Анализ противопульной стойкости броневых сталей иностранного производства

Зузов В.Н., Шаш Н.
МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

В данной работе исследовалось пробитие пластин из стальных сплавов Armox 560T, Domex protect 500, Weldox 700 E, Hardox 400, и Armstal 500, используемых для бронезащиты, для пяти различных толщин (6 мм, 8 мм, 10 мм, 6+6 мм, и 8+8 мм) со скоростью удара 830 м/с и 920 м/с во всех тестах пулей 7,62 мм «APM2» (с жестким стальным сердечником), которая является одной из наиболее распространенных. Также произведён анализ влияния коэффициента трения на результаты численного моделирования. В статье представлены разработанные рациональные конечно-элементные модели (КЭМ) пластин и пули, на базе которых получаются результаты с приемлемой точностью и минимальным временем решения при использовании решателя LS-DYNA, и осуществлено прогнозирование значений рациональных толщин и свойств стали для обеспечения защиты по европейской норме EN1063.

Введение

Металлическая броня как класс включает в себя броневые стали, высокопрочные алюминиевые и титановые сплавы. Наиболее широко используется стальная броня. При проектировании защитных сооружений от стрелкового оружия сталь по-прежнему является доминирующим материалом, хотя могут применяться и легкие композитные материалы. Это происходит потому, что стали имеют высокую прочность и твердость в сочетании с пластичностью, низкой ценой по сравнению с большинством других броневых материалов, отличной несущей способностью и технологичностью при изготовлении бронированных объектов.

В опубликованных исследованиях было изучено сопротивление прониканию пули в пластину из стали с разными скоростями, толщинами, и формами носовой части пули. В большинстве из них используются КЭМ, составленные из плоских (оболочечного типа) конечных элементов (КЭ). Однако сравнение результатов для различных стальных сплавов освещено недостаточно полно

В нашей статье исследовалось пробитие пластин из стальных сплавов Armox 560T, Domex protect 500, weldox 700 E, Hardox 400, и Armstal 500, используемых для бронезащиты, для пяти различных толщин (6 мм, 8 мм, 10 мм, 6+6 мм, и 8+8 мм) со скоростью удара 830 м/с и 920 м/с во всех тестах пулей 7,62 мм «APM2» (с жестким стальным сердечником), которая является одной из наиболее распространенных. Также произведён анализ влияния коэффициента трения на результаты численного моделирования.

Для решения поставленных задач по разработке, связанной с броневыми сталями, был выбран самый высокий класс баллистической защиты по определению в соответствии с европейской нормой EN1063 [8]. Это «BR7» (для защиты от боеприпасов AP 7,62 мм, где скорость удара пули составляет около 830 м / с).

Цель работы состоит в разработке рациональных КЭМ пластин и пули, на базе которых получаются результаты с приемлемой точностью и минимальным временем решения при использовании решателя LS-DYNA, для исследования пробития пулей монослойных и двухслойных пластин из стальных сплавов, а также в прогнозировании значений рациональных толщин и свойств стали для обеспечения защиты по европейской норме EN1063.

Спецификация пластинок и пули

Мишени пластинок

В этом исследовании мы выбрали 5 марок стальных сплавов, используемых для бронезащиты, производящихся в разных компаниях: Armox 560T, Domex protect 500, Weldox 700 E, Hardox 400, и Armstal 500. Химический состав этих сплавов приведен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав (в % отношении к общей массе) пяти марок стальных сплавов

Эти стали для защиты легкобронированной техники должны выдерживать без разрушения попадание бронебойных пуль и малокалиберных снарядов, а также обеспечивать требования по технологичности (в том числе свариваемости). Значения твердости этих сплавов показаны в таблице 2. Отметим, что производители новых материалов на этих предприятиях в основном полагаются на увеличение параметра твёрдости.

Таблица 2. Значения твердости по HB для 5 материалов

На рис.1 показаны экспериментально полученные кривые напряжение - деформация до разрушения при испытаниях на растяжение на гладких осесимметричных образцах при квазистатической скорости деформации и комнатной температуре [4].

Рис.1 Кривые напряжение – деформация, полученные при испытаниях образца на растяжение

Пуля

Рис.2. Пуля «APM2» 7,62 мм

Как указывалось, в данной работе используется один тип пули 7,62 мм «APM2».

Описание геометрии этого типа пули приведено на рис.2.

Пуля «APM2» имеет жесткий стальной сердечник, изготовленный из инструментальной стали 1007. Она состоит из латунной оболочки, заглушки, заполнителя из свинца и жесткого стального сердечника. Общая масса пули APM2 составляет около 10,5 г.

Как указывалось, в данной работе исследуется процесс проникания пули 7,62 мм

«APM2» (с жестким стальным сердечником) в пластинки из 5-ти типов стальных сплавов с пятью толщинами как монослойные (6 мм,8 мм,10 мм), так и двухслойные (6х2 мм и 8х2 мм). Скорость удара пули принята равной 830 м/с (в соответствии с «BR7») для пластин с толщинами 6,8,10,6х2 с целью расчетной оценки удовлетворения уровня требуемой защиты «BR7» и прогнозирования не пробития для этих материалов при определенной толщине. Наряду с принятой скоростью изучался процесс пробития при скорости удара пули равной 920 м/c (которая также имеет место) при больших толщинах (6х2 и 8х2 м), для того, чтобы проверить сопротивление проникновению в критических случаях и определить толщины и типы материалов для пластин, когда пробития их не произойдет.

Рис.3. КЭМ пули и пробиваемой пластины

Роль трения в вопросах проникновения до сих пор до конца не ясна, особенно на высоких скоростях. В ряде численных исследований им пренебрегали, и наоборот, другие исследователи приняли его во внимание, причем, с значениями меньше, чем для «обычного» трения, когда наибольшее значение коэффициента трения стали (твёрдая) со сталью (твёрдая) составляет 0,78. Однако при пробитии его значение будет намного меньше. В нашем исследовании, после предварительного анализа, было выбрано его значение равное 0,01, которое позволило получить результаты, адекватные экспериментальным. Далее в статье будет дано сравнение результатов без трения и с трением.

При этом КЭМ пластины с толщинами 6, 8, 10, 6х2 и 8х2 мм имеют в центральной зоне – зоне воздействия размерами 20х20 мм² 300.000, 400.000, 500.000, 600.000, и 800.000 элементов соответственно. В таблице 6 показано количество элементов, количество узлов и вычислительное время на полную задачу (при работе на ЭВМ с процессором Intel core с тактовой частотой 3,5 ГГц) для различных толщин (рис.4), используемых в этой работе для КЭМ с моделью зоны воздействия в виде квадрата.

Таблица 6. Характеристики моделей

Для оценки временных границ расчетов в LS-Dyna также было определено время собственно пробития пластин пулей, которое составило 80 мкс для пластины толщиной 6 мм, 100 мкс для толщины 8 мм, 120 мкс для толщины 10 мм, 140 мкс для толщины 12 мм и 180 мкс в случае толщины 16 мм соответственно.

Результаты исследований

Результаты исследований оценивались путем сопоставления с экспериментальными данными, опубликованными в работе, в которой представлены значения остаточной скорости и механизм разрушения для некоторых стальных сплавов.

В нашем исследовании мы разделили расчетные исследования на следующие этапы:

1. Расчетная оценка обеспечения уровня требуемой защиты «BR7».
2. Анализ влияния коэффициента трения на результаты.
3. Проверка сопротивления проникновению в критических случаях, когда скорость пули 920 м/с.

Расчетная оценка обеспечения уровня требуемой защиты «BR7»

В этой части исследуется пробитие пулей «APM2» 5-и пластинок из стальных сплавов при толщине монослойных пластин 6, 8, 10, и двухслойных пластин 6х2 мм при скорости пули 830 м/с.

Результаты расчетов для монослойных пластин толщиной 6 мм 5-и типов стальных сплавов представлены на рис. 4 - 6. Мы можем отметить, что оболочка пули не пробивает пластины, а отскакивает в противоположном направлении (кроме сплава Weldox 700 E).

Рис.4. Изменения скорости пули «APM2» при проникновении в пластину толщиной 6 мм

Рис.5. Изменение кинетической энергии пули «APM2» при проникновении в пластину толщиной 6 мм

Рис.6. Картина проникания пули «APM2» в пластину толщиной 6 мм

На рисунках 7-9 показаны результаты для монослойных пластин толщиной 8 мм для каждого типа стальных сплавов.

Рис.7. Изменения скорости пули «APM2» при проникновении в пластину толщиной 8 мм

Рис.8. Изменение кинетической энергии пули «APM2» при проникновении в пластину толщиной 8 мм

Рис.9. Картина проникания пули «APM2» в пластину толщиной 8 мм

Результаты расчетов для монослойных пластин толщиной 6 мм из 5-и типов сталь- ных сплавов представлены на рис. 10 - 12. Анализ их показывает, что характер уменьше- ния остаточных скоростей и кинетических энергий по времени для сплавов Armox 560T и Domex Protect 500 идентичен и несколько отличается у сплавов Armstal 500 и Hardox 400, а у сплава Weldox 700 E отличие существенно.

Рис.10. Изменения скорости пули «APM2» при проникновении в пластину толщиной 10 мм

Рис.11. Изменение кинетической энергии пули «APM2» при проникновении в пластину толщиной 10 мм

Рис.12. Картина проникания пули «APM2» в пластину толщиной 10 мм

Результаты решений для двухслойных пластин толщиной 6х2 мм для каждого типа стальных сплавов представлены на рис. 13 - 15. На рис. 15 мы можем увидеть образование зазора между пластинками. В том случае, когда пуля не пробила пластинку, то она (пуля) продолжает движение в противоположном направлении.

Рис.13. Изменения скорости пули «APM2» при проникновении в пластины толщиной 6х2 мм

Рис.14. Изменение кинетической энергии пули «APM2» при проникновении в пластины толщиной 6х2 мм

Рис.15. Картина проникания пули «APM2» сквозь пластины толщиной 6х2 мм

Отметим, что пуля пробила все монослойные пластины толщиной 6, 8, и 10 мм из всех стальных сплавов (остаточная скорость ее показана в табл.). В то же время при толщине двухслойных пластин 6х2 мм пуля не пробивает пластины из сплавов Armox 560T, Domex Protect 500, и Armstal 500 и пробивает пластины из сплавов Hardox 400, и Weldox 700E. Таким образом, уровень защиты «BR7» обеспечивается при использовании двухслойных пластин толщиной не менее 6х2 мм из сплавов Armox 560T, Domex Protect 500, и Armstal 500.

Таб.7. Остаточная скорость пули «APM2» при проникновении в пластины разных толщин и пяти типов стальных сплавов (Начальная скорость= 830 м/с)

На рис. 16 показаны изменения остаточных скоростей пули «APM2» в зависимости от толщин и типов сплавов пластин. Из анализа графиков можно сделать выводы:

• Характер уменьшения остаточных скоростей с увеличением толщины для сплавов Armox 560T и Domex Protect 500 идентичен и несколько иной у сплава Armstal
• Уменьшение остаточной скорости пули с увеличением толщины для сплава Hardox 400 не до нуля указывает на то, что не происходит пробития пластинки пулей если ее толщина более 13 мм.
• Уменьшение остаточной скорости пули с увеличением толщины сплава Weldox 700E имеет близкий к линейному характер.

Рис.16. Изменение остаточных скоростей пули «APM2» в зависимости от толщин и типов сплавов пластин

Испытания для оценки влияния коэффициента трения на результаты

В этой части мы исследовали влияние коэффициента трения на результаты численного моделирования. Коэффициент трения введен в модель контакта в программе Ls-Dyna (контакт задается между пулей и пластинкой). Как указывалось ранее, мы выбрали значение для коэффициента трения равным 0,01 исходя из первоначальных проведенных нами расчетов и с учетом предлагаемых его значений другими авторами.

Численные испытания проводились для всех стальных сплавов с коэффициентом трения и без коэффициента трения. Мы представили наиболее интересные результаты, а именно для материалов Armox 560T и Weldox 700E при толщине пластины 6 мм и 6х2 мм (рис. 17,18).

Анализ результатов для контакта без трения и с трением показывает, что разница для пластин с малой и большой толщиной не превышает 3%, т.е. трением можно пренебречь.

Рис.17. Изменения скорости пули «APM2» при проникновении в пластины толщиной 6 мм и 12 мм без трения и с трением для материала Armox 560T

Рис.18. Изменения скорости пули «APM2» при проникновении в пластины толщиной 6 и 6х2 мм без трения и с трением для материала Weldox 700

Анализ сопротивления проникновению в критических случаях при скорости пули 920 м/с

В исследованиях мы использовали двухслойные пластинки толщиной 6х2 мм и более при скорости пули 920 м/с. Результаты представлены на рис. 19 - 20.

Рис.19. Скорость пули «APM2» при проникновении в пластину толщиной 6х2 мм

Рис.20. Изменение кинетической энергии пули «APM2» при проникновении в пластины толщиной 6х2 мм

Для сравнительной оценки в табл.8 представлены значения остаточных скоростей при проникновении пули в двухслойные пластины из разных материалов толщиной 6х2 мм для двух значений начальной скорости. При скорости 920 м/с пуля пробила пластины из всех рассматриваемых стальных сплавов. Из таблицы видно, что увеличение начальной скорости пули на 90 м/с, привело к увеличению остаточной скорости 263м/с, 271м/с, 167м/с, 257м/с и 323м/с для сплавов Armox 560T, Domex protect 500, weldox 700 E, Hardox 400, и Armstal 500 соответственно.

Таб.8. Остаточная скорость при толщине двухслойных пластин 6х2 мм для двух скорости и пяти типов стальных сплавов

При толщине двухслойных пластин 8х2 мм и скорости пули 920 м/с произошло полное пробитие только пластин из сплава weldox 700 E (табл. 9 ).

Таб.9. Остаточная скорость при толщине двухслойных пластин 8х2 мм для скорости 920 м/с

Выводы по работе

1. Монослойные пластины толщиной 6 мм, 8 мм и 10 мм из всех исследуемых стальных сплавов не обеспечивают уровень защиты «BR7».
2. Двухслойные пластины из сплавов Armox 560T, Domex protect 500 и Armstal 500 при суммарной толщине 12 мм обеспечивают уровень защиты «BR7».
3. Пластины из сплава Hardox 400 обеспечивают уровень защиты «BR7» при толщине 13 мм и более.
4. Сплав Weldox 700E не рекомендуем использовать для обеспечения уровня зашиты «BR7» из-за необходимости задания большой толщины бронелистов (это приведет к увеличению массы конструкции).
5. Взаимосвязь между остаточной скоростью и толщиной пластин является нелинейной во всех сплавах (кроме Weldox 700E).
6. Влияние коэффициента трения на сопротивление проникновению пули очень мало, по- этому им можно пренебречь.
7. Увеличение величины начальной скорости пули на 11% привело к увеличению ее оста- точной скорости в 2 - 4 раза.
8. При скорости 920 м/с пуля пробила двухслойные пластины толщиной 6х2 мм из всех рассматриваемых стальных сплавов, а при толщине 8х2 мм пуля уже их не пробила (кроме пластин из сплава Weldox 700E).

Источник:  МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия