CC BY
57
УДК 677.017
Я. И. Буланов, А. В. Курденкова, Ю. С. Шустов
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ТКАНЕЙ БАЛЛИСТИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ РАЗЛИЧНЫХ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ
Ключевые слова: параарамидные ткани, Русар, нагрузка при прорезании, стрела прогиба, влажность, прогнозирование, математическая модель.
В настоящее время актуальным вопросом является обеспечение безопасности жизни и здоровья человека. Многообразие средств индивидуальной защиты предполагает создание и усовершенствование универсального средства защиты, например, такого как бронежилет. Он должен обеспечивать защиту не только от поражения огнестрельным, но и холодным оружием, а также быть достаточно легким, удобным и не снижать защитные показатели в процессе эксплуатации. Поэтому в работе было проведено исследование влияние влажности на механические свойства материалов, применяемых для изготовления бронежилетов, а также была получена математическая модель, позволяющая с высокой степенью точности прогнозировать нагрузку при прорезании параарамидных тканей в зависимости от влажности воздуха, количества слоев и параметров строения образцов.
Keywords: Para-aramid Fabric, Rusar, cutting load, sag, humidity, forecasting, mathematical model.
Present time an important issue is to ensure of life and human health. The variety of personal protective equipment involves the creation and improvement of universal tools of protection, such like body armor. It must not only provide protection from damage by firearms, but else from cold steel arms, to be light weight, comfortable and not reduce protection during exploitation. In study were carried out the humidity effect to the mechanical properties of the materials, used for manufacturing of the body armor, and also were created a mathematical model that allows to forecast para-aramid fabrics cutting load depending of humidity, number of layers and structure of the samples with high accuracy.
Опыт эксплуатации средств индивидуальной защиты в России и за рубежом показал, что холодное оружие представляет значительную проблему для разработчиков бронежилетов.
Данное обстоятельство связано с тем, что проникающая способность холодного оружия оказалась значительно выше, чем у многих пуль короткоствольного оружия, а также количество видов холодного оружия, отличающихся по форме и характеристикам, наличие огромного числа самодельного холодного оружия создает проблему выбора такого средства поражения, которое можно было бы стандартизировать. Несмотря на это, во многих странах мира такой выбор был сделан, и стандарты на защиту от холодного оружия существуют, в США, Великобритании, Китае, Франции и др. В них, как правило, нормируются два параметра, влияющих на определение класса защиты от холодного оружия [1].
Первый параметр - это энергия удара. В разных стандартах указываются разные значения, но в основном они разбиваются на 2-3 уровня. Первый -минимальный уровень в 25...50 Дж характеризует удар, наносимый одной рукой. Второй - в 50.100 Дж - удар, наносимый двумя руками. В некоторых стандартах предусмотрен и третий уровень, который является разновидностью второго уровня.
Вторым параметром является форма, материал и параметры заточки холодного оружия. В России в качестве основного средства испытания принят штык-нож стандартной заточки 6Х4 к АКМ. Большинство зарубежных стандартов использует специальные ножи и заточки формы, указанной по стандарту.
Для классификации холодного оружия служат специальное целевое назначение, способ, место изготовления, конструктивное устройство, поражающее действие, способ удержания в руке, соот-
ветствие стандартам. По специальному целевому назначению холодное оружие делится на гражданское и боевое (военное).
Основным элементов средств индивидуальной защиты в настоящее время является бронежилет. Его задача - обеспечивать защиту жизненно важных органов военнослужащего от поражения различными видами оружия, заброневой контузион-ной травмы и механических повреждений при ведении боевых действий.
Современный бронежилет состоит из трех основных элементов: наружного чехла с системой крепления и подгонки, броневого материала, помещенного внутрь чехла и амортизирующей прокладки. Следовательно, правильный выбор текстильных материалов для создания бронежилетов способствует созданию высококачественных изделий, отвечающих конкретным условиям эксплуатации, назначению и потребительским предпочтениям [1].
В связи с этим важным является прогнозирование нагрузки при прорезании с учетом количества слоев тканей для бронезащиты и их влажности.
В качестве объектов исследования были выбраны образцы тканей баллистического назначения.
Образцы, выработанные из нитей «Русар», отличаются структурными характеристиками и выработаны полотняным переплетением (табл. 1).
Нагрузка при прорезании полотен определялась на универсальной испытательной системе «Инстрон» серии 4411 при различных скоростях движения верхнего зажима. Для испытаний использовались насадки в виде ножа с двумя и одним острыми краями.
В таблице 2 приведены результаты испытаний, проведенных с помощью насадки в виде ножа с одним острым краем.
Вестник технологического университета. 2015. Т.18, №6 Таблица 1 - Структурные характеристики исследуемых тканей
Показатель качества Артикул
11938 11939 11942 12012 12035 12036 12037
Толщина, мм 0,248 0,460 0,255 0,215 0,157 0,323 0,847
Линейная плотность нитей основы, текс 64,00 32,50 63,50 52,80 23,31 32,50 65,12
Линейная плотность нитей утка, текс 64,00 32,50 63,50 52,80 23,31 32,50 65,12
Плотность ткани по основе, число нитей на 10 см 130 219 130 100 160 240 320
Плотность ткани по утку, число нитей на 10 см 130 218 130 100 160 240 335
Линейная плотность ткани, г/м 95,75 96,09 89,40 74,32 45,61 121,77 122,65
Поверхностная плотность ткани, г/м2 165 148,98 165 110 76,88 153,50 427,35
3 Средняя плотность ткани, мг/мм 0,630 0,324 0,614 0,586 0,490 0,475 0,504
Таблица 2 - Результаты испытаний параарамидных тканей из нитей «Русар» на прорезание насадкой в виде ножа с одним острым краем
Артикул ткани Нагрузка при прорезании, Н Стрела прогиба, мм
50 мм/мин 165 мм/мин 275 мм/мин 385 мм/мин 500 мм/мин 50 мм/мин 165 мм/мин 275 мм/мин 385 мм/мин 500 мм/мин
11938 200,0 174,5 146,9 119,2 82,1 22,25 22,15 21,66 20,24 18,98
11939 191,6 178,0 178,0 175,4 147,1 28,32 22,76 23,72 19,01 18,79
11942 97,3 95,2 90,6 83,4 81,5 28,38 25,98 25,90 24,71 24,33
12012 55,4 54,9 46,0 42,3 39,6 28,90 25,72 25,67 25,49 20,21
12035 81,8 73,5 65,4 59,9 52,6 29,73 28,10 26,16 22,59 14,17
12036 118,7 118,1 117,2 116,9 115,4 28,48 19,80 19,71 17,97 17,50
12037 215,3 184,0 149,1 121,6 82,1 25,58 24,75 19,82 17,11 15,07
На рис. 1 и 2 приведены зависимости нагрузки при прорезании ножом с одним острым краем и стрелы прогиба образцов от скорости движения за-
жима.
• ■IV» ШЮТ * I 1442 12012 120Э5 * 1ЭОЛА
Рис. 1 - Зависимость нагрузки тканей при прорезании ножом с одним острым краем от скорости движения зажимов
Рис. 2 - Зависимость стрелы прогиба тканей при прорезании ножом с одним острым от скорости движения зажимов
В таблице 3 приведены результаты испытаний, проведенных с помощью насадки в виде ножа с двумя острыми краями.
На рис. 3 и 4 приведены зависимости разрывной нагрузки и разрывного удлинения образцов от скорости движения зажима.
Общая тенденция изменения нагрузки при прорезании и стрелы прогиба для ножа с двумя острыми краями аналогичная, что и для ножа с одним острым краем.
Зависимость нагрузки при прорезании и стрелы прогиба от скорости движения зажима определяются линейной функцией следующего вида:
где у
х а, Ь
у = -ах + Ь,
- нагрузка при прорезании и стрела прогиба, Н и мм;
- скорость движения зажима, мм/мин;
- расчетные коэффициенты.
Важным показателем, характеризующим защитные свойства изделия является влажность окружающей среды.
Исследуемые образцы перед разрушением выдерживались в автоматическом гигростате в течение 24 часов при 40, 65 и 90% влажности.
Для разработки методики прогнозирования нагрузки при прорезании ножом с двумя острыми краями были проведены дополнительные испытания при скорости 100 мм/мин.
Таблица 3 - Результаты испытаний параарамидных тканей из нитей «Русар» на прорезание насадкой в виде ножа с двумя острыми краями
Артикул ткани Нагрузка при прорезании, Н Стрела прогиба, мм
50 мм/мин 165 мм/мин 275 мм/мин 385 мм/мин 500 мм/мин 50 мм/мин 165 мм/мин 275 мм/мин 385 мм/мин 500 мм/мин
11938 162,0 141,3 119,0 96,6 66,5 18,02 17,94 17,54 16,39 15,37
11939 159,0 148,4 147,6 138,6 122,1 23,51 18,89 19,68 15,78 15,60
11942 76,9 75,2 71,6 65,9 64,4 22,42 20,52 20,46 19,52 19,22
12012 46,0 45,6 38,2 35,1 32,9 23,98 21,34 21,30 21,16 16,77
12035 67,1 60,3 53,6 49,1 43,1 24,37 23,04 21,45 18,52 11,62
12036 92,6 92,1 90,6 89,5 87,6 22,21 15,44 15,37 14,01 13,65
12037 180,9 154,6 125,2 102,1 69,0 21,49 20,79 16,65 14,37 12,65
200
| |Я0
Т 160
1 140
И 120
11 100
1 * 80
1 60
е* 40
£ 20
>---0.21* + 174,9»
К1 -
у - -0,0?* + 163,7Л И' - М2
у --0Л5* * 69,14 В' - 1.00
у--0,25*+ 194.1 И Н1- 1,00
100 200
Скорость л »11938 ■ 11939
■1(К» 500
ми'мнн
11942 12012 12035 »12036 (2037
Рис. 3 - Зависимость разрывной нагрузки тканей при прорезании насадкой в виде ножа с двумя острыми краями от скорости движения зажимов
£ 2Л I:
я Ж 22 = ш
II"
И"
| ,4 £ 12
200
■ | : V ^ . | ■ 1 или . 1 20ДЬ ] . 1'Л ;
Рис. 4 - Зависимость стрелы прогиба тканей при прорезании насадкой в виде ножа с двумя острыми краями от скорости движения зажимов
Для определения зависимости нагрузки при прорезании параарамидных тканей от влажности воздуха и параметров строения полотен воспользуемся методами теории подобия и анализа размерностей [2, 3].
О = /(О Ж,п,Т ,Т ,П , П ) (1)
Х^ и \ х^исх' ' ' О у' О у'
где О - нагрузка при прорезании параарамидной ткани после изменения влажности воздуха, Н;
Оисх - нагрузка при прорезании параарамидной ткани при влажности 65%, Н; Ж - влажность воздуха, %; п - количество слоев ткани; То, Ту - линейная плотность нити основы и утка, текс;
Па Пу -плотность ткани по основе и утку, число нитей / 10 см.
Применяя методы анализа размерностей, функциональное соотношение (1) можно выразить через безразмерные комплексы. Тогда соотношение примет вид:
О_
Оисх
= /(п^ъ)
(2)
где - безразмерный показатель, характеризующий влияние влажности воздуха на нагрузку при прорезании ткани; - безразмерный показатель, характеризующий структурные характеристики тканей/
Для установления степени влияния каждого из указанных параметров находим зависимости
П =ПЛ2 (3)
ъ = / (Ж ) = 2,74е~°'0Ж (4)
где П1 - безразмерный показатель, характеризующий влияние влажности воздуха на нагрузки при прорезании полотен (рис. 5).
Рис. 5 - Безразмерный показатель, характеризующий влияние влажности воздуха на нагрузки при прорезании полотен
ъ = /\ п
. ТУ ■ ПУ
То ■ По
Т . П
. у у
то ■ П
(5)
3,47-\ п
Т • П
. у у
' то ■ По
+ 0,12
где - безразмерный показатель, характеризующий структуру ткани (рис. 6).
- Ту ■ П,
Формула справедлива при 40 -W-90, 1,66 - 5,63. Отклонение расчетных значений от
То ■ П„
экспериментальных не превышает 4,76%.
Получена математическая модель, позволяющая с высокой степенью точности прогнозировать нагрузку при прорезании параарамидных тканей в зависимости от влажности воздуха, количества слоев и параметров строения образцов.
Литература
Рис. 6 - Безразмерный показатель, характеризующий структуру ткани
Таким образом, окончательная формула для расчета нагрузки при прорезании примет вид:
(
Q=О**\2J4e-0,02W )
Ту■ ПУ
Т- По
Л
3,47■ I n
Ту■ ПУ То- По
0,12
(6)
1. Григорян В. А., Кобылкин И. Ф., Маринин В. М., Чистяков Е. Н. Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования. - РадиоСофт. 2008, 406 с.
2. Шустов Ю.С. Методы подобия и размерности в текстильной промышленности.- М.: МГТУ, 2002 - 191 с.
3. Шустов Ю. С., Курденкова А. В., Ким А. А. Прогнозирование разрывной нагрузки тканей для изготовления бронежилетов // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. -2010. - N4. - С. 18-20.
n
© Я. И. Буланов - асп. каф. текстильного материаловедения и товарной экспертизы МГУДТ; А. В. Курденкова - канд. техн. наук, доцент той же кафедры, [email protected]; Ю. С. Шустов - д-р техн. наук, профессор, зав. каф. текстильного материаловедения и товарной экспертизы МГУДТ, [email protected].
© Ya. I. Bulanov - the graduate student of department of Textile materials science and commodity examination of MGUDT; A. V. Kurdenkova - Candidate of Technical Sciences, the associate professor of Textile materials science and commodity examination of MGUDT, [email protected]; Yu. S. Shustov - the Doctor of Engineering, professor, the head of the department of Textile materials science and commodity examination of MGUD, [email protected].
