авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Деформирование и разрушение слоистых тканевых пластин при локальном ударе

На правах рукописи

Долганина Наталья Юрьевна

ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ СЛОИСТЫХ ТКАНЕВЫХ

ПЛАСТИН ПРИ ЛОКАЛЬНОМ УДАРЕ

Специальность 01.02.06 – динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Челябинск – 2010

Работа выполнена на кафедре «Прикладная механика, динамика и прочность машин» Южно-Уральского государственного университета.

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Сапожников С.Б.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Аптуков В.Н.;

кандидат физико-математических наук, доцент Моссаковский П.А.

Ведущая организация – ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет» (г. Пермь).

Защита состоится «22» декабря 2010 г. в 15:00 часов, на заседании диссерта ционного совета Д212.298.02 Южно-Уральского государственного университета:

454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим на правлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, ЮУрГУ, Уче ный совет. Тел. (351) 267-91-23.

Автореферат разослан «16» ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, профессор Чернявский А.О.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Многослойная тканевая пластина при динамическом локальном нагружении как расчетная схема может соответствовать широкому спектру объектов – от корпусных элементов транспортных конструкций до средств индивидуального бронирования (СИБ или бронежилетов) различных уровней защиты. В ГОСТ Р 50744-95 представлено 10 уровней угрозы, которым соответствуют различные по конструкции СИБ: легкие (1 и 2 класса), представ ляющие собой слоистые тканевые пластины различной толщины, и комбиниро ванные (от 3 до 6а класса), в которых слоистая тканевая пластина усилена с лице вой стороны жесткими элементами из металла или керамики. Современные тен денции проектирования комбинированных СИБ высоких уровней защиты требу ют, чтобы металл или керамика пробивались, притупляя или разрушая сердечни ки пуль, снижали их скорость до уровня, соответствующего надежной работе тыльной тканевой пластины. Таким образом, тканевые пластины, как важный элемент конструкции, должны обеспечить одинаково допустимое травмирование тела человека в СИБ любых уровней защиты, которое при стандартных испыта ниях оценивают по деформации тканевой пластины – глубине следа в регистри рующей среде (техническом пластилине с определенными свойствами).

В легких классах СИБ грудная и спинная пластины содержат несколько де сятков слоев высокопрочных тканей различного переплетения (саржа, сатин, по лотно и др.). Нагружение тканевых пластин происходит инденторами (пулями, осколками), отличающимися формой (острый или притупленный носок), калиб ром, длиной, скоростью соударения, углом между вектором скорости и нормалью к поверхности, координатами точки удара и др. Все эти факторы могут сущест венно влиять на прочность тканевых пластин и уровень травмирования тела че ловека.

При локальном ударе в тканевой пластине возникают сложные физические явления: динамическое деформирование с распространением ударных волн, большие прогибы, образование и исчезновение множественных фрикционных контактов, вытягивание и разрушение нитей и др. Все это существенно затрудня ет теоретический анализ проблемы локального ударного взаимодействия ткане вой пластины с индентором. Поэтому в настоящее время при разработке новых конструкций многослойных тканевых пластин, отличающихся меньшей массой, высокой надежностью, опираются, в основном, на натурный многофакторный эксперимент, что приводит к удлинению сроков проектирования и увеличению стоимости этапа доводки (и изделия в целом), не позволяет выявить влияние раз личных факторов на прочность и уровень травмирования.

Однако интенсивное развитие вычислительной техники, появление суперком пьютеров в последние годы, делает возможным решение все более сложных задач динамики деформирования и разрушения многослойных тканевых пластин на ос нове уточненных расчетных моделей, эффективных численных методов и совре менных алгоритмов параллельных вычислений. Все это определяет актуаль ность данной работы, позволяя сместить центр тяжести исследований в область математического моделирования многослойных тканевых пластин, ускорения процесса анализа и отбора вариантов, оставив за экспериментом лишь этап фи нальной оценки полученного перспективного проекта.

Цель исследования заключается в разработке расчетных моделей много слойной тканевой пластины для численной оценки ее деформируемости и проч ности при динамическом локальном нагружении с использованием суперкомпь ютерных вычислений.

Научная новизна работы.

1. Впервые разработаны малопараметрические модели плоских тканевых структур, отличающиеся учетом характера переплетения нитей с возможностью образования фрикционных контактов и больших относительных смещений нитей.

2. Показана возможность использования модели ортотропной пластины с од ной точкой интегрирования по толщине, с малыми поперечно-сдвиговыми свой ствами для замены арамидной нити в составе плоской ткани и ее разрушения по критерию наибольшего растягивающего напряжения.

3. Показана возможность использования модели упругопластического тела с пределом текучести, зависящим от скорости нагружения для замены техническо го пластилина (регистрирующей среды, имитирующей реакцию тела человека на локальный удар).

4. Показана возможность замены реальной многослойной тканевой пластины эквивалентной пластиной с меньшим числом слоев при оценке ее прочности при локальном ударе, и предложены новые способы декомпозиции задачи при ее ре шении на многопроцессорных системах.

Достоверность результатов и выводов в работе обосновывается сопоставле нием численных результатов с известными теоретическими и с эксперименталь ными данными, применением апробированных численных методов и пакетов прикладных программ.

Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации модели и методы расчета деформируемости и прочности при локальном ударе тканевой пластины позволяют провести детальный анализ для выявления наиболее важных факторов, влияющих на эффективность защиты;

оперативно оценить величину баллистического предела тканевой пластины, и дать оценку уровня травмирова ния тела человека. Результаты исследований внедрены в практику работы ЗАО «ФОРТ Технология» (г. Москва), о чем имеется соответствующий акт.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуж дены на международных и всероссийских конференциях: 1-ой всероссийской конференции пользователей программы LS-DYNA (Снежинск, 2005), Finite ele ment modeling of textiles and textile composites (St.-Petersburg, 2007), Параллельные вычислительные технологии (Уфа, 2010), Инновационные направления в расче тах прочности с использованием суперкомпьютеров и грид-технологий (Кыш тым, 2010) и научно-технических конференциях Южно-Уральского государст венного университета (Челябинск, 2009 – 2010).

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундамен тальных исследований (проект 10–07–96007-р_УРАЛ_а).

Работа заняла 2-е место в конкурсе «Невозможное стало возможным: реаль ные приложения для HPC» 2010 г. Организаторы конкурса:  корпорация Intel и госкорпорация РОСНАНО.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 8 работах (2 из списка ВАК).

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 175 источников, приложений;

изло жена на 128 страницах машинописного текста;

содержит 49 рисунков, 16 таблиц.

В приложения включены вспомогательные материалы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ литературных источников, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям деформирования и разру шения слоистых тканевых пластин при локальном динамическом нагружении.

Аналитический фундамент механики одиночной нити при локальном попе речном ударе заложен известной монографией Х.А. Рахматулина и Ю.А. Демьянова [1]. Полученные в этой работе зависимости используются для                                                              Рахматулин, Х.А. Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках / Х.А. Рахматулин, Ю.А. Демьянов. – М.: ГИФМЛ, 1961. – 399 с.

верификации численных алгоритмов в ряде опубликованных работ. Однако ткань состоит из множества переплетенных нитей, механика деформирования и разру шения которых при локальном ударе существенно отлична от механики дефор мирования одиночной нити. Методам экспериментального и численного исследо вания динамического локального нагружения многослойных тканевых и компо зитных пластин различной структуры посвящены работы В.Н. Аптукова, В.Г. Бовы, В.А. Григоряна, И.В. Клепикова, Д.У. Лиминга, В.М. Маринина, Т.В. Морозовой, В.С. Свирида, Е.Ф. Харченко, В.А. Хромушина, R. Barauskas, F. Baudry, H. Broos, B. Broucke, D.S. Ivanov, S.V. Lomov, K. Schweizerhof, V.B.C. Tan., I. Verpoest, H. Xie.

В работах, посвященных экспериментальному исследованию, изучали свойст ва реальных многослойных пластин, составленных из одинаковых тканей сарже вого (отечественные разработки) или полотняного (зарубежные разработки) пе реплетений, при этом не рассмотрен вопрос об использовании тканей различного типа переплетения в структуре одной многослойной пластины;

не рассмотрено влияние размеров тканевых пластин на прочность и деформируемость.

Чисто аналитических моделей, описывающих процесс динамического взаи модействия индентора с многослойной тканевой пластиной с учетом разрушения нитей, на данный момент не существует и, очевидно, их получение невозможно из-за сложности физических явлений, происходящих в этом процессе.

В первых работах, посвященных численному исследованию взаимодействия слоистых тканевых пластин с инденторами, баллистические ткани заменяли мем браной, затем использовали сетки со связанными узлами. В этих численных мо делях невозможно было учесть контактное взаимодействие между нитями, их вы тягивание при локальном динамическом нагружении, которое вносит существен ный вклад в рассеяние энергии индентора (работы Е.Ф. Харченко с соавт.).

Для исследования поведения конструкций, имеющих тканую структуру, в ря де работ из ткани выделяют повторяющийся элемент, моделируют его с высокой степенью точности, изучают его осредненные («эффективные») свойства при различных видах нагружения, затем полученные свойства используют для расче та таких конструкций, заменяя ткань сплошной анизотропной «эффективной»

средой. Такой подход, применительно к расчету взаимодействия слоистых ткане вых пластин с индентором, неприемлем, т.к. в этом случае невозможен учет фрикционных контактов и разрыва отдельных нитей.

С развитием вычислительных возможностей ЭВМ в настоящее время можно моделировать ткань с точностью до отдельных нитей, учитывая форму попереч ного сечения, искривление нитей с помощью гладких кривых, используя метод конечных элементов (МКЭ) и объемные конечные элементы для расчета напря женно-деформированного состояния при заданных воздействиях. Однако такие модели тканей при реальных размерах СИБ порядка 30х30 см имеют чрезвычай но большую размерность (количество степеней свободы превышает 107), что не позволяет рассчитывать тканевые пластины с немногими слоями ткани даже с использованием современных суперкомпьютеров. Более того, необходимы зна чительные затраты времени на моделирование таких структур. Материал нитей в моделях используется сильно анизотропный, с низкими значениями поперечно сдвиговых жесткостей, однако даже при малых модулях сдвига невозможно по лучить проскальзывание нитей с сухим трением по контактам, возможна потеря точности расчетов для сильно анизотропных материалов. В некоторых работах линзообразное поперечное сечение отдельной нити (рис. 1) моделируется не сколькими оболочечными элементами с различными толщинами. Оболочечные элементы с различными толщинами имеют разрыв в соответствующих граничных условиях, поэтому затруднена формулировка условий контакта нитей.

Рис. 1. Продольное сечение ткани полотняного переплетения Имеются работы, где область вблизи контакта индентора с многослойной тканевой пластиной моделируют весьма детально, а края заменяют сплошной анизотропной средой с конечными элементами большого размера. Такой подход помогает сэкономить машинные ресурсы, дает возможность рассчитывать де формирование пластин больших размеров с несколькими слоями ткани, но полу ченные результаты не могут считаться надежными. При использовании в одной модели конечных элементов различных размеров и типа, ударный импульс в мо дели на границе областей изменяет характер распространения, наблюдается дис персия волнового фронта, меняются условия отражения ударных волн от свобод ных границ, отсутствует возможность свободного вытягивания нитей, что не со ответствует действительности и приводит к получению недостоверных результа тов при расчетах для больших временных масштабов.

Реальный бронежилет 2-го класса по ГОСТ Р 50744-95 состоит из нескольких десятков слоев (от 60 до 90 слоев) арамидной ткани. Для ткани полотняного пе реплетения количество точек контакта нитей утка и основы в таком СИБ состав ляет более 400 тыс. в одном слое. Для всего бронежилета (например, 65 слоев) количество контактов возрастает до 25 млн. Здесь не учитывали контакты между слоями в процессе ударного взаимодействия. По приближенным оценкам общее число контактов может достичь 40 млн., поэтому для решения таких задач необ ходимо использовать суперкомпьютеры. Обычные, даже весьма мощные персо нальные ЭВМ не могут в принципе решать подобные задачи.

Следует также заметить, что прежде чем приступать к изучению работы тка невых пластин необходимо знать механические свойства нитей в тканях. В лите ратуре существуют противоречивые данные по механическим свойствам арамид ных нитей. В материалах производителей механические свойства, как правило, завышены. То же можно сказать и по поводу регистрирующей прогибы среды – технического пластилина (имеются лишь качественные рекомендации в соответ ствующих стандартах).

На основе обзора и анализа литературных источников сформулированы сле дующие задачи исследования:

1. Определить механические характеристики арамидных нитей многослойных тканевых пластин и регистрирующей среды (технического пластилина).

2. Разработать малопараметрические модели тканевых структур.

3. Провести экспериментальные и расчетные исследования деформируемости и прочности тканевых пластин различной структуры при интенсивном локальном нагружении с применением суперкомпьютерных технологий.

4. Дать оценку эффективности использования разработанных численных мо делей и методов декомпозиции тканевых пластин, выработать рекомендации для практики.

Во второй главе приведены методики определения механических характери стик арамидных нитей Русар® номинальной линейной плотности 58,8 текс (58,8 г/км) многослойных тканевых пластин и регистрирующей среды (техниче ского пластилина).

Механические свойства (модуль упругости и предел прочности) арамидных нитей Русар® номинальной линейной плотности 58,8 текс были определены на универсальной испытательной машине Instron 5882. Концы нити наматывали на неподвижные ролики радиусом r = 1,5 см, которые вставляли в захваты испыта тельной машины. Область контакта нити с роликом склеивали цианоакрилатным клеем, чтобы избежать проскальзывания. Длина свободной нити составляла 5 см, скорость растяжения 100 мм/мин. В результате были построены графики зависи мости нагрузки от удлинения нити, определен модуль упругости Е и предел прочности В: Е = 140 ± 5 ГПа, В = 3,0 ± 0,16 ГПа. Электронная микроскопия во локон нитей после разрушения показала, что прочные нити имели округлые «оп лавленные» концы, а слабые – расслоенные. Прочность более темных нитей была в среднем на 10% ниже прочности светлых нитей.

Модуль упругости регистрирующей среды (технического пластилина) был определен из испытаний на квазистатическое сжатие цилиндрических образцов (диаметр 20 мм, высота 40 мм) на машине INSTRON 5882 со скоростями нагру жения 5, 50, 250 и 500 мм/мин. Обработка начальных участков кривых деформи рования дала значение Е = 0,7 ± 0,1 МПа. Плотность пластилина 1800 кг/м3.

Для определения зависимости предела текучести от скорости деформирования был поставлен эксперимент на низкоскоростной удар. Цилиндрический образец из пластилина, соединенный соосно со стальным грузом – цилиндром, бросали с разных высот H = 0,5 – 2 м на жесткое неподвижное основание. После удара была измерена остаточная длина образца. Скорость соударения V0 была определена из равенства потенциальной и кинетической энергий (тепловые эффекты были не значительными) mgH=mV02/2, где g – ускорение свободного падения, м/с2;

m – масса груза и образца, кг.

Движение цилиндра (груза) считали равнозамедленным. С учетом введенных допущений среднюю скорость деформации образца из пластилина можно опре l 1 l V0 V = 0, где l – начальная длина пла = & делить по зависимости: l 2l 2l lt стилинового цилиндра, м;

t – время соударения, с.

Так как в пластилиновом образце при ударе возникают большие пластические деформации, то для определения предела текучести упругим участком диаграм мы деформирования пренебрегали (материал – жестко-пластический). Предел те кучести можно найти из равенства потенциальной энергии работе внутренних сил: mgH=ТlS, где Т – предел текучести;

S – площадь поперечного сечения ци линдра из пластилина.

По полученным в эксперименте значениям предела текучести Т была по строена степенная функция зависимости Т (МПа) от скорости деформирования (1/с) с показателем меньше единицы T ( ) 0,94( ). Температура пласти & 0, & & лина при испытаниях была 21±1°С.

В третьей главе приведена методика моделирования тканевых пластин и технического пластилина при локальном ударе.

В первой части приведена геометрическая сторона моделирования тканевых пластин. В работе рассмотрены ткани полотняного, саржевого и сатинового пе реплетений (рис. 2).

б) в) а) Рис. 2. Схемы переплетения: а) полотняное;

б) саржевое;

в) сатиновое Для того чтобы снизить размерность задачи локального динамического на гружения пластины, состоящей из нескольких слоев ткани реальных размеров порядка 30х30 см, геометрия нитей была предельно упрощена. Криволинейная ось нити была заменена ломаной, с прямолинейными горизонтальными участка ми и наклонными (340 к горизонтальному участку нити). Нити моделировали оболочечными элементами Белычко-Вонга-Чанга (тип 10). Повторяющиеся эле менты тканей показаны на рис. 3, где отмечены номера ключевых точек, коорди наты которых были введены в программу ANSYS, после чего по ключевым точ кам были заданы соответствующие поверхности. Далее набор поверхностей был размножен до получения необходимых размеров модели.

Для решения задачи динамического взаимодействия тканевой пластины и же сткого индентора с помощью пакета программ LS-DYNA геометрия и сетка ко нечных элементов (k-файл) были созданы в пакете ANSYS с последующей кор рекцией.

Во второй части рассмотрена физическая сторона моделирования тканевых пластин, технического пластилина и индентора. Реальная арамидная нить Русар® номинальной линейной плотности 58,8 текс состоит из 100 – 120 элементарных волокон диаметром 12 – 15 мкм, которые имеют крутку 100 м-1 (зарубежные ни ти, как правило, некрученые). Для материала нити наиболее близкой является модель ортотропного упругого тела, в которой высокая жесткость имеет место в продольном направлении нити и на несколько порядков меньшая в поперечном и сдвиговом направлениях. Нити моделировали оболочечными элементами с одной точкой интегрирования по толщине.

а) б) в) а) полотняное, б) саржевое, в) сатиновое переплетения.

Рис. 3. Повторяющийся элемент Принято, что разрушение нити происходит при достижении в ней величины первого главного напряжения 1 = 3 ГПа. Эта величина соответствует средней прочности исследованных арамидных нитей.

Из списка материалов, заложенных в пакет программ LS-DYNA, для нитей был выбран *MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE, который позволяет задать ортотропные механические свойства нитей и учесть их разрушение.

В конечно-элементной модели ткани нити имеют относительную свободу пе ремещения с возможностью вытягивания с учетом сухого трения. Контакт объек тов моделировали командой *CONTACT_ AUTOMATIC_ SURFACE_TO_ SURFACE с коэффициентом трения 0,4.

Материал технического пластилина считали упругопластическим с зависимо стью предела текучести от скорости деформирования. Из списка материалов, за ложенных в библиотеку пакета LS-DYNA, для технического пластилина был вы бран *MAT_STRAIN_RATE_DEPENDENT_PLASTICITY, который позволяет учесть зависимость предела текучести от скорости деформирования в табличном виде.

Стальной индентор при взаимодействии с тканевой пластиной при скоростях до 600 м/с не разрушается и не имеет пластических деформаций, поэтому для со кращения времени расчетов для него был выбран материал *MAT_RIGID (жест кое тело) с плотностью = 7800 кг/м3 и модулем упругости Е = 2,1·1011 Па.

В третьей части для выбора размера конечного элемента и верификации мо дели нити, как элемента ткани, с помощью МКЭ (LS-DYNA) были решены две классические задачи Х.А. Рахматулина: незакрепленная, прямая длинная гибкая нить нагружается а) в точке (рис. 4), б) телом округлой формы с постоянной ско ростью, для которых имеются теоретические решения.

Рис. 4. Задача Х.А. Рахматулина (точечный удар) Скорость нагружения V0 = 445 м/с;

модуль упругости нити Еx = 1,4·1011 Па, ко эффициент Пуассона равен xy = 0,3;

плотность нити = 1440 кг/м3. Нить длиной 0,3 м шириной 500 мкм и толщиной 100 мкм была разбита на оболочечные ко нечные элементы с одной точкой интегрирования по толщине. Размер конечного элемента равен 500 мкм. Для обеспечения устойчивого решения было принято задать модули упругости материала нити в поперечном и сдвиговом направлени ях на три порядка меньше модуля упругости в продольном направлении, коэф фициенты Пуассона zx, zy были вычислены из соотношений теории ортотропной упругости.

При ударе по нити в точке постоянной скоростью первое главное напряжение в нити возрастает до определенной величины и остается постоянным, пока волна Римана не дойдет до конца нити и вернется, разгрузив нить. Сравнение результа тов решения МКЭ с решением Х.А. Рахматулина показало, что различие полу ченных напряжений, времени, за которое волна Римана дойдет до конца нити и вернется t, угла наклона (рис.4) не превышает 1% и обусловлено конечностью размеров элементов.

При ударе по нити цилиндром диаметром d = 7 мм, массой m = 1 кг (на три порядка больше массы нити) в процессе первоначального контакта (t 5 мкс) на пряжения в нити под цилиндром резко возрастали, превысив на 25% напряжения при точечном нагружении нити, затем напряжения снижались и становились рав ными напряжениям при точечном нагружении нити. Рост напряжений был связан с явлением сверхзвукового удара, что подтверждается теоретическим анализом Х.А. Рахматулина.

Был рассмотрен также численный пример точечного удара с постоянной ско ростью по искривленной нити с выпуклой стороны (радиус кривизны нити r = 25 см). Получено, что в начальный момент времени напряжения равны на пряжениям в прямой нити, а затем напряжения начинают монотонно снижаться.

В четвертой главе приведены экспериментальные и расчетные исследования динамического взаимодействия тканевых пластин различных конструкций с ин денторами. Расчеты проводились на персональном компьютере и высокопроиз водительном кластере «СКИФ Урал».

В первой части рассмотрено динамическое взаимодействие индентора с од ним слоем ткани различных размеров (5х5, 10х10, 20х20, 30х30 см) и типов пере плетения нитей (полотняное, саржевое, сатиновое). Индентор массой 5,5 г диа метром 7 мм имел форму цилиндра с полусферическим основанием, начальная скорость равна 445 м/с (имитация пули пистолета ТТ). Было принято, что нити не разрушаются, удар проводили в центр ткани под прямым углом к поверхности ткани. Края ткани не были закреплены. Расчет динамики деформирования ткани был проведен до времени t = 60 мкс, за которое волна Римана дойдет от центра ткани до края и вернется назад.

Получено, что наименьшие напряжения возникают в тканях сатинового пере плетения, а также, что напряжения в нитях тканей размером 5х5 см любого типа переплетения не превышают величину предела прочности (рис. 5).

Во второй части было рассмотрено динамическое взаимодействие одного слоя ткани размером 30х30 см сатинового переплетения с индентором, имити рующим пулю пистолета ТТ и ударяющим в центр ткани под углами 0 – 60 гра дусов к нормали поверхности ткани (нити не разрушаются), а также при ударе в удаленную от центра зону (51 мм от краев) под прямым углом к поверхности ткани.

Были получены зависимости первых главных напряжений во времени от па раметров удара. Показано, что наиболее опасным случаем является удар в центр под углом 30°. Это косвенно подтверждается присутствием в стандарте США (NIJ 0101-06 баллистическая стойкость бронежилетов) такого вида испытаний.

В третьей части было рассмотрено динамическое взаимодействие индентора с одним слоем ткани при условиях, описанных в первой части четвертой главы, за исключением того, что нити могли разрушаться.

Размер ткани 5х5 см Размер ткани 30х30 см Полотняное переплетение, уток;

полотняное переплетение, основа;

саржевое переплетение, уток;

саржевое переплетение, основа;

сатиновое переплетение, уток;

сатиновое переплетение, основа.

Рис. 5. Зависимости первых главных напряжений в нитях от времени В расчетах рассматривали потерю скорости индентора при пробое одного слоя ткани. Критерием эффективности тканевой пластины, очевидно, является отношение изменения скорости индентора V к массе пластины M: k = V/M.

Получено, что ткани любого переплетения размером 5х5 см не пробиваются (рис. 6 а, б). Ткани размером больше, чем 5х5 см саржевого и полотняного пере плетений пробиваются (рис. 6 в, г), причем потеря скорости в случае саржевого переплетения выше, чем в случае полотняного на 1…22% в зависимости от раз мера ткани.

В четвертой части было рассмотрено расчетное и экспериментальное дина мическое взаимодействие индентора и тканевых пластин, состоящих из 1 – 5 сло ев ткани размером 10х10 см с возможностью разрушения нитей, расположенных на пластилиновом основании размером 10х10х5 см (рис. 7). Размер пакета был выбран из условия использования в расчетах персонального компьютера.

б) а) в) г) Рис. 6. Расчетные и экспериментальные картины деформирования и пробоя одно го слоя ткани полотняного переплетения: а) расчет, ткань 5х5 см;

б) эксперимент, ткань 5х5 см;

в) расчет, ткань 30х30 см;

г) эксперимент, ткань 30х30 см Индентор имел сферическую форму диаметром 4,5 мм и массой 0,5 г. Вы стрелы производились из пневматического пистолета ИЖ-53 в центр пластины под прямым углом. Скорость индентора составляла 100 ± 5 м/с, ее измеряли хро нографом S044 с погрешностью 1 м/с. По каждой пластине было сделано не ме нее 3-х выстрелов. После каждого выстрела были проведены измерения глубины отпечатка, оставленного пластиной на основании из пластилина.

Показано, что форма и размеры вмятин, полученные расчетом, хорошо согла суются с экспериментальными данными. Различие расчетных и эксперименталь ных глубин вмятин не превышает 4%.

В пятой части были проведены расчеты динамики удара на высокопроизво дительном вычислительном кластере «СКИФ Урал», оснащенном 166 вычисли тельными узлами с 2 процессорами Intel Xeon E5472 (4 ядра с частотой 3.0 ГГц) и 8 ГБ оперативной памяти на каждом узле. Кластер установлен в суперкомпью терном центре ЮУрГУ.

б) а) г) в) Рис. 7. Картины расчетного и экспериментального деформирования двух слоев ткани размером 10х10 см полотняного переплетения, расположенных на пласти линовом основании: а) – расчет, ткань;

б) – эксперимент, ткань;

в) – расчет, пла стилиновое основание;

г) – эксперимент, пластилиновое основание На примере задачи удара по пластине из 5 слоев ткани размером 5х5 см по лотняного переплетения индентором, имитирующим пулю пистолета ТТ со ско ростью 445 м/с, были рассмотрены три различных способа декомпозиции модели на шестнадцати процессорных ядрах (нити могли разрушаться). В первом случае модель была разбита на прямоугольные области, проходящие через всю толщину пластины;

во втором – на полосы, расположенные вдоль одной из сторон пласти ны и также проходящие через всю толщину пластины;

в третьем случае – деком позиция была проведена также на полосы, расположенные вдоль одной из сторон пластины, при этом каждую полосу разбивали еще и по толщине пластины.

Было получено, что время расчета при использовании 1-го и 2-го способов декомпозиции одинаково, а для 3-го в 2,5 раза больше, чем в первых двух. Это объясняется тем, что контакт между слоями обрабатывается на разных ядрах, что повышает межпроцессорные обмены и увеличивает время расчета. В результате все дальнейшие расчеты были проведены с использованием 1-го способа деком позиции.

В шестой части были рассмотрены 4 типа тканевых пластин полотняного пе реплетения из одного и пяти слоев ткани размером 5х5 см, а также размером 30х30 см (нити могли разрушаться), скорость индентора 445 м/с (имитация пули пистолета ТТ). Расчеты были проведены с использованием одного, двух, четырех и восьми ядер с узла вычислительного кластера «СКИФ Урал». Показано сравне ние ускорений при расчете с использованием одного, двух, четырех и восьми ядер с узла вычислительного кластера «СКИФ Урал». Было получено, что наи лучшая масштабируемость получается при использовании четырех ядер с узла.

Время расчета при использовании 4-х ядер с узла в среднем на 20% меньше по сравнению со временем расчета при использовании 1, 2, 8 ядер с узла.

Для пластин больших размеров (30х30 см) хорошая масштабируемость по сравнению с пластинами небольших размеров (5х5 см) объясняется тем, что на один процессор приходится больший объем материала и, соответственно, мень шие межпроцессорные обмены в зоне контакта индентора с тканевой пластиной, где происходит разрушение и вытягивание нитей.

В седьмой части в качестве объектов исследованы тканевые пластины, со стоящие из 10 слоев ткани сатинового переплетения размером 30х30 см. Инден тор имел сферическую форму диаметром 8 мм, массой 2 г. В расчетах были зада ны начальные скорости V0 и определены остаточные скорости Vr после пробоя.

Для описания характеристической кривой Vr – V0 предложена новая зависи мость с двумя свободными параметрами: баллистический предел V50 (скорость пробоя с вероятностью 50%) и коэффициент чувствительности k:

0, если V0 V50 ;

Vr = V0 { exp[ k (V0 V50 )]}, если V0 V50.

(1) Эта зависимость имеет физическое обоснование, которое заключается в том, что при стремлении V0 к бесконечности остаточная скорость индентора Vr стре мится к V0, т.к. тканевая пластина разрушается путем разрыва нитей, без образо вания осколков. Параметры в выражении (1) определяли по экспериментальным данным (до 10 опытов) методом наименьших квадратов.

В этих расчетах для экономии машинных ресурсов предложена концепция замены многослойной тканевой пластины (10 слоев) на эквивалентную по массе двух- или трехслойную пластину (рис. 8).

Модельные слои имели увеличенную, по сравнению с реальными, толщину (и массу) нитей. Как и ранее, слои моделировали набором нитей соответствующего ти Рис. 8. Замена многослойной пластины эквива- па переплетения (сатин).

лентной по массе двухслойной пластиной Проведены эксперименты по определению характери стической кривой на лабораторном баллистическом стенде (рис. 9, обстрел стальными шариками диаметром 8 мм, массой 2 г в диапазоне скоростей 200 – 600 м/с, с замером остаточной скорости).

Рис. 9. Зависимость остаточной скорости индентора от начальной при пробое 10 слоев ткани сатинового переплетения размером 30х30 см. Точками отмечены экспериментальные и расчетные данные: – эксперимент;

– расчет На рис. 10 показана картина пробоя двух эквивалентных слоев ткани разме ром 30х30 см сатинового переплетения. Различие расчетных и эксперименталь ных данных баллистического предела и остаточных скоростей для всех случаев не превысило 4%. Замена многослойной пластины (10 слоев) на эквивалентную по массе однослойную пластину дает большее расхождение с эксперименталь ными данными (15%), а замена на трехслойную эквивалентную пластину дает ре зультаты близкие к результатам для двухслойной эквивалентной пластины.

В восьмой части разработаны рекомендации для практики. На кластере «СКИФ Урал» были проведены расчеты четырех различных тканевых пластин размером 30х30 см с удельной массой 10 кг/м2, расположенных на основании из технического пластилина. Скорость индентора 445 м/с (имитация пули пистолета ТТ). Реальная многослойная пластина была заменена пятью эквивалентными по массе слоями. В первом случае была рассмотрена пластина, состоящая только из тканей полотняного переплетения. Во втором – из тканей саржевого переплете ния. Третья пластина имела 1/3 наружных слоев полотняного переплетения, 1/ средних слоев саржевого и 1/3 нижних слоев сатинового переплетений. Четвертая пластина имела 1/3 наружных слоев сатинового переплетения, 1/3 средних слоев саржевого и 1/3 нижних слоев полотняного переплетений. Было проведено изме рение глубины вмятины, оставленной четырьмя различными пластинами, в осно вании из технического пластилина. Минимальный размер вмятины получается при использовании 4-го типа пластины. Затем был проведен расчет пятой пла стины (аналог четвертой), в которой 1/3 верхних слоев сатинового переплетения располагались с зазором 5 мм выше остальных слоев. Было получено, что глуби на вмятины меньше на 20%, чем при использовании этого же пакета без зазора.

Общая рекомендация тако ва: для эффективной работы многослойной тканевой пла стины необходимо использо вать градиентные структуры.

В них верхние слои должны иметь меньшую искривлен ность нитей (например, сатин), напряжения в нитях тканей та кого переплетения меньше, Рис. 10. Картина пробоя двух эквивалентных чем в тканях с саржевым и по слоев ткани размером 30х30 см сатинового лотняным переплетениями;

переплетения коэффициент трения в верхних слоях должен быть снижен, чтобы уменьшить влияние на прочность нитей сверх звукового удара в начальной фазе контакта с индентором;

тыльные слои должны быть выполнены из тканей с максимальной искривленностью нитей, например, с полотняным переплетением и высоким коэффициентом трения между нитями, чтобы увеличить энергию на вытягивание нитей;

между наружными и тыльными слоями многослойной тканевой пластины рационально выполнить зазор, чтобы дополнительно снизить скорость индентора за счет потерь на трение при вытяги вании нитей в наружных слоях.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Определены механические характеристики арамидных нитей Русар® номи нальной линейной плотности 58,8 текс и регистрирующей среды (технического пластилина). Получено, что нить ведет себя упруго вплоть до разрушения с мо дулем упругости Е = 140 ± 5 ГПа и пределом прочности В = 3,0 ± 0,16 ГПа. Экс периментальные исследования показали, что материал технического пластилина является упругопластическим с зависимостью предела текучести от скорости де формирования. Модуль упругости технического пластилина Е = 0,7 ± 0,1 МПа, плотность 1800 кг/м3, зависимость предела текучести Т (МПа) от скорости деформирования имеет вид T ( ) 0,94( ).

& 0, & & 2. Впервые разработаны малопараметрические модели тканевых структур, по зволившие построить простейшую адекватную модель ткани с плоским перепле тением (полотно, саржа, сатин).

3. В пакете программ LS-DYNA впервые получено решение задачи динамиче ского деформирования и разрушения одного слоя ткани полотняного, саржевого и сатинового переплетений размерами 5х5, 10х10, 20х20, 30х30 см. Индентор имел скорость 445 м/с. При исследовании ударного нагружения тканей без учета разрушения нитей получено, что темп роста первых главных напряжений зависит от характера переплетения нитей, а также размера ткани (больше размер – выше уровень напряжений в ней).

При исследовании ударного нагружения тканей с учетом разрушения нитей получено, что ткани размером 5х5 см не пробиваются. Ткани размером больше, чем 5х5 см саржевого и полотняного переплетений пробиваются, причем потеря скорости в случае саржевого переплетения выше, чем в случае полотняного на 1…22% в зависимости от размера ткани. Потеря скорости в случае тканей с сати новым переплетением во всех случаях ниже, т.к. индентор раздвигает нити.

4. Рассмотрены несколько случаев динамического нагружения индентором одного слоя ткани сатинового переплетения размером 30х30 см под разными уг лами к нормали поверхности ткани. Самым опасным оказался случай в 30° к нормали, но если снизить до нуля коэффициент трения между тканью и инденто ром, то самым опасным будет случай нагружения по нормали.

5. Моделирование процессов динамического нагружения многослойных пла стин реальных размеров (30х30 см) с использованием технологии параллельных вычислений (это задачи с множественными контактами) показало, что увеличе ние количества ядер не влечет за собой такое же уменьшение времени расчета (нелинейная масштабируемость). С определенного момента дальнейшее увеличе ние количества ядер дает минимальный выигрыш во времени счета, а последую щее наращивание количества ядер приводит уже к увеличению времени расчета (увеличивается количество межпроцессорных обменов). В результате проведен ных исследований по масштабируемости, было получено, что декомпозицию объектов необходимо обеспечивать таким образом, чтобы контактные зоны при ходились на минимальное количество ядер, назначать минимально возможное количество контактирующих объектов.

6. Для более эффективного использования компьютерных ресурсов впервые была предложена концепция замены группы слоев в многослойной тканевой пла стине эквивалентной по массе двух- или трехслойной пластиной, в которой слои имеют возможность разрушения.

7. Для описания характеристической кривой «скорость удара V0 – остаточная скорость Vr» предложена новая зависимость с двумя свободными параметрами:

баллистический предел V50 и коэффициент чувствительности k. Численные и экс периментальные данные при определении баллистического предела хорошо со гласуются между собой (разница не превышает 4% для всех рассмотренных слу чаев).

8. При разработке новых более эффективных по массе моногослойных ткане вых пластин необходимо использовать градиентные структуры: в верхних слоях нити должны быть минимально искривлены, т.к. напряжения в более прямых ни тях ниже, чем в более искривленных;

коэффициент трения в верхних слоях дол жен быть снижен, чтобы уменьшить влияние сверхзвукового удара;

тыльные слои должны быть выполнены из тканей с сильно искривленными нитями и вы соким коэффициентом трения, чтобы увеличить энергию на вытягивание нитей;

между наружными и тыльными слоями многослойных тканевых пластин нужно сделать зазор, чтобы снизить скорость индентора за счет вытягивания нитей в на ружных слоях.

Публикации по теме диссертации Статьи, опубликованные в научных журналах из Перечня ВАК 1. Долганина, Н.Ю. Оценка баллистического предела и прогиба многослой ных тканевых пластин при ударе индентором / Н.Ю. Долганина // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». – 2010. – Вып. 15. – № 10(186). – C. 17–23.

2. Долганина, Н.Ю. Моделирование ударных процессов в тканевых броне жилетах и теле человека на вычислительном кластере «СКИФ Урал» / Н.Ю. Долганина, С.Б. Сапожников, А.А. Маричева // Вычислительные методы и программирование: Новые вычислительные технологии. – 2010. – Т. 11. – C. 117– 126.

Другие публикации 3. Долганина, Н.Ю. Оценка баллистического предела тканевых бронепакетов и тупой травмы тела человека / Н.Ю. Долганина // Компьютерный инженерный анализ: материалы 4-й Российской научно-технической конференции. – Екате ринбург: УГТУ-УПИ, 2008. – С. 48–49.

4. Sapozhnikov, S.B. Improved methodology for ballistic limit and blunt trauma estimation for use with hybrid metal/textile body armor / S.B. Sapozhnikov, M.V. Forental, N.Yu. Dolganina // Proceeding of conference “Finite element modelling of textiles and textile composites”. St-Petersburg, 2007. – 1 электрон. опт. диск (СD-ROM).

5. Долганина, Н.Ю. Влияние типа переплетения нитей на прочность тканей при локальном ударе / Н.Ю. Долганина, С.Б. Сапожников // Зимняя школа по ме ханике сплошных сред (четырнадцатая). Тезисы докладов. – Екатеринбург:

УрО РАН, 2005. С. 102.

6. Сапожников, С.Б. Моделирование динамики взаимодействия ударника и многослойного тканевого пакета / С.Б. Сапожников, Н.Ю. Долганина, С.А. Сахаров // Вопросы оборонной техники. Серия «Композиционные и неме таллические материалы в машиностроении». 2005. Вып. 3(140)–4(141).

С. 3841.

7. Долганина, Н.Ю. Численное и экспериментальное исследование динами ческого взаимодействия ударника и многослойного тканевого пакета на упруго вязко-пластическом основании / Н.Ю. Долганина, С.Б. Сапожников // Вестник УГТУ-УПИ. Компьютерный инженерный анализ. 2005. № 11(63) С. 9197.

8. Долганина, Н.Ю. Связь динамической прочности арамидных тканей с ис кривлением нитей в них / Н.Ю. Долганина, С.Б. Сапожников // Наука и техноло гии: тр. XXV Российской школы и XXXV Уральского семинара, посвященных 60-летию Победы. – М.: РАН, 2005. С. 103110.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.