,10 3, г/cм³ E, ГПа НМ , ГПа HD , ГПа sТ, ГПа В4С 2,4 475 38 42-49 64.5 Al2O3 3,8 407 28 20-25 59.3 AlN 3,25 18 16-22

Для предсказания глубины проникания стержневых ударников в монолитные преграды была предложена имитационная модель [5], основанная на положениях гидродинамической модели бронепробивания. Основное преимущество данной модели заключается в учете динамической сжимаемости материала ударника в контактной с преградой области. Результаты расчетов глубины проникания в стальные преграды вольфрамовых стержневых ударников при скоростях удара 1000…5000 км/c хорошо согласуются с экспериментальными данными авторов [6, 7] и литературными данными. На рис. 1 представлены графическими зависимостями расчета относительной глубины проникания ударников из сплава ВНЖ-90 длиной 6 см и удлинением 10 калибров в полубесконечные преграды из стали и керамик. Приведенные экспериментальные данные, обозначенные соответствующими значками, свидетельствуют о надежности расчетов. Полученные графические зависимости свидетельствуют о явном превосходстве абсолютного показателя проникания (наименьшая глубина проникания) в стальную преграду в сравнении с керамиками.

Рис.1. Относительная глубина проникания вольфрамовых стержней

 

Одной из важнейших характеристик бронепробивания является показатель удельного массового эквивалента УМЭ – масса преграды на единицу длины ударника, деленная на площадь поперечного сечения. На рис. 2, представлены показатели УМЭ, где цифрам соответствуют следующие материалы: 1 – Cт; 2 – AlN; 3 – Al2O3; 4 – B4C. Соответствующее расположение графических зависимостей свидетельствует о том, что показатель УМЭ пропорционален плотности материала преграды в широком диапазоне скоростей удара.

Проведены расчеты по прониканию стержневых ударников в слоистые преграды с учетом массово-габаритных размеров. Преграда – сочетание основной стальной плиты и керамической пластины толщиной b, расположенной на лицевой поверхности основной. Массовая эффективность, согласно стандартам, принятым в ARL (армейская лаборатория США), рассчитывалась по соотношению [8]:

где LK  Cт  – глубина проникания в стальную преграду; LК(Cт-Кер)  – полная глубина проникания в сталь для слойки (Кер + Cт).

Для проведения сравнительного анализа в общем случае необходимо учитывать такие параметры, как глубина проникания, плотность материала, массовые и габаритные характеристики конструкции и это приводит к сложному характеру взаимосвязей зависимостей. Для результативного анализа массово-габаритных характеристик конструкции использована эмпирическая зависимость:

Здесь LK Кер –  глубина проникания в керамику (массивные блоки).

 

Результаты расчета эффективности керамик с учетом их массово-габаритных характеристик δ относительно стали представлены на рис. 3. Значения эффективности δ соответствуют следующим керамикам: 1) – эффективность AlN; 2) – эффективность Al2O3 ; 3) – эффективность B4C. Считается керамика эффективной, если значение δ > 1 Приведенные зависимости наглядно иллюстрируют высокую эффективность применения композиционных материалов комбинированного строения в сочетании со стальными пластинами против высокоскоростных стержневых ударников при скоростях удара до 1,5 км/с. Эффективность керамик зависит от механических и прочностных свойств материала в условиях динамического нагружения. Так керамика карбида бора наиболее эффективна относительно остальных исследованных и достигает предельных скоростей соударения около 2 км/с.

Рис.3. Массово-габаритные характеристики конструкций «керамика – сталь» от скорости нагружения стержнем

Таким образом, разработана инженерная методика оценки конечного результата взаимодействия высокоплотных стержневых ударников с элементами комбинированной конструкции, основанной на модифицированной гидродинамической модели проникания с учетом эффектов динамической сжимаемости материала ударника при соударении. В широком диапазоне удара представлены результаты исследования эффективности применения различных керамик на примере карбида бора, оксида алюминия и никелида алюминия в качестве лицевых элементов слоистой конструкции. Приведенные данные оценок свидетельствуют о целесообразности использования сложной комбинированной защиты против высокоскоростных стержневых ударников кинетического действия и рассмотрен вопрос о перспективе усиления комбинированной защиты за счет применения высокопрочных композиционных материалов комбинированного строения в качестве основных составляющих элементов.

 

Список литературы

 

 

1. Viechnicki D.J., Slavin M.J., Kliman M.I. // Ceramic bulletin. 1991. Vol.70, N6. P.1035- 1039.

2. Коняев А.А., Толкачев В.Ф. // РАН. Механика композиционных материалов и конструкций. 2004. Т.10, №4. С.466-476.МКМК Иванова Ю.М. Стратегии речевого воздействия в жанре предвыборных.

3.     Толкачев В.Ф. Коняев А.А., Жейков В.В. // «Механика наноструктурированных систем». Труды Всероссийской конференции. Том 1. Москва. 13 – 15 декабря 2011 г. – М.; Альянсстрансатом, 20111. С.131-139.

4. Bless S,J., Rosenberg Z., Yoon S. // Int. J. Impact Tngng.1987. №5. P. 165-171. 

5.    Толкачев В.Ф. // Всесибирскичтения по математике и механики. Механика. Том 2. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1997. С. 107-113.

6. Хорев И.Е., Толкачев В.Ф., Ерохин Г.А. // РАН. Космические исследования. Т.45, №2. С.103-188.

7.    Толкачев В.Ф., Н а з а р о в А . Г . // Экстремальное состояние вещества. Детонация. Ударные волны. Саров: ВНИИ ЭФ, 2002. С. 187-191.

8. Уолтерс У., Гуч У // ФГВ. 2000. Т. 36, №6. С77-83.