МНОГОСЛОЙНАЯ БРОНЯ Российский патент 1996 года по МПК F41H1/02 F41H5/04 

Изобретение относится к военной технике, в частности к конструкции броневой защиты и может быть использовано при проектировании средств индивидуальной защиты, включающих в себя керамические бронезащитные элементы.

Известна броня из композиционного материала, содержащая два твердых жестких слоя, например, из керамики и слой из волокнистого материала. Причем между первыми двумя слоями и слоем из волокнистого материала имеется зазор /1/. Достоинством такой брони является ее высокая стойкость к воздействию пуль стрелкового оружия. Недостатком указанного решения является отсутствие зазора между двумя первыми твердыми слоями, что заставляет их работать как единое целое.

В качестве прототипа авторами выбрана броня из композиционного материала, содержащая керамический слой, устойчивый к попаданию пули. К твердому керамическому слою примыкает слой, поглощающий выбрации. Броня также содержит задний слой, например, из волокнистого материала /2/. Недостатком такого решения является отсутствие связи между относительными толщинами слоев и сложность изготовления пластины из трех различных слоев.

Задачей предлагаемого решения является повышение эффективности защиты за счет использования двух твердых слоев из керамики и выбора относительных толщин слоев из соотношений, обеспечивающих наименьшее напряженно-деформированное состояние керамических защитных пластин при их взаимодействии с пулей.

Положительный эффект достигается тем, что в многослойной броне, содержащей керамический лицевой слой, примыкающий к нему вибропоглощающий слой и тыльный слой, тыльный слой выполнен из керамического материала толщиной h₂ равной двум третьим толщины лицевого керамического слоя h₁.

а толщина вибропоглощающего слоя Δh определяется из соотношения

где V_max максимально возможная скорость взаимодействия ударника с броней;
a скорость распространения упругих волн в материале керамики.

На фиг. 1 представлена схема расположения слоев многослойной брони; на фиг.2 иллюстрируется принцип работы такой брони при взаимодействии с пулей.

Броня состоит из лицевого керамического слоя 1 толщиной h₁, тыльного керамического слоя 2 толщиной h₂ и вибропоглощающего слоя 3 толщиной Δh, расположенного между ними.

На фиг. 2 стрелками показано расположение фронтов волн напряжений σ в каждом керамическом слое и путь h_i, пройденный волнами напряжений в каждом керамическом слое.

При ударе пули 4 по лицевому керамическому слою 1 в eго материале начинает распространяться волна напряжений сжатия, нагружающая материал в каждом его сечении контактным напряжением s_с. В момент времени t₁= h₁/a, где a скорость распространения упругой волны в материале керамики, она достигает тыльной поверхности лицевого керамического слоя 1. Из-за наличия вибропоглощающего слоя 3 толщиной Δh эта поверхность деформируется на величину Δh (фиг.2а). При этом относительная деформация ε₁ определяется так:
Но пришедшая волна напряжений сжатия принесла на тыльную поверхность лицевого керамического слоя 1 амплитуду относительной деформации ε, определяемую так:

где E модуль Юнга первого рода материала керамики.

Входящее в (4) контактное напряжение σ_o определяется так:

где V_max максимально возможная скорость взаимодействия ударника с броней;
а скорость распространения упругих волн в материале керамики. Тогда, в лицевом слое 1 волна сжатия отразится в виде волны напряжений растяжения с амплитудой σp1

,, причем
а в тыльном керамическом слое 2 будет распространяться волна напряжений сжатия с амплитудой σс2
Потребуем, что бы оба керамических слоя были равнонагружены . С учетом (6) и (7) последнее условие примет вид:
Разрешая уравнение (8) относительно оптимальной величины толщины вибропоглощающего зазора 3 Δh_опт, с учетом (5) и выражения для скорости распространения упругой волны в материале керамики получили:
Таким образом, толщину вибропоглощающего слоя 3 Δh с учетом уравнения (9) выбирают из соотношения:
Δh =(0,8...1,2)Δh_опт, (10) что обеспечивает равную нагруженность керамических слоев в момент времени t₁ h₁/a.

В момент времени t₂ (h₁+h₂)/a (фиг.2б) волна напряжений сжатия в тыльном керамическом слое 2 достигнет его тыльной поверхности и произойдет ее отражение в виде волны растяжения. При этом между лицевым 1 и тыльным 2 керамическими слоями вновь образуется вибропоглощающий слой 3. Тогда, при достижении отраженной в тыльном керамическом слое 2 волны растягивающих напряжений поверхности контакта с лицевым керамическим слоем 1 в момент времени (фиг. 2в), перехода растягивающей волны напряжений в лицевой керамический слой 1 не произойдет.

В момент времени t₄ 3h₁/a (фиг. 2г) вторично отраженная волна сжатия в лицевом керамическом слое 1 достигнет поверхности контакта с тыльным керамическим слоем 2 и вибропоглощающий зазор 3 вновь будет заполнен деформацией лицевого керамического слоя 1. В этом случае часть волны напряжений сжатия отразится в лицевом керамическом слое 1 в виде волны напряжений растяжения, а часть перейдет в тыльный керамический слой 2. Значит тыльный керамический слой 2 получит дополнительный импульс сжатия, чтобы его влияние на разрушение тыльного керамического слоя 2 было минимальным, необходимо расположение фронта волны сжатия в ней как можно дальше от поверхности контакта, то есть на ее тыльной поверхности, где произойдет отражение фронта в виде волны напряжений растяжения. Тогда волны сжатия и растяжения в тыльном керамическом слое 2, взаимодействуя друг с другом, будут уменьшать в нем суммарную амплитуду напряжений. Такому моменту времени, как показано на фиг. 2г соответствует время t₅ (h₁ + 3h₂)/a. Таким образом, равенство времен t₄ и t₅ обеспечивает минимальный уровень напряжений в каждом керамическом слое 1 и 2 при переходе волн напряжений из одного слоя в другой. С учетом выражений для t₄ и t₅ и их равенства, получили формулу для определения толщины тыльного керамического слоя 2 h₂ в зависимости от толщины h₁ лицевого керамического слоя 1:

Следовательно, выбирая толщину вибропоглощающего слоя Δh из соотношения (10) с учетом (9), а толщину тыльного керамического слоя 2 h₂ из уравнения (11), обеспечиваются оптимальные условия функционирования керамических слоев многослойной брони в результате взаимодействия брони с пулей и тем самым повышается эффективность защиты.

Проведенная экспериментальная проверка подтвердила достижение положительного эффекта в результате использования предлагаемого технического решения.

Использование: защита от осколков и пуль стрелкового оружия. Сущность изобретения: многослойная броня содержит лицевой 1 и тыльный 2 керамические слои и вибропоглащающий слой 3 между ними. Толщина h₂ тыльного слоя 2 равна двум третям толщины h₁ лицевого слоя 1, а толщина вибропоглащающего слоя Δh может быть равна: где: V_max - максимально возможная скорость взаимодействия ударника с броней, а - скорость распространения упругих волн в материале керамики. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Многослойная броня, содержащая керамический лицевой слой, примыкающий к нему вибропоглощающий слой и тыльный слой, отличающаяся тем, что тыльный слой выполнен из керамического материала толщиной h₂, равной двум третям толщины лицевого керамического слоя h₁. 2. Многослойная броня по п.1, отличающаяся тем, что толщина вибропоглощающего слоя Δh определяется из соотношения:

где Vmax максимально возможная скорость взаимодействия ударника с броней;
a скорость распространения упругих волн в материале керамики.