Symulacja numeryczna przebijania odłamkiem osłony balistycznej wykonanej z kompozytu

• Autorzy: Niezgoda T. , Kosiuczenko K. , Barnat W. , Panowicz R.

Warianty tytułu

EN

Numerical simulation of piercing by fragment through the ballistic shields made of composite materials

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Problematyka odporności na uderzenie pociskiem jest szczegółowo omawiana w wielu artykułach i dokumentach standaryzacyjnych traktujących o obiektach kuloodpornych. Doświadczenia wielu konfliktów zbrojnych dowodzą, że rzeczywiste zagrożenia wiążą się w większym stopniu z odłamkami niż z nieuszkodzonymi pociskami (kulami). Statystycznie częściej obiekt jest niszczony wskutek uderzenia samych odłamków. W przedstawionej pracy opisano wyniki symulacji numerycznej przebijania odłamkiem pocisku kalibru .22 osłony balistycznej wykonanej z kompozytu. Kształt odłamka przyjęto na podstawie amerykańskiej normy obronnej MIL-DTL-46593B. Odłamek testowy wykonywany jest w procesie walcowania na zimno ze stali 4337H lub 4340H charakteryzującej się twardością, wynoszącą około 30 jednostek skali Rockwella. Masa odłamka wynosi 17 grains (1,14g). Osłonę balistyczną, w którą uderzał odłamek, stanowiła prostokątna tarcza wykonana z kompozytu epoksydowego. Próbę przeprowadzono zgodnie z warunkami testu balistycznego odłamkoodporności V50 zawartego w standardzie MIL-STD-662F. Do przeprowadzenia symulacji wykorzystano metodę elementów skończonych (MES) zaimplementowaną w programie LS-Dyna. Obliczenia numeryczne wykonano w opcji explicite na wieloprocesorowym klasterze obliczeniowym. Niezbędne do budowy modelu dane materiałowe zaczerpnięto z literatury. W wyniku symulacji numerycznej uzyskano między innymi mapy i wykresy naprężeń, odkształceń oraz energii, które poddano dalszej szczegółowej analizie. Na ich podstawie przeprowadzono ocenę i korektę modelu MES. Uzyskany w ten sposób model umożliwił przeprowadzenie obserwacji przebiegu przebijania osłony balistycznej oraz zachowania się odłamka po napotkaniu przeszkody. Obserwacje te są niezbędne w procesie projektowania nowoczesnych struktur ochronnych, gdyż umożliwiają prowadzenie badań bez ponoszenia nadmiernych kosztów finansowych, generowanych przez eksperymenty laboratoryjne.

EN

The issue of missile impact resistance is discussed in detail in many articles and standard papers dealing with body armor. The experience from many armed conflicts, however, may be proof that the real risks are related to a greater degree to fragments than those of bullets. It can be shown that the more often the object is destroyed as a result high-velocity impact of fragments. The paper describes the results of numerical simulations of .22 caliber bullet shrapnel piercing ballistic shields made of composite materials. The shape of the fragment is based on the American the defense standard MIL-DTL-46593B. The fragment tested is made through the process of cold rolling steel 4337H or 4340H characterized by hardness of about 30 units on the Rockwell scale. The mass of the fragment is 17 grains (1.14 g). The ballistic shield, that was hit by fragmentation, was a rectangular plate made of a Kevlar composite and, in another variant, an epoxy composite. The test was conducted in accordance with the terms of ballistic fragmentation resistance test V50 contained in standard MIL-STD-662F. In undertaking the simulation was used the Finite Element Method (FEM) which is implemented in LS-Dyna programme. The numerical calculations were performed in the explicit option on a multiprocessor computational cluster . The necessary information to build a model like materials' properties is taken from extensive literature. The numerical simulation resulted in, inter alia, maps and diagrams of stress, strain and energy, which were treated to further detailed analysis. On this basis of an evaluation was carried out and correction made to the FEA model. The resulting model has enabled an observation of the penetration of the ballistic shield and the ballistic behavior of the fragment when it contacts with obstacle. These observations are essential in the design of modern protective structures and undertaking research without incurring excessive financial costs generated by laboratory experiments.

Słowa kluczowe

PL

osłona balistyczna; materiał kompozytowy; kuloodporność; przebijanie; symulacja numeryczna

EN

ballistic shield; composite material; bullet resistance; piercing; numerical simulation

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej. Oddział Gliwice
• Czasopismo: Modelowanie Inżynierskie
• Rocznik: 2011
• Tom: T. 11, nr 42
• Strony: 295--302
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz.

Twórcy

autor

Niezgoda T.

autor

Kosiuczenko K.

autor

Barnat W.

autor

Panowicz R.

• Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Wojskowa Akademia Techniczna,

Bibliografia

• 1. Praca zbiorowa: MIL-STD-662F V50 Ballistic test for armor, 1987.
• 2. Praca zbiorowa: NU Standard - 0101.03 Bullet resistance of personal body armor, National Institute of Justice, 1987.
• 3. Praca zbiorowa: NIJ Standard - 0101.04 Bullet resistance of personal body armor. National Institute of Justice, 1987.
• 4. Praca zbiorowa: PN-V-87000 Osłony balistyczne lekkie. Kamizelki kulo-i odłamkoodporne. Wymagania ogólne i badania. Warszawa: PKN, 1999.
• 5. Praca zbiorowa: MIL-DTL-46593B (MR). Department of Defense USA, 2006.
• 6. Praca zbiorowa: LS-DYNA keywords user's manual, Livermore, Livermore Corp., 2007.
• 7. Praca zbiorowa: LS-DYNA theory manual. Livermore, Livermore Corp., 2006.
• 8. Bazle A. Gama, Jia-Run Xiao: Experimental and numerical investigations on damage and delamination in thick plain weave S-2 glass composites under quasi-static punch shear loading. Center for Composite Materials University of Delaware, Newark, 2004.
• 9. Thama C, Tan V., Lee H.: Ballistic impact of a KEVLARs helmet: experiment and simulations. „International Journal of Impact Engineering” 2008, 5, p..304-318.
• 10. Praca zbiorowa: User's manual for Ls-Dyna Mat162 unidirectional and plain weave composite progressive failure models. Center for Composite Materials University of Delaware, Newark, 2005.