03 декабря 2016г.
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.