EKSPERYMENTALNO - NUMERYCZNA ANALIZA KSZTAŁTOWANIA ODPORNOŚCI BALISTYCZNEJ SAMOCHODU SPECJALNEGO

Transkrypt

1 prof. dr hab. inŝ. Eugeniusz RUSIŃSKI * dr inŝ. Tadeusz LEWANDOWSKI * dr inŝ. Jacek KARLIŃSKI* dr inŝ. Krzysztof JAMROZIAK ** * Politechnika Wrocławska ** WyŜsza Szkoła Oficerska Wojsk Lądowych EKSPERYMENTALNO - NUMERYCZNA ANALIZA KSZTAŁTOWANIA ODPORNOŚCI BALISTYCZNEJ SAMOCHODU SPECJALNEGO Zaprezentowano adaptację seryjnego pojazdu do potrzeb samochodu specjalnego, odpornego na uderzenia balistyczne podstawowymi pociskami wystrzeliwanymi z broni strzeleckiej. Weryfikację odporności balistycznej w oparciu o wybrane normy przeprowadzono przy uŝyciu eksperymentu oraz metod numerycznych. W eksperymencie przeprowadzono podstawowe testy balistyczne osłon stosowanych do zabudowy nadwozia pojazdu specjalnego, które posłuŝyły do analiz porównawczych z wynikami numerycznymi. Analiza numeryczna oparta na nieliniowych zagadnieniach dynamiki konstrukcji obciąŝonych udarowo została przeprowadzona z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Wyniki uzyskane na podstawie symulacji procesu uderzenia balistycznego są zgodne z wynikami eksperymentalnymi. 1. Wstęp W nowoczesnej technice często występuje konieczność uwzględniania w obliczeniach krótkotrwałych obciąŝeń o wysokiej intensywności. ObciąŜenia te na ogół wywołują duŝe deformacje elementów lub całości konstrukcji [1, 2, 3, 4]. Maksymalne wartości odkształceń i przemieszczeń często decydują o bezpieczeństwie lub teŝ o dalszej uŝyteczności badanego obiektu. Wobec powyŝszego wyznaczanie wartości odkształceń i przemieszczeń jest jednym z waŝnych etapów projektowania. Konieczność określania maksymalnych przemieszczeń i odkształceń występuje m. in. przy obliczaniu konstrukcji naraŝonych na uderzenia balistyczne. Rozwiązanie takiego zagadnienia jest waŝne i w ostatnim czasie ma bardzo duŝe znaczenie ze względów na duŝe zapotrzebowanie na pojazdy mechaniczne zapewniające ochronę balistyczną załóg i przewoŝonego w nich cennego ładunku. Pomimo szybkiego rozwoju inŝynierii materiałowej umoŝliwiającej stosowanie najnowszych rozwiązań kombinacji materiałowych do ochrony balistycznej, czyli konstrukcji spełniających kryteria silnych deformacji pod obciąŝeniem wywołanym uderzeniami pocisków wystrzeliwanych z broni palnej, pancerze stalowe długo będą dominować w budowie takich konstrukcji. W dalszym 97

2 ciągu niektóre gatunki stali pancernej są najlepszym materiałem, stanowiącym skuteczny środek zapewnienia bezpieczeństwa w zakresie ochrony balistycznej. Stale pancerne zapewniają skuteczny poziom ochrony przed pociskami karabinowymi, uderzającymi z duŝą prędkością, a w dodatku nadal są relatywnie tanim surowcem do projektowania i wytwarzania takich konstrukcji. Stosowana stal pancerna na osłony balistyczne powinna być twarda i ciągliwa. ZałoŜenia te są duŝym wyzwaniem. Ze względu na technologię wykonania i skład chemiczny stal o odpowiedniej twardości zazwyczaj jest krucha, a stal ciągliwa posiada niski poziom twardości. Nowoczesna technologia umoŝliwia wytwarzanie lekkich pancerzy ze stali niskostopowych. Dzięki specjalnej technologii hartowania i odpuszczania oraz dodatkowej obróbce powierzchniowej uzyskuje się stale o twardości powyŝej 500 HB. Dodatkową cechą szczególną pancerzy stalowych jest to, Ŝe mogą one otrzymać więcej niŝ jedno uderzenie w tym samym obszarze. NaleŜy zdać sobie sprawę, Ŝe kolejne uderzenie w to samo miejsce naraŝa juŝ konstrukcję na utratę właściwości ochronnych, jednak taki przypadek naleŝy do skrajnych i jest bardzo mało prawdopodobny. Własności te wyróŝniają pancerze metalowe od innych rodzajów pancerzy i stawia je w bardzo korzystnym świetle, umoŝliwiając ich szerokie zastosowanie. Pomimo duŝej ilości prac na temat wnikania pocisków broni strzeleckiej w metalowe półprzestrzenie oraz wielu sposobów wyprowadzenia zaleŝności na deformację graniczną konstrukcji, nadal istnieje potrzeba rozpatrywania tych zagadnień w kategorii idealizowania przy pomocy modelowania. Nowoczesne technologie sprawiają, Ŝe metody poznawcze określające odporność udarową płyt pancernych na pociski broni strzeleckiej naleŝy ciągle rozwijać, celem stworzenia optymalnych rozwiązań w zakresie ochrony balistycznej. Stosowane obecnie techniki identyfikowania warunków brzegowych konstrukcji obciąŝonych energią uderzenia pocisków broni strzeleckiej, pozwalają zweryfikować pewne procesy, ich intensywność oraz przebieg. To ze względu na wartość poznawczą stanowi podstawą do tworzenia modeli numerycznych. Budowa modeli numerycznych z punktu oceny skuteczności odporności balistycznej stanowi waŝny element w etapie projektowania. Na przykładzie symulacji komputerowych moŝna odtworzyć zjawiska występujące w punkcie styku, uderzający pocisk osłona [5, 6]. W niniejszej pracy zaprezentowano fragment badań nad kształtowaniem odporności balistycznej samochodu specjalnego w oparciu o eksperyment i analizę numeryczną wykorzystującą do opisu metodę elementów skończonych. 2. Stanowisko badawcze i badania weryfikacyjne Do badań weryfikacyjnych zbudowano stanowisko opierając się na załoŝeniach opisanych w pracy [7, 8, 9, 10], którego schemat przedstawiono na rys. 1. Ostrzału próbek blach pancernych dokonywano według metodyki określonej [8], zgodnie, z którą dokonywano pomiaru prędkości wylotowych według zaleŝności: n vi 1 d v śr = ; vi = (1) n ti gdzie: d [m] - odległość pomiędzy ekranami; t i [s] - czas przelotu pocisku pomiędzy ekranami (odczyt dla i tego strzału); n - liczba strzałów. 98

3 W eksperymencie przeprowadzono szereg prób balistycznych z zastosowaniem ekranu w postaci standardowej blachy karoseryjnej samochodu specjalnego. Ekrany były stosowane w odległości 60 i 100 mm, co odpowiadało rzeczywistym przestrzeniom zabudowy pomiędzy: blacha karoseryjna blacha pancerna. Stanowisko to zostało wyposaŝone w aparaturę do rejestracji wielkości kinematycznych. W pracy zaprezentowano wyniki zawęŝone jedynie do testów balistycznych. wystrzeliwany pocisk licznik czasu fotokomórki startowa końcowa ekran z blachy karoseryjnej cel linia strzału 1 m linia bazowa 10 m 0,06 0,1 m Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego 2.1. Obiekt badań Obiektem badań były blachy pancerne B 555 i A 500T stosowane do zabudowy pojazdu bazowego, odpornego na oddziaływanie pocisków broni strzeleckiej według poziomu FB 6 normy [7]. Blachy pancerne są powszechnie stosowane do zabudowy pojazdów specjalnych. Pojazdy tego typu konstruowane są z przeznaczeniem dla wojska, policji, straŝy granicznej i innych słuŝb przeznaczonych do walki z terroryzmem i stabilizacji pokoju w rejonach konfliktów. Najczęściej do takiej zabudowy wykorzystuje się pojazdy osobowo-terenowe, które po całkowitej modernizacji nadwozia i innych elementów (np. zawieszenie, ogumienie, silnik) są przystosowane do kompleksowej ochrony siły Ŝywej znajdującej się w pojeździe. Przykłady takiej modernizacji przedstawiono na rys. 2. W zakresie badań własności mechanicznych [11] blachy pancerne poddawane są następującym badaniom: - kontrola twardości kaŝdego arkusza (róŝnica nie powinna przekraczać 0,15 mm średnicy odcisku kulki d = 10 mm / 3000 kg); - badanie udarności na próbce ISO-V w temperaturze 40 o C w kierunku walcowania wzdłuŝnego i poprzecznego; - próbę zginania na zimno (w temperaturze + 20 o C); - próbę balistyczną dla kaŝdej grubości blachy; - badania ultradźwiękowe dla blach pancernych o grubości powyŝej 12,5 mm. Przeprowadzone w ten sposób badania stanowią wiarygodną podstawę do stosowania blach pancernych na osłony balistyczne. Dla przykładu w próbach takich minimalne wymagania są następujące: - R m 1600 MPa; - R p0, MPa; 99

4 - twardość co najmniej na poziomie 500 HB; - stosunek R p0,2 / R m ok. 0,8; - kruchość jako stosunek R p0,2 /U Kv(-40 o C) na poziomie 3,5 MPa/kJ/m 2 ; - udarność dla prób wzdłuŝnych ISO-V w temp. -40 o C na poziomie min. 20 J dla blach o grubości mm i 10 J dla blach o grubości poniŝej 12 mm. Rys. 2. Przykład modernizacji pojazdu do potrzeb pojazdu opancerzonego na poziomie B6 według normy CEN [12] 100

5 2.2. Badania weryfikacyjne Badania weryfikacyjne blach pancernych zawęŝono do przeprowadzenia podstawowych testów z zakresu prób statycznych i prób balistycznych na strzelnicy. W badaniach wytrzymałościowych próbę przeprowadzono zgodnie z normą PN-EN na maszynie wytrzymałościowej firmy INSTRON i VEB WPM * o zakresach siłomierza: kn, działka elementarna 1,0 kn; kn, działka elementarna 2,5 kn; kn, działka elementarna 2,0 kn *. Pomiar twardości wykonano metodą Vickersa wg normy PN EN ISO :1999, a zastosowany przyrząd to W. D. Vickers-Zwicks_LBMK ver. 1,5 o obciąŝeniu: 10 kg (98,070 N). Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1 Zestawienie parametrów mechanicznych badanych blach pancernych Lp. Rodzaj blachy Gęstość [kg/m 3 ] R m [MPa] R p 0,2 [MPa] A 5 [%] Twardość [HRC] Moduł Younga [GPa] Liczba Poissona [ν] 1. B mm , ,3 2. B mm ,5 11, ,3 3. A500T 4mm , ,3 4. A500T 6 mm , ,3 5. A500T 8 mm , ,3 W próbie balistycznej próbki o wymiarach 400 x 300 mm według następującej specyfikacji: a) blacha pancerna angielska z certyfikatem według EN B; - próbka o grubości 4,0 mm 2 szt, - próbka o grubości 6,0 mm 2 szt, b) blacha pancerna Armox A500T firmy SSAB z certyfikatem według EN B; - próbka o grubości 4,0 mm 2 szt, - próbka o grubości 6,0 mm 2 szt, - próbka o grubości 8,0 mm 1 szt, ostrzelano podstawowymi pociskami z karabinka (kbk AKMS, kbs wz. 96 Beryl) i karabinu wyborowego (kbw SWD, TRG-21). W trakcie kaŝdego strzału dokonywano pomiaru prędkości wylotowych pocisków chronografem CED Milenium, (dokładność ok. 1 2 ms) według, którego średnie prędkości dla poszczególnych rodzajów amunicji wynosiły: - 5, 56 mm nabój z pociskiem SS ,6 m/s; - 7,62 mm nabój NATO m/s; - 7,62 mm nabój wz. 43 PS - 719,9 m/s; - 7,62 mm nb. kb. ŁPS - 848,9 m/s. W wyniku przeprowadzonej próby balistycznej uzyskano następujące wyniki deformacji płyt, które w postaci graficznej przedstawiono na wykresach (rys. 3). 101

6 Blacha A 500T Blacha B 555 [mm] 7 6,64 [mm] 8 7, grubość 4 mm ,97 przebicie przebicie przebicie przebicie przebicie 0 5,56 mm 7,62 mm wz. 43 7,62 mm Ball 7,62 mm ŁPS 0 5,56 mm 7,62 mm wz. 43 7,62 mm Ball 7,62 mm ŁPS grubość 6 mm [mm] 2,5 2 1,5 1 0,5 0,91 0,5 2,1 1,94 [mm] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,36 0,34 1,18 1,1 0 5,56 mm 7,62 mm wz. 43 7,62 mm Ball 7,62 mm ŁPS 0 5,56 mm 7,62 mm wz. 43 7,62 mm Ball 7,62 mm ŁPS [mm] 0,3 0,3 0,28 0,25 grubość 8 mm 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0,1 0,05 5,56 mm 7,62 mm wz. 43 7,62 mm Ball 7,62 mm ŁPS Rys. 3. Ugięcie płyt pancernych w punkcie styku uderzającego pocisku 3. Badania symulacyjne 3.1. Modele numeryczne W celu określenia geometrii pocisków uŝytych do symulacji uderzenia balistycznego przeprowadzono szereg zabiegów związanych z odwzorowaniem kształtów pocisków, a zwłaszcza jego krzywizn. Przedsięwzięcie to zostało przeprowadzone w oparciu o skanowanie dotykowe na skanerze Cyclone II z indekserem. Zeskanowane kształty geometryczne pocisków posłuŝyły do budowy modeli geometrycznych (rys. 4). Geometrię analizowanych osłon balistycznych przyjęto zgodnie z wielkościami próbek uŝytych w badaniach eksperymentalnych o parametrach zamieszczonych w tabeli

7 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) Rys. 4. Kształty geometryczne podstawowych pocisków strzeleckich: a, b) pocisk SS 109; c, d) pocisk Ball; e, f) pocisk wz. 43 PS; g, h) pocisk kb. ŁPS Numer modelu osłony I II III Przyjęte modele geometryczne blach pancernych Wymiary geometryczne [mm] 300x400x4 300x400x6 300x400x8 Przyjęty model geometryczny Płyta pancerna Rzut graficzny Tabela 2 Modele dyskretne zbudowano wykorzystując system MSC/PATRAN. Dyskretyzację osłon balistycznych i pocisków przeprowadzono bryłowymi elementami skończonymi typu Solid oraz Tetra (przykłady rys. 5). WaŜnym zagadnieniem podczas budowy modelu dyskretnego było opisanie zjawisk kontaktu, jakie zachodzą na styku płyta - pocisk, płaszcz - rdzeń pocisku. Rys. 5. Przykładowe modele dyskretne analizowanych pocisków i osłon balistycznych 103

8 Dane materiałowe osłon balistycznych wprowadzono na podstawie materiału nr 16 wg opracowania [13], a podstawowe własności wytrzymałościowe wprowadzono w oparciu o tabelę 1. W identyczny sposób wprowadzono własności wytrzymałościowe materiałów, z których produkowane są pociski, wykorzystując dane katalogowe producenta. W zbudowanych modelach dyskretnych pominięto warunek brzegowy związany z ruchem obrotowym pocisków, powstałym na skutek odpowiedniej budowy przewodu lufy Analiza MES Warunki brzegowe oraz nieliniową analizę dynamiczną wykonano za pomocą systemu PAM-CRASH (solver), w którym wykorzystano algorytm rozwiązywania równań ruchu typu explicite. W modelach dyskretnych zastosowano bilinearny model z umocnieniem uwzględniającym prędkość odkształcenia zgodnie, z modelem Coopera-Symondsa o współczynnikach p = 5 i D = 40,0 s -1. Wielkość kroku całkowania równań ruchu wyniosła 4 x Symulacja procesu przebicia została przeprowadzona w idealnych warunkach bez wprowadzania imperfekcji. Celem obliczeń było wyznaczenie deformacji, znalezienie przebiegów czasowych dla przypadku obciąŝenia konstrukcji przez udar masy (uderzenie balistyczne w osłonę balistyczną). Analizowano wpływ zmiany grubości materiału na sposób deformowania się układu osłona pocisk. W wyniku analizy numerycznej otrzymano wykresy; energii kinetycznej, ugięcia płyty pancernej i prędkości dla wybranych węzłów w całym zakresie analizy, a takŝe deformację powstałą na skutek zamiany energii kinetycznej pocisku na pracę odkształcenia. Przykład takiej analizy numerycznej przedstawiono na rys. 6. 0µs 2µs 4µs 6µs 8µs 10µs 104

9 12 µs 14 µs 16 µs 18 µs 20 µs 22 µs 24 µs 26 µs 28 µs Rys. 6. Przykładowe wyniki z symulacji numerycznej uderzenia pocisku 5,56 mm typu SS109 w płytę 6,0 mm A500T w poszczególnych krokach czasowych 4. Porównanie badań eksperymentalnych i numerycznych Porównując wyniki badań eksperymentalnych z wynikami analizy MES uzyskano znaczną zgodność postaci deformacji. MoŜna, więc stwierdzić, Ŝe zaproponowany sposób kształtowania odporności balistycznej płyt pancernych przy wykorzystaniu metody elementów skończonych jest tym kierunkiem prac, który będzie przybierał coraz to szersze znaczenie w projektowaniu wszelkiego rodzaju osłon. Zgodność deformacji uzyskanych z badań i analizy MES przedstawiono na poniŝszych rysunkach. 105

10 Symulacja MES 5,56 mm SS 109 Eksperyment 7,62 mm wz. 43 PS Rys. 7. Zdeformowane pociski po uderzeniu w blachę pancerną 6 mm Armox A500T (a) (b) nr ugięcie strzału [mm] 43 0, , ,06 Rys. 8. Deformacja 6 mm blachy pancernej Armox A500T po uderzeniu pociskiem 5,56 mm typu SS 109; (a) w symulacji numerycznej, (b) w eksperymencie (a) (b) nr ugięcie strzału [mm] 46 2, , ,17 Rys. 9. Deformacja 6 mm blachy pancernej Armox A500T po uderzeniu pociskiem 7,62 mm typu Ball; (a) w symulacji numerycznej, (b) w eksperymencie 5. Podsumowanie 106

11 Zaprezentowane wyniki badań wytrzymałościowych i pomiaru twardości były podstawą do dalszych analiz i formułowania wniosków. W ramach tych badań stwierdzono, Ŝe badane gatunki stali pancernej stosowane do opancerzenia spełniają określone kryteria wytrzymałościowe (tabela 1). W zakresie badań odporności balistycznej na zbudowanym stanowisku zgodnie z wymogami PN-EN 1523 przeprowadzono eksperyment, w którym uŝyto broń strzelecką będącą na wyposaŝeniu wojska. Ostrzału dokonano na próbkach wybranych stali pancernych o wymiarach 300 x 400 mm, których masa wynosiła: próbka o grubości 4,0 mm 3768 g; próbka o grubości 6,0 mm 5658 g; próbka o grubości 8,0 mm 8008 g; W eksperymencie zastosowano przed próbkami ekrany wykonane z blachy karoseryjnej o grubości 1,0 mm w odległości 60 i 100 mm od strony ostrzału próbki (odległości te są rzeczywistymi odległościami występującymi w nadwoziu pojazdu pomiędzy karoserią, a stosowanym opancerzeniem). Uzyskane wyniki zostały zobrazowane graficznie na rys. 3. Reasumując, przedstawione gatunki stali o grubości 6,0 mm i powyŝej, spełniają wymagany poziom ochrony balistycznej na pociski karabinowe o duŝych energiach uderzenia, co wg norm wojskowych odpowiada to I poziomowi zgodnie ze STANAG Stale o grubości 4,0 mm stanowią doskonałe zabezpieczenie przed pociskami zwykłymi (PS) wystrzeliwanymi z karabinka kbk AKM, jednak nie stanowią juŝ tak pewnego zabezpieczenia przed pociskami 5,56 mm. W zakresie analizy numerycznej opracowane modele geometryczne posłuŝyły do budowy modeli dyskretnych i przeprowadzenia analizy numerycznej MES. W wyniku tej analizy uzyskano wyniki w postaci dyssypacji energii uderzenia przez układ pocisk osłona. Na przykładzie wybranego układu numerycznego przedstawiono wyniki w postaci graficznej (rys. 6). ZbliŜone wyniki z eksperymentu i symulacji numerycznej dowodzą poprawności opracowanych modeli numerycznych. Podsumowując wykorzystanie metody elementów skończonych do analizy numerycznej pozwoliła na opracowanie modeli numerycznych zjawiska ostrzelania wybranymi pociskami broni strzeleckiej płyt pancernych. Analiza ta dodatkowo wzbogaciła ogólny pogląd na procesy i mechanizmy deformacji osłony oraz pocisku od strony fizykalnej zjawiska. W wyniku realizacji pracy [14] dokonano weryfikacji odporności balistycznej gatunków stali pancernej stosowanej w zabudowie pojazdu. Wyniki oraz wnioski z pracy pozwoliły na uzyskanie zgodności z zakładanym poziomem tj. FB 6 ochrony balistycznej adaptowanego pojazdu do potrzeb pojazdu specjalnego. Literatura [1] Rusiński E., Mikrokomputerowa analiza ram i nadwozi pojazdów i maszyn roboczych. WKiŁ, Warszawa

12 [2] Rusiński E., Czmochowski J., Smolnicki T., Zaawansowana metoda elementów skończonych w konstrukcjach nośnych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław [3] Rusiński E., Zasady projektowania konstrukcji nośnych pojazdów samochodowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław [4] Woźniak C., Kleiber M., Nieliniowa mechanika konstrukcji, Poznań, PWN [5] Jamroziak K., Karliński J., Rutyna K., Szudrowicz M., Model numeryczny w opisie uderzenia balistycznego. Computer Aided Engineering, Journal of Transdisciplineary Systems Science, vol. 9, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2004, s [6] Jamroziak K., Karliński J., Nieliniowa analiza numeryczna uderzenia balistycznego w zagadnieniach dynamiki konstrukcji. Zeszyty Naukowe WSOWLąd., nr 1/2005, Wrocław [7] Polska Norma, PN-EN 1522, Okna, drzwi, Ŝaluzje i zasłony. Kuloodporność. Wymagania i klasyfikacja. PKN, Warszawa [8] Polska Norma, PN-EN 1523, Okna, drzwi, Ŝaluzje i zasłony. Kuloodporność. Metody badań. PKN, Warszawa [9] STANAG 4164, Procedury testowe do testów przebicia pancerzy amunicją przeciwpancerną. NATO/PFP Unclassified [10] STANAG 4190, Procedury testowe skutków przebicia blachy pancernej amunicją przeciwpancerną. NATO/PFP Unclassified [11] MIL-A-46100D(MR), Blachy o wysokiej twardości. US Army Research Laboratory, USA [12] Materiały reklamowe firmy Germaz, Sp. z o.o. Wrocław [13] PAM-SYSTEM Documentation, Solver Notes Manual, Version PSI, The Software Company of ESI Group, [14] Rusiński E., Lewandowski T., Karliński J., Słomski W., Jamroziak K., Adaptacja seryjnego samochodu seryjnego na wielofunkcyjny samochód opancerzony specjalnego przeznaczenia. IKiEM, Raport serii SPR - 010/05, Wrocław EXPERIMENTAL AND NUMERICAL ANALYSIS OF FORMING THE BALLISTIC RESISTANCE OF SPECIAL CAR In the recent work the adaptation of line production vehicle for special car necessity, that is resistance to ballistic impact of basic missile launched from small arms is presented. The ballistic resistance revision based on chosen standards was conducted with the use of experimental and numerical methods. In the experiment the basic ballistic tests of shields used for special car body development were conducted in order to make the comparative analyses with numerical results. The numerical method based on nonlinear problems of dynamics of impact loaded constructions was conducted with the use of finite element method. Achieved numerical models of the ballistic impact process are well compared to the experimental results. 108