Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 4
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
1.1 Применение композитных панелей для защиты живой силы
и техники 5
1.2 Численные методы расчета, применяемые для моделирования проникновения ударников и сопротивления защитных
систем 12
1.3 Модели и значения параметров моделей материалов для расчета
удара индентора по керамо-полимерной панели 18
1.4 Создание геометрических и конечно-элементных моделей
керамо-полимерного дисперсно-армированного композита 36
Выводы, цель, методология и задачи исследования 38
2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДЕЛЕЙ МАТЕРИАЛОВ И ЧИСЛОВЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ИХ ПАРАМЕТРОВ
2.1 Проведение натурного эксперимента по пробитию керамической
и эпоксидной панелей 40
2.2 Определение значений параметров команд для SPH модели
композитной панели с керамическими зернами 46
2.3 Определение значений параметров моделей материалов 58
Выводы по разделу два 78
3 РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ РАСЧЕТА ПРОБИТИЯ УДАРНИКОМ ПАНЕЛИ ИЗ КЕРАМО-ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА
3.1 Моделирование геометрической структуры керамо-полимерного
дисперсно-армированного композита 79
3.2 Моделирование удара шариком по керамо-полимерной дисперсно-армированной композитной панели 86
Выводы по разделу три 99
4 ИССЛЕДОВАНИЕ УДАРА ИНДЕНТОРОМ КЕРАМО-ПОЛИМЕРНОЙ
ПАНЕЛИ С МАТРИЦЕЙ ИЗ ПОЛИУРЕТАНОВОГО КОМПАУНДА
4.1 Проведение натурных экспериментов 100
4.2 Проведение компьютерных расчетов 102
Выводы по разделу четыре 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 120
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Статьи автора ВКР 128
Для защиты живой силы и техники от ударного воздействия применяются панели из различных материалов. Наряду с традиционно используемыми металлами и сплавами все шире применяются текстильные, полимерные, керамические, наноструктурированные и другие материалы [1]. Традиционным стало применение многослойных преград из гомогенных материалов, а также однослойных преград из композитов. Последние имеют очевидное преимущество, поскольку их структура и свойства формируются исходя из заданных эксплуатационных требований. Индустрия композитных материалов в последние десятилетия получила опережающее развитие. Как известно, композиты в целом могут иметь более многообразные структуры; свойства их менее исследованы, чем, например, гомогенные структуры. В связи с этим ежегодное количество публикаций, посвященных композитам, продолжает возрастать. По данным поисковой системы «sciencedirect.com» количество публикаций за десятилетний период, в которых одновременно встречались словосочетания «ballistic impact» и «composite», распределялось следующим образом: за 1988-1997 год опубликовано 126 работ, за 1998-2007 - 235 работ, за 2008-2017 - 780 работ. Все это показывает, что данная тема становится все боле актуальной, имеется множество вопросов, которые все еще требуют своего разрешения.
Одним из наиболее перспективных композитов для изготовления защитных элементов является композит на основе керамических частиц, дисперсно распределенных в полимерной матрице. Такой композит имеет несколько преимуществ: керамические частицы имеют хорошие защитные свойства, полимерная матрица не позволяет расколоться защитной панели после появления первых трещин и, наконец, производство такого композита должно быть относительно дешевым.
Однако данные преимущества являются гипотетическими, необходимо подтвердить функциональные свойства такой защиты и определить наиболее рациональные геометрические параметры частиц и их удельный объем в композите. Одним из наиболее приемлемых способов такой верификации гипотезы является компьютерное моделирование.
Таким образом, данная исследовательская работа посвящена разработке керамо-полимерной композитной защиты объектов от высокоскоростных ударов.
Выполненная работа позволила достигнуть поставленной цели - получить керамо-полимерную защитную панель, позволяющую отразить удар индентора и нанести ему механические повреждения. Поставленная цель была достигнута на основе разработки геометрической структуры такой панели на базе воксельного подхода и метода обработки сканированного изображения реальных керамических частиц. Данная микромодель дисперсно-армированной композитной панели была оснащена соответствующими моделями материалов керамики и полимеров. Был произведен отбор типов моделей материалов и определены числовые значения их параметров для стали, керамики, эпоксидной матрицы и полиуретановой матрицы. Данные значения были подобраны путем сопоставления результатов вычислений с картинами, полученными в
натурных экспериментах с соответствующими гомогенными панелями.
Исследования показали, что применение в качестве матрицы хрупких материалов типа эпоксидной смолы нецелесообразно. В момент удара вокруг острых углов керамических частиц в матрице возникают концентрации напряжений, которые далее развиваются в трещины и приводят к большему разрушению композитной панели по сравнению с гомогенным аналогом. Применение вязких и сминаемых материалов типа полиуретана в качестве матрицы дисперсно-армированной композитной панели показало свои преимущества: разделения такой панели на части не наблюдается. Уплотнение керамических частиц перед индентором в момент его удара приводит к повышению жесткости такой панели и обеспечивает
механические повреждения индентора.
Работа показала необходимость проведения дальнейших исследований, а именно, создание композитных панелей больших размеров и требуемых по конструкции и составу материалов инденторов. Необходимо дальнейшее совершенствование геометрической структуры дисперсно-армированной композитной панели, уточнение числовых значений параметров моделей ее материалов. Необходимо уточнение параметров контактных взаимодействий и других параметров расчета для LS-Dyna.
