Modelowanie numeryczne i analiza kuloodporności wielowarstwowych pakietów wykonanych z włókien paraaramidowych

• Autorzy: Dominiak J. , Stempień Z.

Identyfikatory

DOI

10.5604/20815891.1195200

Warianty tytułu

EN

Numerical Modelling and Analysis of Ballistic Performance of a Multilayer Para-Aramid Packet

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Dobór odpowiedniej liczby warstw tekstylnego pakietu balistycznego, tak aby spełnić wymagane kryteria bezpieczeństwa stosownie do przyjętej klasy kuloodporności, realizowany jest głównie w oparciu o badania eksperymentalne w tunelu balistycznym z użyciem znormalizowanego podłoża. W pracy przedstawiono podejście doboru odpowiedniej liczby warstw pakietu poprzez modelowanie zjawiska uderzenia pocisku w pakiet balistyczny metodą elementów skończonych, co pozwala na ograniczenie zakresu badań eksperymentalnych. W przeprowadzonych badaniach analizowano metodą elementów skończonych uderzenie pocisku Parabellum 9 x 19 mm FMJ, składającego się z ołowianego rdzenia i płaszcza, w wielowarstwowy pakiet balistyczny złożony z tkanin paraaramidowych Twaron CT709. W pierwszym etapie badań, w celu doboru parametrów modelu pocisku, analizowano jego deformację wyznaczoną symulacyjnie i eksperymentalnie podczas uderzenia z różną prędkością w nieodkształcalną płytę. W następnym etapie, w celu doboru i weryfikacji parametrów modelu materiałowego tkaniny paraaramidowej Twaron CT709, wyznaczano symulacyjnie przy prędkości uderzenia pocisku 366 m/s wysokość stożka odkształcenia w pakietach tekstylnych o różnej liczbie warstw i prędkość resztkową po przejściu pocisku przez pakiet. Rezultaty tych badań weryfikowano następnie z publikowanymi wynikami badań eksperymentalnych. Ostatni etap badań symulacyjnych polegał na ocenie kuloodporności wielowarstwowych pakietów złożonych tkanin paraaramidowych Twaron CT709 podczas uderzenia pocisku Parabellum 9 x 19 mm z różnymi prędkościami. Przeprowadzono symulacje komputerowe uderzenia pocisku w pakiet balistyczny składający się z 8, 12, 16, 20 i 24 warstw dla zakresu prędkości uderzania 300-460 m/s, obejmującego klasy kuloodporności II-A, II i III-A. W wyniku przeprowadzenia badań uzyskano zweryfikowane eksperymentalnie modele materiałowe dla pocisku Parabellum 9 x 19 mm FMJ i tkaniny paraaramidowej Twaron CT709. Badania symulacyjne wielowarstwowych pakietów wykazały, że ich kuloodporność zależy od liczby warstw tkanin oraz prędkości uderzenia pocisku. Stwierdzono, że klasa kuloodporności II-A jest spełniona dla pakietu złożonego przynajmniej z 10 warstw tkaniny Twaron CT709. W przypadku klasy kuloodporności II, pakiet musi być złożony przynajmniej z 12 warstw, a w przypadku klasy kuloodporności III-A - przynajmniej z 16 warstw. Taka konfiguracja warstw dla poszczególnych klas kuloodporności zapewnia nieprzestrzelenie pakietu i maksymalną poprzeczną deformację mniejszą niż 44 mm.

EN

The selection of the appropriate number of layers of textile ballistic package, in order to meet the required safety criteria according to the accepted class of bulletproofness, is implemented mainly on the basis of experimental research in the ballistic tunnel using a normalised ballistic substrate. The paper presents an approach to the selection of the appropriate number of layers of the package by modelling the phenomenon of ballistic impact into the package by using the finite element method, which allows us to limit the scope of experimental research. In the research, the ballistic impact of the 9 x 19 mm FMJ Parabellum bullet consisting of a lead core and jacket into the multi-layer ballistic package submitted from a fabric of para-aramid Twaron CT709 was analysed by using the finite element method. In the first stage of the research, for the selection of model parameters of the bullet, the deformation was analysed and designated by simulation and experiment during the impact at different speeds in the non-deformable plate. In the next step, for the selection and verification of material parameters of paraaramid fabric Twaron CT709, determined by simulation at an impact speed of the bullet of 366 m/s, the height of the cone deformation of textile package and the residual velocity of the bullet after puncturing the package. The results of the research were verified with the published experimental results. The last stage of simulation research included the evaluation of bullet-proof multi-layer packages composed of para-aramid fabric Twaron CT709 during the impact of 9 x 19 mm Parabellum bullet at different speeds. The bullet impact into the ballistic package consisting of 8, 12, 16, 20, 24 layers, at the speed range of 300-460 m/s, including bullet-proofness class II-A, II, and III-A was carried out. The material models 9 x 19 mm Parabellum bullet FMJ and para-aramid fabric Twaron CT709 were verified with the results published in literature. The simulation research of multilayer packets have shown that the bulletproofness depends on the number of layers of fabric and the velocity of bullet impact. It has been found that the bullet-proofness class II-A is obtained for the package composed of at least 10 layers of Twaron CT709. In the case of bullet-proofness class II, the package must be composed of at least 12 layers but in the case of bullet-proofness class III-A, of at least 16 layers. Such a configuration of layers, for particular classes of bullet-proofness, provides nopenetration packages and maximum perpendicular deformation of less than 44 mm.

Słowa kluczowe

PL

tkanina paraaramidowa; pakiet balistyczny; modelowanie numeryczne; kuloodporność

EN

para-aramid textile; ballistic package; numerical modelling; bulletproofness

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Problemy Mechatroniki : uzbrojenie, lotnictwo, inżynieria bezpieczeństwa
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 7, Nr 1 (23)
• Strony: 43--59
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., il., tab., wykr.

Twórcy

autor

Dominiak J.

• Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź

autor

Stempień Z.

• Politechnika Łódzka, ul. Żeromskiego 116, 90-924 Łódź

Bibliografia

• [1] Stempień Zbigniew. 2009. „Strukturalna barierowość balistyczna tekstyliów”. Zeszyt Naukowy 1049. Łódź: Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej.
• [2] Witczak Elżbieta. 2011. Specjalistyczne osłony osobiste. Łódź.
• [3] Roylance David. 1973. „Wave propagation in a viscoelastic fiber subjected to transverse impact”. Journal of Applied Mechanics 40 Series E : 143-148.
• [4] Lim Chwee Teck, Shim Victor. 2002. “Finite-element modeling of the ballistic impact of the fabric armor”. International Journal of Impact Engineering 28 : 13-31.
• [5] Roylance David, Kwun-Lon Ting, Paul Chammas, Ho Chi, Scott Lawrence. 1993. Numerical modeling of fabric panel response to ballistic impact. In Proceeding of the 25th International SAMPE Technical Conference.
• [6] Bankenhorn Gunther, Karl Schweizerhof, Hermann Finckh. 2003. Improved numerical investigations of a projectile impact on a textile structure. In Proceedings of the 4th European Ls-Dyna Users Conference. Ulm (Germany).
• [7] Marechal Christophe, Bresson, Gregory Haugou. 2011. „Development of a numerical model Francois of the 9 mm Parabellum FMJ bullet including jacket failure”. Engineering Transactions 59 (4) : 263-272.
• [8] Barauskas Rimantas, Aušra Abraitienėb. 2007. „Computational analysis of impact of a bullet against the multilayer fabrics in LS-DYNA”. International Journal of Impact Engineering 34 : 1286-1305.
• [9] Tan Vincent, Xuesen Zeng, Victor Shim. 2008. „Characterization and constitutive modeling of aramid fibers at high strain rates”. International Journal of Impact Engineering 35 : 1303-1313.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.