Способ контроля качества многослойных композитных броневых преград из ткани и устройство для его осуществления Российский патент 2018 года по МПК G01N25/72 F41H5/00 

Область техники

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля качества композитных многослойных броневых преград из ткани на основе результатов теплового контроля при попадании поражающего элемента в броневую преграду за счет поглощения энергии броневой преградой.

Изобретение может быть использовано для контроля качества броневых преград как в процессе производства, так и в реальных условиях эксплуатации.

Особенно эффективно применение изобретения при испытании ответственных броневых преград, например, при защите личного состава. Такие броневые преграды, как правило, имеют сложную конструкцию и большую стоимость. К таким конструкциям с одной стороны предъявляются высокие требования по надежности защиты, а с другой стороны они являются достаточно дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы достаточно большое количество конструкций можно было испытать методами разрушающего контроля, т.е. разрушить за поражающими элементами.

При этом требуется определить потенциально опасные места (узлы конструкции), которые в первую очередь могут снизить качество броневой преграды, что может привести к поражению личного состава.

Уровень техники

Появление новых типов эффективных бронебойных боеприпасов стрелкового оружия выдвинуло перед разработчиками легкобронированной и небронированной техники актуальную задачу - повышение ее защищенности, а также защищенности людей, находящихся в ней (Анискович В.А. Научно-технологические аспекты создания комбинированной полимеркерамической брони. - М.: Исздательский дом «Спектр», 2015, - 76 с. ISBN 978-5-4442-0096-4). Броневая защита, как в военной, так и в невоенной области развивается в направлении получения и использования материалов с высокими защитными свойствами и более низкой, чем у традиционно используемой металлической брони, плотностью. Все более широкое применение находят композитные и керамические материалы, как сами по себе, так и в сочетании с металлической броней.

Несмотря на значительные достижения в этой области, в настоящее время отсутствует комплексный научно-технологический подход к созданию полимер-керамической брони с требуемыми свойствами, в том числе методы математического моделирования и расчета комбинированной брони, новые эффективные бронематериалы, не решена проблема изготовления и ремонта полимер-керамической брони без снижения ее защитных свойств.

Анализ современных тенденций в области развития брони для защиты крупногабаритных объектов военной техники и личного состава Вооруженных Сил показал устойчивое развитие керамических материалов, которые идут на замену стали. Это обусловлено комплексом уникальных свойств броневых керамик: низкой плотностью (в 2-3 раза ниже, чем у стали), высокой твердостью (в 2-3,5 раза выше, чем у стали), высоким модулем упругости.

Так же немаловажен фактор трещиностойкости (характеризуется показателем интенсивности напряжений К_1c) керамического материала, чтобы свести к минимуму разрушение керамики при ударе и, как следствие, повысить ее живучесть, то есть стойкость к множественным попаданиям в единицу площади брони, защищающей соответствующий объект.

Однако у большинства материалов эти свойства имеют обратную связь, то есть чем выше твердость керамики, тем ниже, как правило, ее трещиностойкость.

Создание эффективной керамической брони начинается с рассмотрения механизмов разрушения керамической плитки под нагрузкой и создания конструкции, которая снижала бы напряжения, приводящие к быстрому разрушению керамики. Имеются две основные проблемные области: область сжимающих нагрузок, возникших в керамике под воздействием снаряда на внешней поверхности, и область наибольших растягивающих напряжений на задней поверхности плитки в зоне ее наибольшего изгиба. Оба этих фактора существенно зависят от толщины плитки и типа материала каркаса, в который с тыльной стороны и с боковых поверхностей заключена плитка.

Установлено, что перспективным направлением в развитии броневых керамик является создание многослойных конструкций, содержащих внешний материал из монолитной керамики или металлокерамического композита, закрепленный на эластичной подложке. При этом в качестве эластичной подложки для средств индивидуальной защиты целесообразно использовать полимерные композитные материалы, армированные прочными волокнами.

В настоящее время параллельно с работами по улучшению характеристик брони из стали, алюминиевых и титановых сплавов ведутся исследования по созданию легкой многослойной защиты на основе армированных полимерных материалов и их композиций. Такая броня предназначена для использования в тех случаях, когда вес стальной или другой металлической брони не удовлетворяет требованиям технического задания на разработку боевых средств.

Используются различные критерии эффективности защитных свойств материала: глубина проникания при остановке пули; продолжительность остановки пули; давление, оказываемое на снаряд при проникании; переходная скорость (скорость выше которой происходит проникание и ниже которой пуля отклоняется на поверхности керамики); критическая скорость снаряда, при которой вероятность его остановки данной броней более 50% или предел V_50%нпрб., то есть критическая скорость удара, при которой броня пробивается с вероятностью 50%.

В этой связи большое значение приобретают методы контроля и диагностики таких конструкций. Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценить надежность их эксплуатации и дать рекомендации по ее совершенствованию или восстановлению.

В настоящее время оценка результативности конструирования брони осуществляется главным образом с помощью стендовых испытаний, проводимых для широкого ряда материалов, которые состоят в экспериментальном определении максимальной скорости снаряда, при которой не происходит его проникновения сквозь мишень. Однако какие свойства материала являются определяющими, до сих пор однозначно не установлено. Стендовые испытания не дали достаточной информации относительно конструкции брони, поскольку при оказании противодействия проникновению одновременно работает несколько механизмов. При обычных стендовых испытаниях нельзя разделить вклад отдельных эффектов.

В настоящее время наиболее популярным способом определения качества защитных свойств керамической брони является определение глубины проникания снаряда (ГПС) и баллистический предел V_50%нпрб.. (Маринин В.М., Хромушкин В.А. Определение характеристик энергоемкости защитных конструкций на основе текстильной брони при баллистическом ударе // Международная конференция «Харитоновские тематические научные чтения». Саров, 2005. Сборник тезисов докладов, с. 239-241).

Недостатками методов испытаний на глубину проникания и определения предела V_50%нпрб. является то, что они не дают точного сравнения защитных свойств керамических материалов. В реальной броне не может быть бесконечно толстой подложки (как того требует методология данных тестов).

Наиболее близким к способу и системе по изобретению являются способ и система, раскрытые в публикации Харченко Е.Ф., Ермоленко А.Ф. Изменение энергопоглощения текстильных бронематериалов в зависимости от скорости поражающих элементов // Вопросы оборонной техники. Сер. 15. Композитные неметаллические материалы в машиностроении. - 2010. - вып. 1 (156)-2(157).

Известное техническое решение позволяет осуществить тепловой контроль надежности конструкций. Известный способ контроля качества броневых преград на основе анализа их энергии поглощения поражающего элемента, включает:

- установку броневой преграды перед пластиной из пластилина,

- направление с заданной скоростью поражающего элемента на броневую преграду,

- измерение глубины проникновения поражающего элемента в пластилине,

- определение энергии поглощения по формуле:

где

m - масса поражающего элемента,

v - скорость поражающего элемента в перед композитной броневой преградой,

A(Δw) - работа сил сопротивления пластилина при внедрении в него поражающего элемента.

Система для стендовых испытаний броневых преград на основе анализа их энергии поглощения поражающего элемента, включает:

- устройство, обеспечивающее стрельбу поражающим элементом (снарядом) с заданной скоростью («устройство для стрельбы»),

- устройство для измерения скорости поражающего элемента на выходе устройства для стрельбы,

- подложку, как правило, из пластилина,

при этом устройство измерения скорости расположено между подложкой и устройством для стрельбы на траектории полета поражающего элемента.

Недостатки известных способа и системы следующие:

1. Тарировочные кривые для определения сил сопротивления пластилина при внедрении в него поражающего элемента могут иметь достаточно большую погрешность, что, соответственно, увеличивает погрешность определения энергии поглощения в композитной броневой преграде,

2. Способ не позволяет оценить энергию поглощения по толщине композитной броневой преграды, что не позволяет оптимизировать расположение и характеристики композитных слоев,

3. Способ не позволяет оценить качество самих композитных слоев и их вклад в поглощение энергии,

4. Недостатками методов испытаний на глубину проникания и определения предела V_50%нпрб. является то, что они не дают точного сравнения защитных свойств керамических материалов. В реальной броне не может быть бесконечно толстой подложки (как того требует методология данных тестов),

5. Для реализации способа и реализующей его системы необходима пластилиновая толстая подложка, которая отсутствует в реальных условиях эксплуатации композитной брони. Это снижает достоверность получаемых результатов, т.к. пластилиновая подложка вносит искажения в процесс контроля.

Поэтому данное техническое решение применимо только для контроля ограниченной номенклатуры изделий.

На сегодняшний день имеется актуальная потребность в создании способа и устройства диагностики технического состояния реальных броневых конструкций, который может применяться на практике для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования.

Решение задач определения и локализации областей концентрации внутренних напряжений и вызванных ими дефектов типа нарушений сплошности (например, трещин) стало возможным в связи с развитием средств диагностики, основанных на регистрации и анализе температурных полей поверхности контролируемой конструкции. Наиболее значимые результаты появились в последнее десятилетие.

Это связано, с появлением современной портативной тепловизионной техники, например, см. О.Н. Будадин и др., Тепловой неразрушающий контроль изделий, М., Наука, 2002, стр. 338-393, во-вторых, с созданием современного математического аппарата (там же, стр. 39-89), позволяющего решать прямые и обратные задачи нестационарной теплопередачи, что дало возможность перехода от дефектоскопии (обнаружения дефектов) к дефектометрии (распознавания внутренних дефектов, определения их характеристик и оценки остаточного ресурса изделий).

Сущность изобретения

Изобретение направлено на решение задачи повышения достоверности контроля композитных броневых преград за счет исключение указанных выше недостатков.

Т.е. в конечном итоге изобретение направлено на повышение безопасности защищаемого личного состава от поражающих элементов.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении информативности и достоверности результатов испытаний конструкций броневых преград, имеющих многослойную конструкцию, без толстой подложки, т.е. максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации.

Технический результат достигается за счет того, что в способе контроля качества композитной броневых преград из ткани на основе анализа их энергии поглощения поражающего элемента, включающем установку композитной броневой преграды перед пластиной из пластичного материала, направление с заданной скоростью поражающего элемента на броневую преграду, измерение глубины проникновения поражающего элемента в пластичном материале, определение энергии поглощения по формуле:

где

m - масса поражающего элемента,

v - скорость поражающего элемента в перед композитной броневой преградой,

A(Δw) - работа сил сопротивления пластилина при внедрении в него поражающего элемента, устанавливают многослойную броневую преграду из ткани таким образом, чтобы нити ткани располагались под углом к вертикальной и горизонтальной осям; до взаимодействия композитной броневой преграды с поражающим элементом измеряют температурное поле Т₀(x,y) поверхности композитной броневой преграды и определяют среднее значение температуры, которое в дальнейшем принимают за исходную температуру:

где x,y - координаты поверхности контролируемой броневой преграды,

N.M - максимальные размеры регистрируемого температурного поля,

- после взаимодействия поражающего элемента с броневой преградой измеряют температурное поле Т = T(x,y,t_i) в области соприкосновения поражающего элемента с композитной броневой преградой,

где t_i - момент времени измерения температурного поля,

i = 1,2, …..N - номер измерения (например, номер кадра),

N - наибольшее количество измерений,

при этом начало регистрации температурного поля начинают с момента соприкосновения поражающего элемента с композитной броневой преградой, на температурном поле Т = T(x,y,t_i) измеряют наибольшее значение температуры T_max = T(t_i) на расстоянии «а≥2r» от центра взаимодействия броневой преграды и поражающего элемента, где r - радиус поражающего элемента; измеряют время, в течение которого величина ΔT(t_i) = (T(x,y,t_i) - Т₀) достигает наибольшего значения:

и

где x₀, y₀ - центр взаимодействия броневой преграды и поражающего элемента,

i _max - номер измерения (например, номер кадра), соответствующий максимальному

значению ΔT(t_i) = (T(x,y,t_i) - Т₀);

r - радиус поражающего элемента;

- измеряют местоположение по глубине слоя нитей, имеющих наибольшее энергопоглощение:

Δ = t_max × V_T,

где V_T - скорость распространения температурного фронта в броневой преграде по нормали к поверхности,

t _max - время, в течение которого величина ΔT(t_i) = (T(x,y,t_i) - Т₀) достигает наибольшего значения,

- прекращают измерение температурного поля при выполнении условия:

ΔT(t_i+1)<ΔT(t_i).

Технический результат усиливается за счет того, что температурное поле регистрируют путем тепловизионного обследования поверхности.

Технический результат в части устройства достигается за счет того, что устройство контроля качества композитных броневых преград из ткани, включающее устройство измерения скорости поражающего элемента, устройство для стрельбы и регистратор, дополнительно. снабжено тепловизионной системой, устройством регистрации начала полета поражающего элемента, счетчиком кадров, первым логическим блоком «если», электронным ключом, первым сумматором, вторым сумматором, первым инвертором, третьим сумматором, блоком задержки, вторым логическим блоком «если», вторым инвертором, первым умножителем, вторым умножителем, при этом тепловизионная система расположена таким образом, что бы поле обзора ее оптической части охватывало место соприкосновения поражающего элемента и композитной броневой преграды, вход устройства регистрации начала полета поражающего элемента подключен к выходу устройства измерения скорости поражающего элемента на выходе устройства для стрельбы, выход устройства регистрации начала полета поражающего элемента подключен к первому входу тепловизионной системы, первый выход тепловизионной системы подключен к первому входу счетчика кадров, второй выход тепловизионной системы подключен одновременно к второму входу первого логического блока «если» и к второму входу электронного ключа, к первому входу первого логического блока «если» подключен первый выход счетчика кадров, третий выход счетчика кадров подключен к первому входу электронного ключа, выход электронного ключа подключен к входу первого сумматора, выход первого сумматора подключен к входу первого инвертора, выход первого инвертора подключен к первому входу второго сумматора, выход первого логического блока «если» подключен одновременно к второму входу второго сумматора и к входу блока задержки, первый выход второго сумматора подключен к первому входу третьего сумматора, второй выход второго сумматора подключен к второму входу блока задержки и к второму входу регистратора, выход блока задержки подключен к входу второго инвертора, выход второго инвертора подключен к второму входу третьего сумматора, выход третьего сумматора подключен к входу второго логического блока «если», первый выход второго логического блока «если» подключен в третьему входу первого логического блока «если», второй выход второго логического блока «если» подключен одновременного к первому входу первого умножителя и к второму входу тепловизионной системы, к второму входу первого умножителя подключен второй выход счетчика кадров, а выход первого умножителя подключен к входу второго умножителя, выход которого подключен к регистратору.

Краткое описание фигур чертежей

Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на:

фиг. 1 приведена структурная схема системы контроля качества композитных броневых преград, реализующего способ,

фиг. 2 приведена типовая термограмма (распределение температурного поля) поверхности в зоне соприкосновения поражающего элемента и поверхности броневой преграды,

фиг. 3 приведены термограммы поверхности в различные моменты времени после взаимодействия броневой преграды и поражающего элемента: а - термограмма до взаимодействия, б - термограмма через 0,01 с после взаимодействия, в - термограмма через 0,03 с после взаимодействия, г - термограмма через 0,05 с после взаимодействия,

фиг. 4 зависимость температуры в области нитей, вовлеченных в процесс взаимодействия с поражающим элементом от времени после взаимодействия,

фиг 5 расчетные схемы площади нитей, вовлекаемых в процесс при взаимодействии броневой преграды и поражающего элемента: а - скорость поражающего элемента - 10 м/с; б - 50 м/с; в - 100 м/с,

фиг.6 - расчетная зависимость площади вовлечения нитей в деформационные процессы в зависимости от скорости поражающего элемента,

фиг. 7 - фотография взаимодействия поражающего элемента и броневой преграды: а - внешний вид слоя ткани полотняного переплетения, б - характер воздействия низкоскоростного поражающего элемента с тканью полотняного переплетения,

фиг. 8 - схема слоистого тканого образца прямоугольной формы,

фиг. 9 - системы координат,

фиг. 10 - фотография устройства.

На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:

1 - исследуемая композитная броневая преграда,

2 - слой пластика (пластилина),

3 - устройство измерения скорости полета поражающего элемента,

4 - тепловизионная система,

5 - устройство для стрельбы,

6 - устройство регистрации начала полета поражающего элемента,

7 - поле обзора тепловизионной системы,

8 - место соприкосновения поражающего элемента и поверхности композитной броневой преграды,

9 - направление движения поражающего элемента,

10 - регистратор,

11 - счетчик кадров,

12 - первый логический блок «если»,

13 - электронный ключ,

14 - первый сумматор,

15 - второй сумматор,

16 - первый инвертор,

17 - третий сумматор,

18 - блок задержки,

19 - второй логический блок «если»,

20 - второй инвертор,

21 - первый умножитель,

22 - второй умножитель,

23 - поражающий элемент.

(Т-25) град. С - температура в области взаимодействия поражающего элемента и броневой преграды,

25°С=Т₀ - средняя температура поверхности броневой преграды до взаимодействия поражающего элемента и броневой преграды,

V[м/c] - скорость поражающего элемента,

S/So - относительное изменение площади нитей, вовлекаемых в деформирование,

«экспериментальные» результаты, совпадающие с модельными,

прогнозируемые результаты относительного изменения площадей нитей, вовлекаемых в деформирование,

(x, y, z) - эйлерова система координат,

(α, β, n) - лагранжева система координат

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

Все используемые электронные блоки построены на основе стандартных микропроцессорных схем и микропроцессорных сборок с перепрограммируемыми запоминающими устройствами (см. например, Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учебн. пособие для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - СПб.: - БХВ-Петербург, 2010.). В качестве тепловизионной системы 4 используются тепловизоры фирмы FLIR SYSTEMS INC., компании ИРТИС или аналогичные по техническим характеристикам. В проводимых экспериментах в рамках данной заявки использовалась тепловизионная система FLIR 1500.

Устройство для стрельбы изготовлено на основе стандартной мелкокалиберной винтовки. Устройство измерения скорости полета поражающего элемента (пули) РС-4М (производство «Малое Государственное Предприятие «Нанотех», г. Санкт-Петербург, руководство по эксплуатации РС-4.00.00ТО) имеет стандартную конструкцию. Оно включает два оптико-электронных датчика (фотореле), расположенные последовательно вдоль траектории движения поражающего элемента на заданном расстоянии друг от друга. Содержит, также, таймер (электронный секундомер). При пересечении поражающего элемента первого оптико-электронного датчика таймер начинает работу, а при пересечении второго оптико-электронного датчика таймер выключается. Зная расстояние между датчиками и время работы таймера скорость поражающего элемента рассчитывается по известной формуле.

Устройство (система стендовых испытаний) композитных броневых преград на основе анализа их энергии поглощения поражающего элемента (фиг. 1) включает устройство 5 для стрельбы, расположенное между подложкой 2 и устройством 5 для стрельбы на траектории полета поражающего элемента устройство 3 измерения скорости полета поражающего элемента на выходе устройства 5 для стрельбы, подложку 2 из пластичного материала, тепловизионную систему 4, регистратор 10 и устройство 6 регистрации начала полета поражающего элемента.

Тепловизионная система 4 расположена таким образом, что бы поле обзора 7 ее оптической части охватывало место соприкосновения поражающего элемента и композитной броневой преграды 1. Вход устройства 6 регистрации начала полета поражающего элемента подключен к выходу устройства 3 измерения скорости поражающего элемента на выходе устройства 5 для стрельбы. Выход устройства 6 регистрации начала полета поражающего элемента подключен ко первому входу тепловизионной системы 4.

Первый выход тепловизионной системы 4 подключен к первому входу счетчика кадров 11.

Второй выход тепловизионной системы 4 подключен одновременно к второму входу первого логического блока «если» 12 и к второму входу электронного ключа 13.

К первому входу первого логического блока «если» подключен первый выход счетчика кадров 11.

Третий выход счетчика кадров 11 подключен к первому входу электронного ключа 13.

Выход электронного ключа 13 подключен к входу первого сумматора 14.

Выход первого сумматора 14 подключен к входу первого инвертора 16.

Выход первого логического блока «если» 12 подключен одновременно к второму входу второго сумматора 15 м к входу блока задержки 18.

Выход второго сумматора 15 подключен к первому входу третьего сумматора 17.

Второй выход второго сумматора 15 подключен к второму входу блока задержки 18 и к второму входу регистратора 10.

Выход первого инвертера подключен в первому входу второго сумматора.

Выход блока задержки 18 подключен к входу второго инвертора 20.

Выход второго инвертора 20 подключен к второму входу третьего сумматора 17.

Выход третьего сумматора 17 подключен к входу второго логического блока «если» 19.

Первый выход второго логического блока «если» 19 подключен к третьему входу первого логического блока «если» 12.

Второй выход второго логического блока «если» 19 подключен одновременного к первому входу умножителя 21 и ко второму входу тепловизионной системы 4.

Ко второму входу первого умножителя 21 подключен второй выход счетчика кадров 11.

Выход первого умножителя 21 подключен к входу второго умножителя 22, выход которого подключен к регистратору 10.

Реализация способа осуществляется следующим образом

Тепловизионную систему 4 устанавливают таким образом, чтобы место соприкосновения поражающего элемента и поверхности композитной броневой преграды 8 находилось в пределах поля обзора 7 тепловизионной системы 4 и, желательно, максимально близко к центру поля обзора.

Далее производится выстрел поражающим элементом устройством 5 в сторону исследуемого материала.

В момент прохождения поражающего элемента через устройство 3 - устройство измерения скорости поражающего элемента, (данное устройство располагается максимально близко к устройству 5) с выхода устройства 3 (с выхода одного из оптико-электронных датчиков) поступает сигнал на вход устройства регистрации начала полета поражающего элемента 6, сигнал с которого поступает на управляющий вход тепловизионной системы 4.

В момент поступления сигнала от блока 6 тепловизионная система 4 начинает регистрировать температурное поле поверхности объекта 1 с частотой «f» [кадр/сек]. Частота регистрации «f» определяется техническими характеристиками тепловизионной системы. Например, для тепловизинных систем фирмы FLIR SYSTEMS INC. f=100 Гц.

В момент начала работы тепловизионной системы 4 счетчик кадров начинает подсчет зарегистрированных кадров видеоизображения теплового поля тепловизионной системой 4 с i=0 (нулевой кадр до попадания поражающего элемента в объект контроля 1).

При i=0 электронный ключ 13 пропустит на первый сумматор 14 нулевой кадр Т₀(x,y) видеоизображения температурного поля поверхности композитной броневой преграды.

В первом сумматоре 14 определяют среднее значение температуры, которое в дальнейшем будет приниматься за исходную температуру:

где x,y - координаты поверхности контролируемой броневой преграды,

N.M - максимальные размеры регистрируемого температурного поля.

Начиная с первого кадра (i>1), т.е. с момента взаимодействия поражающего элемента с броневой преградой, видеоизображения температурного поля с тепловизионной системы 4 через логический блок «если» 12 поступает на входы второго сумматора 15 и блока задержки 18.

С выхода первого сумматора 14 величина Т₀ поступает в первый инвертор 16, гдк преобразуется в величину с противоположным знаком (-Т₀).

Далее величина (-Т₀) с первого инвертора 16 поступает на первый вход второго сумматора 15.

В сумматоре 15 осуществляется вычисление зависимости

ΔT(t_i) = (T(x,y,t_i) - Т₀) в области температурного поля

Значения x₀ и y₀ указываются оператором перед началом контроля.

В блоке 18 осуществляется задержка величины ΔT(t_i) на один кадр назад, т.е. с выхода блока задержки 18 сигнал ΔT(t_i-1) поступает на инвертор 20, где преобразуется в сигнал с противоположным знаком: (-ΔT(t_i-1)).

Величина (-ΔT(t_i-1)) со второго инвертора 20 поступает на второй вход третьего сумматора 17, на первый вход которого поступает сигнал ΔT(t_i) со второго сумматора 15.

В третьем сумматоре 17 формируется величина: δ = ΔT(t_i)-ΔT(t_i-1), которая поступает на второй логический блок «если» 19.

Блок 19 работает следующим образом. Если δ≥0, т.е. значение ΔT(t_i) возрастает, то с выхода 1 блока 19 поступает сигнал на вход 2 тепловизионной системы - разрешение на продолжение регистрации температурного поля. Если δ<0, т.е. величина ΔT(t_i) достигла максимального значения при i=i_max и начала убывать, то на вход тепловизионной системы с выхода 2 блока 19 сигнал не поступает и тепловизионная система 4 прекращает регистрацию температурного поля. С выхода 2 блока 19 сигнал поступает на первый вход первого умножителя 21.

На второй вход первого умножителя 21 поступает сигнал со второго выхода 2 счетчика кадров 11 - значение i_max, т.е. то значение номера кадра i, которое соответствует максимальному значению величины ΔT(t_i).

В первом умножителе 21 осуществляется определение величины t_max - времени достижения максимального значения ΔT(t_i):

С выхода первого умножителя 21 величина t_max поступает на вход второго умножителя 22, где осуществляется определение величины глубины расположения от поверхности контроля слоя нитей, имеющих наибольшее энергопоглощение:

Δ = t_max × V_T,

где V_T - скорость распространения температурного фронта в броневой преграде по нормали к поверхности (данную величину определяют по теплотехническому справочнику либо экспериментально перед началом измерений).

Величина Δ с выхода умножителя 22 поступает на на первый вход регистратора, на второй вход поступает значение ΔT(t_i) = (T(x,y,t_i) - Т₀) с второго выхода блока 15. В блоке 10 осуществляется регистрация результатов контроля.

Для подтверждения работоспособности предлагаемого способа и реализующего его устройства и эффективности проведены теоретические и экспериментальные исследования на некоторых композитных броневых преградах.

На фиг. 7, в качестве примера, приведен фрагмент тканого образца и процесс его взаимодействия с поражающим элементом.

На фиг. 1 приведена схема проведения контроля качества броневой защиты на основе тканого образца путем анализа взаимодействия с поражающим элементом.

На фиг. 10 приведена фотография устройства, на котором производился контроль.

На фиг. 2, в качестве примера, приведена типовая термограмма поверхности контролируемого изделия при взаимодействии с поражающим элементом.

Ниже описана математическая модель, разработанная для теоретических исследований и подтверждения работоспособности и эффективности предлагаемого способа контроля качества многослойных композитных броневых преград из ткани и устройства для его осуществления.

Кинематические параметры теоретической модели

Моделируемый объект - многослойная слоистая среда, каждый слой которой представляет собой набор двух семейств переплетенных нитей (фиг. 8, фиг. 9).

Считаем моделируемую область прямоугольной. В различных слоях ориентация нитей может быть различной.

Нити направлены вдоль взаимно ортогональных линий с отклонениями по нормали (ввиду их переплетения). В каждом слое выбирается своя система координат - две оси (абсцисс и ординат) направлены вдоль основы и вдоль утка, третья ось - ось аппликат - по толщине.

Первое семейство нитей (α-семейство) расположено вдоль оси абсцисс. Параметр α задает положение точки вдоль нити.

Второе семейство нитей (β-семейство) расположено вдоль оси ординат. Параметр β задает положение точки вдоль нити, при этом α=const. Для первого семейства β=const.

Точки пересечения нитей могут быть двух типов, т.к. переплетение саржевое. Обозначим через M(i,j) точку пересечения i-й линии первого семейства с j-й линией второго семейства. Положение этой точки при деформации ткани не остается постоянным, и координаты α, β точки пересечения после деформации не остаются постоянными ввиду взаимного смещения волокон. Поэтому координаты α, β можно считать лагранжевыми координатами точек нитей, но не координатами точек их пересечения. Изменение координат точек пересечения - это величина проскальзывания нитей: изменение α - это проскальзывание нити первого семейства, а изменение β - второго семейства.

В начальном положении координаты α, β определяют плоскость ткани. Каждая нить первого семейства имеет форму, определяемую параметрическим уравнением:

где - радиус-вектор текущей точки. Аналогично, параметрическое уравнение нити второго семейства имеет вид:

При этом в начальном положении ординаты точек нитей первого семейства постоянны, так же, как и абсциссы точек второго семейства. От параметра α или β зависит только аппликата точки.

Координаты точек пересечения нитей (на самом деле - касания пространственно искривленных нитей) в исходном состоянии находятся в координатной плоскости (X, Y) и образуют двоякопериодическую систему точек. Шаг между точками по основе и по утку определяется линейной плотностью утка и основы соответственно (числом нитей на единицу длины).

В процессе деформации при ударе точки нитей получают перемещения в пространстве. Это - не то же самое, что перемещения поверхности: необходимо раздельно рассматривать перемещения нитей каждого семейства.

Движение нитей представим как сумму переносного и относительного движения. В качестве переносного будем использовать перемещения реперных точек М (i,j) вдоль оси аппликат. Точки М (i j) не являются материальными точками. Их положение определяет только форму образца в процессе его движения под действием внешних сил.

Относительное движение - это смещения материальных точек волокон относительно реперных точек М (i,j). Относительное движение происходит по касательным к реперной поверхности. Компоненты относительных смещений - и - определяют взаимное расположение нитей. Необходимо различать перемещения нитей первого и второго семейства: - перемещения нитей первого семейства, - перемещения нитей второго семейства.

Суммарное перемещение равно сумме переносных и относительных перемещений. Это же относится и к скоростям материальных точек. Ускорения в сложном движении определяются общими формулами кинематики.

Деформации и скорости деформаций определяются дифференцированием перемещений по координатам. Предполагается найти ковариантные компоненты деформаций и от них перейти к «физическим» производным.

Напряженное состояние

Напряжения в нити определяются силой ее натяжения. Натяжение изменяется по длине нити вследствие ее взаимодействия с соседними нитями, соседними слоями, внешним воздействующим телом (с лицевой стороны, в локальной зоне воздействия) и вязким основанием (с изнаночной стороны).

Точки взаимодействия нитей одного и того же слоя - двух типов: «переходы» и «саржевые» точки. В одном случае нить переходит с лицевой на обратную сторону только с одной стороны от нити второго семейства, а в другом такой переход имеет место с обеих сторон. Поэтому в «саржевой» точке контакт нитей имеет меньшую площадь, чем в «переходной» точке и усилие прижатия нитей при растяжении ткани также меньше.

Взаимное относительное смещение нитей вызывает силу трения, которая тем больше, чем больше натяжение нитей и площадь контакта. Сила трения препятствует только относительному движению, а не переносному.

Под действием сил натяжения, сил трения и сил со стороны воздействующего объекта каждая точка нити движется с ускорением.

Межслоевое взаимодействие происходит за счет напряжений сжатия слоев в направлении нормали.

Определяющие соотношения

Натяжение нити вызывает ее продольную деформацию, которая может быть определена по диаграмме деформирования. Эта деформация разделяется на обратимую и необратимую составляющие. Обратимая составляющая вызывает колебания нитей, необратимая приводит к диссипации энергии и частично переходит в тепло.

Сила трения зависит от натяжения нитей. Физическое соотношение подлежит идентификации. Сила трения совершает работу на взаимных смещениях нитей в относительном движении. Эта работа переходит в тепло полностью.

Вязкое основание совершает работу на перемещениях вдоль оси аппликат (модель может быть взята типа винклеровской, но не упругой, а вязкой: сила сопротивления постоянна, а деформация просадки необратима). Работа силы вязкости в основании рассеивается в объеме основания и может не включаться в общий тепловой эффект.

Граничные и начальные условия

Граничным условием является отсутствие натяжения нитей на кромке образца.

Начальное условие в перемещениях: реперная поверхность плоская, а начальные относительные перемещения нитей равны нулю.

Начальное условие в скоростях: участок лицевой поверхности заданных размеров контактирует с твердым недеформируемым объектом, имеющим заданную массу и заданную скорость.

Тепловыделение и теплоперенос

Тепловыделение происходит вследствие работы сил трения между нитями и вследствие необратимой деформации нитей.

Теплоотдача с поверхности образца в основание (с изнаночной стороны) и в окружающий воздух (с лицевой стороны) ввиду кратковременности процесса может не учитываться, либо учитываться как конвективная теплоотдача в среду.

Методы решения

Разрешающие уравнения строятся на основе уравнения Лагранжа 2-го рода с учетом работы сил натяжения нитей, сил трения и сил инерции. Поля перемещений и скоростей предполагается считать заданными на континуальной области с разделением на относительное и переносное движение для учета проскальзывания нитей. В результате должны быть получены дифференциальные уравнения движения - либо в частных производных с последующей дискретизацией, либо непосредственно на дискретной модели; в последнем случае будет использована идеализация, предполагающая уменьшение числа нитей в образце по сравнению с натурным объектом.

Интегрирование уравнений движения, полученных тем или другим способом, предполагается производить численно с использованием разностной схемы по времени. Предполагается расщепление схемы на чередующиеся лагранжевы и эйлеровы шаги, в которых поочередно будут рассчитываться параметры переносного и относительного движения.

Выше описана разработанная приближенная теоретическая модель, в которой учитываются потери механической энергии поражающего элемента на необратимую деформацию, внутреннее трение и тепловыделение.

Решено уравнение движения многослойного прямоугольного образца из ткани при ударе воздействующим объектом. Дискретизация по пространству методом конечных элементов на основе вариационного принципа приводит задачу к системе линейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами. Для интегрирования по времени используется абсолютно устойчивая неявная схема с переменным шагом.

Спектральный анализ модели показал ее абсолютную устойчивость.

Схема устройства контроля качества броневых преград, на которой проводились экспериментальные исследования, приведена на фиг. 1. На фиг. 10 приведена фотография устройства.

При проведении экспериментальных исследований броневая преграда обстреливалась со скоростями от 260 до 760 м/с стандартными имитаторами осколка - стальными шариками диаметром 6,3 мм, имеющими массу 1,05 г. Измерение тепловых полей производилось тепловизором марки FLIR-1500 (частота регистрации кадров f=10 Гц).

В качестве объекта исследования использовался четырехслойный пакет из баллистической ткани на основе арамидных волокон РУСАР (броневая преграда). Суммарная поверхностная плотность пакета составляла 0,5 кг/м².

В качестве примера, на фиг. 3-6 приведены некоторые результаты теоретических с использованием описанной выше физико-математической модели и экспериментальных исследований демонстрирующих работоспособность и эффективность предлагаемого способа контроля качества многослойных композитных броневых преград из ткани и устройство для его осуществления.

На фиг. 3, в качестве примера, приведены результаты расчета площади нитей, вовлекаемых в процесс при взаимодействии броневой преграды (однослойный тканый образец) и поражающего элемента с использованием разработанной теоретической модели:

Из фиг 3. видно, что полученное решение достоверно отражает эффект «продергивания» (деформирование) нитей поражающим элементом и расширения поврежденной площади, полученный экспериментально в известных работах.

Обработка результатов теоретических исследований позволила определить ряд зависимостей, описывающих процесс взаимодействия броневой преграды и ПЭ, что позволяет прогнозировать характеристики исследуемой броневой преграды.

На фиг. 6 приведена расчетная зависимость площади нитей вовлеченных в процесс взаимодействия поражающего элемента с броневой преградой.

Зависимости, приведенная на фиг. 6 и аналогичные, полученные с помощью разработанной математической модели, с учетом результатов экспериментальных исследований по предлагаемому способу и реализующему его устройству, позволяет прогнозировать предельную скорость поражающего элемента для исследуемой многослойной броневой преграды (нулевая площадь означает, что нити не успевают погасить энергию поражающего элемента)

На фиг. 4 приведена экспериментальная зависимость температуры (Т-25) град. С в области нитей, вовлеченных в процесс взаимодействия с поражающим элементом от времени после взаимодействия.

Зависимость фиг. 4 позволяет, например, зная скорость распространения температурного (теплового) фронта в конструкции определять глубину залегания от поверхности броневого материала слоя, наиболее эффективно погасившего энергию ПЭ, имеющего скорость V_т. Такие исследования позволяют располагать слои многослойной броневой преграды оптимальным образом для эффективного «гашения» энергии ПЭ.

Для рассматриваемого случая V_т=0,08 м/с. Поэтому наиболее энергопоглащающий слой располагается на глубине

Δ = 0,05 с × 0,08 м/с = 0,004 м,

при общей толщине броневой преграды - 0,005 м.

В дополнение к результатам, полученным по методу, основанному на определении энергии поражающего элемента, поглощаемой запреградной средой, предлагаемый способ и устройство для его осуществления, позволили определить характеристики динамических температурных полей в зонах взаимодействия брони с поражающим элементом и оценить размеры этих зон при различных скоростях поражающего элемента. Это позволило разработать более эффективные конструкции многослойной броневой преграды.

Таким образом, осуществляется оценка качества броневой преграды, в т.ч. определяются наиболее эффективные слои с точки зрения поглощения энергии поражающего элемента.

Способ теплового контроля и устройство для его осуществления представляется перспективным для исследования процессов взаимодействия поражающего элемента с броневыми структурами из полимерных материалов. Его использование позволило более эффективно производить отбор материалов для броневых структур с целью повышения их защитные свойства.

Представленный способ контроля качества композитных броневых преград и устройство для его осуществления имеют следующие преимущества:

1. Исключается операция построения тарировочных кривых для определения сил сопротивления пластилина при внедрении в него поражающего элемента, которые могут иметь достаточно большую погрешность, что, соответственно, увеличивает погрешность определения энергии поглощения в композитной броневой преграде. Это значительно, в 2-4 раза снижает погрешность получаемых результатов.

2. Позволяет оценить энергию поглощения по толщине композитной броневой преграды, что позволяет оптимизировать расположение и характеристики композитных слоев.

3. Позволяет оценить качество самих композитных слоев и их вклад в поглощение энергии,

4. За счет исключения толстой пластилиновой подложки дает относительно точные характеристики защитных свойств материалов за счет исключения искажений результатов (в реальной броне не может быть бесконечно толстой подложки, как требуется при осуществлении известного способа),

5. Повышается производительность исследований (ориентировочно, в 3-5 раз) за счет исключения операций составления тарировочных кривых, которые необходимо проводить при каждой смене подложки, изменения температуры окружающей среды, а также наглядной оперативной визуализации реакции взаимодействия поражающего элемента и броневой преграды в виде динамических температурных полей.

Изобретения относятся к измерительной технике. Способ заключается в измерении местоположения по глубине преграды слоя нитей, имеющих наибольшее энергопоглощение. Для его осуществления используют устройство, включающее устройство измерения скорости поражающего элемента, устройство для стрельбы и регистратор, тепловизионную систему, устройство регистрации начала полета поражающего элемента, счетчик кадров, первый и второй логические блоки «если», электронный ключ, первый - третий сумматоры, первый - второй инверторы блок задержки, первый - второй умножители. Тепловизионная система расположена таким образом, чтобы поле обзора ее оптической части охватывало место соприкосновения поражающего элемента и композитной броневой преграды. Технический результат - повышение информативности и достоверности результатов испытаний конструкций броневых преград, имеющих многослойную конструкцию, без толстой подложки, т.е. максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ контроля качества композитных броневых преград из ткани на основе анализа их энергии поглощения поражающего элемента, включающий:

- установку композитной броневой преграды перед пластиной из пластичного материала,

- направление с заданной скоростью поражающего элемента на броневую преграду,

- измерение глубины проникновения поражающего элемента в пластичном материале,

- определение энергии поглощения по формуле:

,

где

m - масса поражающего элемента,

v_o - скорость поражающего элемента перед композитной броневой преградой,

A(Δw) - работа сил сопротивления пластика при внедрении в него поражающего элемента, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют следующие действия:

- устанавливают многослойную броневую преграду из ткани таким образом, чтобы нити ткани располагались под углом к вертикальной и горизонтальной осям;

- до взаимодействия композитной броневой преграды с поражающим элементом измеряют температурное поле Т₀(x, y) поверхности композитной броневой преграды и определяют среднее значение температуры, которое в дальнейшем принимают за исходную температуру:

где x, y - координаты поверхности контролируемой броневой преграды,

N.M - максимальные размеры регистрируемого температурного поля,

- после взаимодействия поражающего элемента с броневой преградой измеряют температурное поле Т=T(x, y, t_i) в области соприкосновения поражающего элемента с композитной броневой преградой,

где t_i - момент времени измерения температурного поля,

i=1, 2, … N - номер измерения,

N - наибольшее количество измерений,

при этом начало регистрации температурного поля начинают с момента соприкосновения поражающего элемента с композитной броневой преградой,

- на температурном поле Т=T(x, y, t_i) измеряют наибольшее значение температуры T_max=T(t_i) на расстоянии «а≥2r» от центра взаимодействия броневой преграды и поражающего элемента, где r - радиус поражающего элемента;

- измеряют время, в течение которого величина ΔT(t_i)=(T(x, y, t_i)-Т₀) достигает наибольшего значения:

(если ΔT(t_i)=(T(x, y, t_i)-Т₀)=max

и

где х₀, y₀ - центр взаимодействия броневой преграды и поражающего элемента,

i_max - номер измерения (например, номер кадра), соответствующий максимальному значению ΔT(t_i)=(T(x, y, t_i)-Т₀);

r - радиус поражающего элемента;

- измеряют местоположение по глубине слоя нитей, имеющих наибольшее энергопоглощение:

Δ=t_maxxV_T,

где V_T - скорость распространения температурного фронта в броневой преграде по нормали к поверхности,

t_max - время, в течение которого величина ΔT(t_i)=(T(x, y, t_i)-Т₀) достигает наибольшего значения,

- прекращают измерение температурного поля при выполнении условия:

ΔT(t_i+1)<ΔT(t_i).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температурное поле регистрируют путем тепловизионного обследования поверхности.

3. Устройство контроля качества композитных броневых преград из ткани, включающее устройство измерения скорости поражающего элемента, устройство для стрельбы и регистратор, отличающееся тем, что дополнительно снабжено тепловизионной системой, устройством регистрации начала полета поражающего элемента, счетчиком кадров, первым логическим блоком «если», электронным ключом, первым сумматором, вторым сумматором, первым инвертором, третьим сумматором, блоком задержки, вторым логическим блоком «если», вторым инвертором, первым умножителем, вторым умножителем, при этом тепловизионная система расположена таким образом, чтобы поле обзора ее оптической части охватывало место соприкосновения поражающего элемента и композитной броневой преграды, вход устройства регистрации начала полета поражающего элемента подключен к выходу устройства измерения скорости поражающего элемента на выходе устройства для стрельбы, выход устройства регистрации начала полета поражающего элемента подключен к первому входу тепловизионной системы, первый выход тепловизионной системы подключен к первому входу счетчика кадров, второй выход тепловизионной системы подключен одновременно к второму входу первого логического блока «если» и к второму входу электронного ключа, к первому входу первого логического блока «если» подключен первый выход счетчика кадров, третий выход счетчика кадров подключен к первому входу электронного ключа, выход электронного ключа подключен к входу первого сумматора, выход первого сумматора подключен к входу первого инвертора, выход первого инвертора подключен к первому входу второго сумматора, выход первого логического блока «если» подключен одновременно к второму входу второго сумматора и к входу блока задержки, первый выход второго сумматора подключен к первому входу третьего сумматора, второй выход второго сумматора подключен к второму входу блока задержки и к второму входу регистратора, выход блока задержки подключен к входу второго инвертора, выход второго инвертора подключен к второму входу третьего сумматора, выход третьего сумматора подключен к входу второго логического блока «если», первый выход второго логического блока «если» подключен в третьему входу первого логического блока «если», второй выход второго логического блока «если» подключен одновременного к первому входу первого умножителя и к второму входу тепловизионной системы, к второму входу первого умножителя подключен второй выход счетчика кадров, а выход первого умножителя подключен к входу второго умножителя, выход которого подключен к регистратору.