СПОСОБ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ АТТЕСТАЦИИ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ ПОРАЖАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА МНОГОСЛОЙНОЙ ТЕКСТИЛЬНОЙ БРОНЕВОЙ ПРЕГРАДОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G01N25/72 G01N3/08 G01N33/36 F41H5/00 

Область техники

Группа изобретений относится к области измерительной техники и может использоватьсядля оценки погрешности метода при контроле качества композитных броневых преград на основе результатов теплового контроля при попадании поражающего элемента в броневую преграду за счет поглощения энергии броневой преградой, а также для проведения непосредственно контроля.

Изобретения могут быть использованы 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. Широкое распространение получили текстильные броневые преграды. К таким конструкциям с одной стороны предъявляются высокие требования по надежности защиты, а с другой стороны они являются дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы большое количество конструкций можно было испытать методами разрушающего контроля, т.е. разрушить после воздействия 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. А поскольку данная задача решается на основе определения энергии поглощения поражающего элемента, то существует актуальная задача оценки погрешности определения энергии поглощения, т.е. задача метрологической аттестации методики контроля.

Уровень техники

Появление новых типов эффективных бронебойных боеприпасов стрелкового оружия выдвинуло перед разработчиками легкобронированной и небронированной техники задачу - повышения ее защищенности, а также защищенности людей, находящихся в ней (Анискович В.А. Научно-технологические аспекты создания комбинированной полимеркерамической брони. - М.: Издательский 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 текстильной брони с требуемыми свойствами, в том числе отсутствуют методы математического моделирования и расчета комбинированной брони, новые эффективные бронематериалы, методы прогнозирования конструкции текстильной брони с заданными защитными свойствами.

В том числе отсутствует подход к оценке достоверности определения энергии поглощения поражающего элемента.

Анализ современных тенденций в области развития брони для защиты крупногабаритных объектов военной техники и личного состава Вооруженных Сил выявил устойчивое развитие текстильной броневой преграды, которая в большинстве случаев заменяет сталь при защите личного состава. Это обусловлено комплексом уникальных свойств такой брони: низкой плотностью, малым весом, невысокой себестоимостью при производстве.

Используются различные критерии оценки эффективности защитных свойств материала: глубина проникания при остановке поражающего элемента (ПЭ); продолжительность остановки ПЭ; давление, оказываемое на ПЭ при проникании; переходная скорость (скорость выше которой происходит проникание и ниже которой ПЭ отклоняется на поверхности); критическая скорость ПЭ, при которой вероятность его остановки данной броней более 50% или баллистический 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 проникновение сквозь мишень. Однако какие свойства материала броневой преграды являются определяющими, данными экспериментами установить затруднительно. 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., Хромуш-кин 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 баллистического 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). Эти методы также не позволяют оценить погрешность поглощения энергии.

Известны способ и система, раскрытые в публикациях:

- Долганина, Н.Ю. Оценка баллистического предела и прогиба многослойных тканевых пластин при ударе индентором // Вестник ЮУрГУ. Серия: Машиностроение. - 2010. - №10 (186). - С. 17-23, и Долганина, Н.Ю. Исследование ударного взаимодействия индентора с тканевыми бронепластинами, расположенными на пластилиновом основании // Вестник ЮУрГУ. Серия: Вычислительная математика и информатика - 2012. - №47 (306). - С. 37-45.

Известные технические решения позволяет осуществить тепловой контроль надежности конструкций. 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,

- подложка, как правило, из пластилина,

при этом устройство измерения скорости расположено между подложкой и устройством для стрельбы на траектории полота 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 и с оценкой погрешности определения энергии поглощения.

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).

Наиболее близкими техническими решениями к представленным способу и устройству являются способ и реализующее его устройство, описанные в патенте РФ 2608491.

Известный из РФ 2608491 способ контроля качества композитных броневых преград включает направление с заданной скоростью поражающего элемента на броневую преграду, регистрацию температурного поля поверхности броневой преграды после взаимодействия с поражающим элементом, на основании анализа температурного поля определение энергии поглощения броневой преградой.

Известное устройство контроля качества композитных броневых преград включает: устройство для стрельбы, расположенное перед многослойной текстильной броневой преградой, устройство для измерения скорости полета поражающего элемента на выходе устройства для стрельбы, тепловизионную систему, регистратор в виде, например, компьютерной системы, - устройство регистрации начала полета поражающего элемента. Тепловизионная система расположена таким образом, чтобы поле обзора ее оптической части охватывало место соприкосновения поражающего элемента и многослойной текстильной 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 ко входу тепловизионной системы, а выход тепловизионной системы подключен к входу регистратора.

Недостатки ближайшего аналога не позволяют использовать его с высокой достоверностью для решения поставленных задач по причине присущих ему принципиальных недостатков:

- метод не позволяет оценить погрешность определения величины поглащения энергии поражающего элемента броневой преградой,

- как следует из разработанной теории взаимодействия поражающего элемента и текстильной многослойной броневой преграды (см. Тепловой контроль композитных конструкций в условиях силового и ударного нагружения / В.В. Клюев, О.Н. Будадин, Е.В. Абрамова, А.Н. Пичугин, С.О. Козельская. - М.: Издательский дом «Спектр», 2017 [1]), кинетическая энергия поражающего элемента в процессе взаимодействия разделяется на три составляющие и приводит к следующим результатам: деформации волокон, разрыув волокон, колебательному процессу волокон. Только последняя составляющая, самая незначительная, переходит в тепло полностью за счет эффекта трения между волокнами. Первые две переходят в тепло лишь частично. Поэтому тепловая энергия, зарегистрированная по способу, принятому в качестве прототипа, не отражает с полной достоверностью эффект поглощения энергии броневой преградой.

Для определения полной энергии поглощения необходимо знать долю энергии от первых двух составляющих, переходящую в тепло.

Сущность изобретения

Изобретение направлено на решение задачи повышения достоверности контроля текстильных композитных броневых преград за счет исключения указанных выше недостатков, т.е. обеспечения оценки погрешности определения энергии поглощения по анализу температурного поля на поверхности.

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 контроля текстильных композитных броневых преград.

Технический результат достигается за счет того, что в известном способе метрологической аттестации методики теплового контроля многослойных текстильных бронепреград, включающем направление с заданной скоростью поражающего элемента на многослойную броневую преграду, представляющую собой текстильный бронематериал, слои которого состоят из волокон, регистрацию температурного поля поверхности текстильного бронематериала после взаимодействия с поражающим элементом, и определение на основании анализа температурного поля энергии поглощения текстильного бронематериала, осуществляют силовое нагружение волокон слоев текстильного бронематериала, в процессе нагружения:

а) строят диаграмму деформации упомянутых волокон σ=σ(ε), где σ - напряжение волокон в процессе нагружения, ε - величина деформации волокон в процессе нагружения,

б) измеряют скорость деформации волокон - где ε - величина деформации волокон в процессе нагружения, t - время нагружения волокон,

в) измеряют динамическое температурное поле в нескольких точках по длине волокон T_kj, где k -порядковый номер регистрации, j- номер точки на волокне, в которой осуществляется регистрация температуры,

г) измеряют температуру окружающей среды в процессе нагружения Т_∞, определяют коэффициент теплового эффекта b, являющегося отношением доли энергии ΔЕ_т, выделившейся в виде тепла на поверхности текстильного бронематериала к полной энергии ΔЕ₀, поглощенной текстильным бронематериалом: b=ΔE_т/ΔЕ₀,

решая уравнение относительно величины «b» и варьируя два фактора: температуру среды и коэффициент теплового эффекта «b»:

где i - номер точки измерения температуры на волокне, 7\,- значение измеренной температуры,

Трасч - расчетное значение температуры, определяемое путем решения уравнения теплового баланса,

- поражающий элемент направляют в многослойную броневую преграду р раз с такой скоростью V₀, чтобы он не пробил насквозь многослойную броневую преграду, р - целое число от 1 до n, равное количеству взаимодействий,

- после каждого р взаимодействия определяют энергию, выделившуюся в виде тепла на поверхности текстильного бронематериала после взаимодействия с поражающи элементом:

где T_ijk - температура элемента поверхности текстильного бронематериала с координатами i,j после р-го взаимодействия поражающего элемента и броневой преграды,

ΔT_ijk - приращение температуры на поверхности текстильного бронематериала после после р-го взаимодействия поражающего элемента и броневой преграды,

ρ - плотность текстильного бронематериала,

С (T_ijk)- теплоемкость текстильного бронематериала, зависфщая от температуры T_ijk,

h - толщина текстильного бронематериала,

ΔS - мгновенное линейное поле зрения тепловизионной системы, которой осуществляется регистрация и измерение температурного поля, на поверхности текстильного бронематериала,

- определяют энергию поглощения текстильного бронематериала преградой после р-го взаимодействия с поражающи элементом, следующим образом:

ΔЕ_0р=ΔЕ_Тр/b,

- определяют погрешность измерения величины поглощения энергией тепловым методом текстильной броневой преграды при взаимодействии с поражающим элементом, следующим образом:

где m - масса поражающего элемента,

- сравнивают величину ε с допустимой величиной погрешности измерения ε₀ и если ε≤ε₀ - делают заключение, что методика применима для практического использования.

Расчетное значение температуры Т_расч определяют путем решения уравнения теплового баланса:

где Н- толщина текстильного бронематериала,

h - коэффициент теплообмена поверхности текстильного бронематериала,

Е₀ - модуль упругости,

t - текущее время,

ρ - плотность текстильного бронематериала,

с - теплоемкость текстильного бронематериала.

T(t)=Tpacч(t) - расчетное значение температуры,

T_∞ - темпетарута окружающей среды.

Силовое нагружение представляет собой растяжение волокон слоев текстильного бронематериала.

Технический результат в части устройства для метрологической аттестации методики теплового контроля многослойных текстильных броневых преград, представляющих собой текстильный бронематериал, слои которого состоят из волокон, достигается за счет того, что устройство включает: устройство для стрельбы, расположенное перед многослойной броневой преградой, устройство для измерения скорости полета поражающего элемента на выходе устройства для стрельбы, тепловизионную систему, регистратор и устройство регистрации начала полета поражающего элемента, причем тепловизионная система расположена таким образом, чтобы поле обзора ее оптической части охватывало место соприкосновения поражающего элемента и броневой преградвход устройства регистрации начала полета поражающего элемента подключен к выходу устройства измерения скорости поражающего элемента на выходе устройства для стрельбы, а первый выход устройства регистрации начала полета поражающего элемента подключен ко входу тепловизионной системы, в него дополнительно введены коммутатор, первый - третий блоки памяти, первый - третий сумматоры, логический блок сравнения «если-то», первый - четвертый умножители, делитель и счетчик выстрелов, при этом второй выход устройства регистрации начала полета поражающего элемента подключен к входу счетчика выстрелов, выход счетчика выстрелов подключен к первому входу коммутатора, второй выход устройства для измерения скорости полета поражающего элемента подключен к входу третьего умножителя, выход третьего умножителя подключен к первому входу четвертого умножителя, второй вход четвертого умножителя подключен к третьему выходу первого блока памяти, выход четвертого умножителя подключен одновременно к первому входу третьего сумматора и ко второму входу делителя, выход второго умножителя подключен к второму входу второго сумматора, выход второго сумматора подключен к второму входу третьего сумматора, выход третьего сумматора подключен к первому входу делителя, выход делителя подключей к входу регистратора, первый - третий выходы коммутатора подключены ко входам первого - третьего блоков памяти, выход тепловизионной системы подключен к второму входу коммутатора, первый выход первого блока памяти подключен к первому входу первого умножителя, выход второго блока памяти подключен к первому входу первого сумматора, выход третьего блока памяти подключен к второму входу первого сумматора, выход первого сумматора подключен к второму входу блока «если-то», выход первого умножителя подключен к первому входу второго умножителя, второй вход второго умножителя подключен к второму выходу первого блока памяти, четвертый выход коммутатора подключен одновременно к первому входу блока сравнения «если-то» и к второму входу первого сумматора, первый выход блока сравнения «если-то» подключен к второму входу первого умножителя, а второй выход блока сравнения «если-то» подключен к третьему входу коммутатора. Регистратор выполнен в виде компьютерной системы.

Краткое описание фигур чертежей

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

фиг. 1 - функциональная схема устройства,

фиг. 2 - фотография устройства проведения контроля,

фиг. 3-фотография проведения предварительных исследований,

фиг. 4 - диаграмма растяжения,

фиг. 5 - фотография разрывной машины,

фиг. 6 - термограмма реального объекта.

На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:

1 - многослойная текстильная броневая преграда,

2 - устройство для стрельбы,

3 - устройство для измерения скорости полета поражающего элемента,

4 - тепловизионная система,

5 - поле обзора тепловизионой системы,

6 - устройство регистрации начала полета поражающего элемента,

7 - коммутатор,

8 - первый блок памяти,

9 - второй блок памяти,

10 - третий блок памяти,

11 - первый сумматор,

12 - логический блок сравнения «если-то»,

13 - первый умножитель,

14 - регистратор,

15 - направление полета поражающего элемента,

16 - второй умножитель,

17 - термограммы волокон в различные моменты времени их нагружения,

18 - термопрофили (зависимости температуры от времени) волокон в их различных точках,

19 - разрывная машина: а - в процессе испытаний волокон, б - после завершения испытания волокон,

20 - жгуты волокон,

21 - третий умножитель,

22 - четвертый умножитель,

23 - второй сумматор,

24 - третий сумматор,

25 - делитель,

26 - счетчик выстрелов,

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, тепловизоры марки ИРТИС-2000 или аналогичные по техническим характеристикам. В проведенных экспериментах, результаты которых представлены ниже, использовалась тепловизионная система FLIR 1500.

Устройство 2 для стрельбы изготовлено на основе стандартной мелкокалиберной винтовки. Устройство 3 для 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) и вычислитель. При пересечении поражающим элементом первого оптико-электронного датчика таймер начинает работу, а при пересечении оптической оси второго оптико-электронного датчика таймер выключается. Вычислитель по расстоянию между датчиками и времени работы таймера вычисляет скорость поражающего элемента.

Непосредственно перед проведением контроля энергопоглощения текстильной многослойной броневой преградой 1 проводят следующие действия:

1. Осуществляют силовое нагружение (растягивание) волокон, из которых состоят слои текстильного бронематериала (фиг. 5).

2. В процессе силового нагружения волокон строят диаграмму деформирования волокон, из которых состоят слои текстильного бронематериала -

О" - ₅ где а - напряжение волокон в процессе нагружения, е - велична де-

формации волокон в процессе наружения (фиг. 4).

3. Одновременно в процессе нагружения измеряют скорость деформации волокон, из которых состоят слои текстильного бронематериала - где ε - велична деформации волокон в процессе наружения, t - время нагружения волокон,

4. В процессе нагружения волокон 20 разрывной машиной 19 с помощью тепловизионной системы 4 (фиг. 3) регистрируют термограммы волокон 17 и измеряют динамическое температурное поле 18 в нескольких точках по длине волокон T_kj, где k - номер момента времени регистрации температуры, j - номер точки на волокне, в которой осуществляется регистрация температуры,

5. Измеряют температуру окружающей среды в процессе нагружения Т_т,

6. Определяют коэффициент теплового эффекта (b), являющегося отношением доли энергии ΔЕ_т, выделившейся в виде тепла на поверхности текстильной брони к полной энергии ΔЕ₀ поражающего элемента, поглощенной текстильной броней (b=ΔЕ_т/ΔЕ₀), решая уравнение относительно величины «b», при этом варьируя два фактора: температура среды и коэффициент теплового эффекта «b»:

где i - номер точки измерения температуры на волокне,

k - номер момента времени регистрации температуры,

T_k,i - значение измеренной температуры,

Т_расч - значение температуры, рассчитанное по формуле,

b - коэффициент теплового эффекта,

T_∞ - температура окружающей среды.

Расчетное значение температуры Т_расч определяют путем решения уравнения теплового баланса:

Н- толщина пакета,

h - коэффициент теплообмена поверхности брони,

Е₀ - модуль упругости,

t - текущее время,

ρ - плотность текстильной брони,

С - теплоемкость текстильной брони.

7. Результаты предварительных исследований, характеристики текстильной броневой преграды и параметры условий контроля «помещаются» в первый блок памяти 8. Подробно теоретические основы данного метода изложены в [1].

После завершения предварительных измерений и подготовки к контролю осуществляют непосредственно контроль (измерение) величины поглощенной энергии текстильным броневым материалом при его взаимодействии с поражающим элементом следующим образом:

8. Направляют в текстильную броневую преграду 1 поражающий элемент ПЭ 15 через устройство 3 измерения скорости поражающего элемента - V₀.

9. После прохождения ПЭ устройства 3 измерения скорости с выхода устройства 3 на устройство регистрации начала полета поражающего элемента 6, поступает сигнал о выстреле.

По этому сигналу с устройства 6 в тепловизионную систему 4 поступает «команда» о начале регистрации температурного поля. Таким образом, тепловизионное устройство регистрирует температурное поле Т_пов(i,j,t). Здесь i,j - целочисленные координаты поверхности композитной брони (1), t- время регистрации температурного поля. В первый момент t=0 регистрируется температурное поле в момент, предшествующий моменту соприкосновения ПЭ и поверхности изделия (1) - Т_пов(i,j,t=0). Последующая регистрация осуществляется в моменты времени t=t₁, t₂, … t_k, … tn. Здесь n - количество регистраций

Одновременно с выхода устройства 6 поступает сигнал в счетчик выстрелов (26), который считает количество выстрелов р=1, 2, 3 …, n.

С выхода счетчика выстрелов 26 сигнал поступает в коммутатор 7 о начале коммутирования сигналов в устройстве.

10. После прохождения поражающего элемента устройства для измерения скорости полета поражающего элемента сигнал с него 3, соответствующий скорости поражающего элемента V₀, поступает на вход третьего умножителя 21, где вычисляется выражение V²₀.

11. Сигнал, соответствующий выражению V²₀, с выхода третьего умножителя 21 поступает в четвертый умножитель 22. На второй вход четвертого умножителя 22 поступает сигнал, соответствующий массе m поражающего элемента с третьего выхода первого блока памяти 8. В четвертом умножителе 22 осуществляется определение кинетической энергии поражающего элемента р-м выстреле:

E_p=( V²₀)×m/2.

12. По команде коммутатора 7 температурное поле Т_пов(i,j,t=0) с выхода темпловизионной системы 4 регистрируется во втором блоке памяти 9.

13. По сигналам коммутатора температурное поле Т_пов(i,j,t) в моменты времени t=t₁, t₂, … t_k, … tn регистрируются в третьем блоке памяти 10.

14. Сигналы о значениях температурного поля Т_пов(i,j,t=0) и Т_пов(i,j,t) поступают в сумматор 11, где измеряется их разность:

ΔТ_пов(i,j,t=0)=| Т_пов(i,j,t=0)-Т_пов(i,j,t)|.

15. Сигнал, соответствующей величине ΔТ_пов(i,j,t_k) поступает в логический блок сравнения 12 «если-то», где осуществляется его логическая обработка следующим образом:

- если ΔТ_пов(i,j,t_k)<ΔТ_пов(i,j,t_k+1)), то сигнал с блока 12 поступает в коммутатор 7 и операция сравнения температурного поля повторяется,

- если (ΔТ_пов(i,j,t_k)≥ΔТ_пов(i,j,t_k+1)), то сигнал с блока 12 поступает в умножитель 13. Это означает, что разность температурного поля исходного и образованного в результате взаимодействия ПЭ и текстильной броневой преграды достигло наибольшего значения.

16. В первом умножителе 13 осуществляется умножение сигналов, поступивших от блока 12 и первого блока памяти 8 и измеряется величина энергии, выделившаяся в виде тепла на поверхности текстильной брони:

где Т_пов(i,j,t_k+1) - температура элемента поверхности текстильной брони с координатами i,j, ΔТ_пов(i,j,t_k+1) - сигнал с блока 12, ρ - плотность текстильной брони, C(Т_пов(i,j,t_k+1)) - теплоемкость текстильной брони при температуре Т_пов(i,j,t_k+1), h - толщина текстильной брони, ΔS - мгновенное линейное поле зрения тепловизионной системы, которой осуществляется регистрация и измерение температурного поля, в пространстве предмета (на поверхности текстильной брони).

Далее во втором умножителе 16 осуществляется измерение полной энергии (поглощение энергии) после взаимодействия с поражающим элементом следующим образом при р-м выстреле:

ΔЕ_0р=ΔE_T/b,

где сигнал, соответствующий «b», поступает на второй вход умножителя 16 с второго выхода первого блока памяти 8 по сигналу (команде) коммутатора 7.

17. Сигнал, соответствующий ΔЕ_0р с выхода второго умножителя 16 поступает на вход второго сумматора 23. В втором сумматоре 23 осуществляется суммирование сигналов, соответствующих ΔЕ_0р:

18. Сигнал со второго сумматора 23 поступает на второй вход третьего сумматора 24, на первый вход которого поступает сигнал с четвертого умножителя 22, соответствующий кинетической энергии поражающего элемента E_P=(V²₀)×m/2, где осуществляется определение выражения:

Е_р-Е_с.

19. Сигнал с выхода третьего сумматора 24 (Е_р-Е_с) поступает на первый вход делителя 25, на второй вход которого поступает сигнал с четвертого умножителя 22, соответствующий кинетической энергии поражающего элемента E_P=(V²₀)×m/2. В делителе 25 осуществляется определение погрешности определения величины поглощения энергии исследуемой методики

20. Измеренное значение погрешности определения величины поглощения энергии исследуемой методики регистрируется регистратором 14.

Коммутатор 7 осуществляет коммутирование (синхронизацию функционирования) всех блоков устройства.

Экспериментальные исследования предлагаемого технического решения проводились на установке, фотографии которых приведены на фиг. 2,3,5.

Процесс проведения предварительных исследований по определению погрешности определения энергии поглащения исследуемой методикой представлен на фотографиях фиг. 3, 5.

В качестве испытуемых волокон использовались волокна марки «Русар».

Результаты экспериментального определения коэффициента теплового эффекта «Ъ» приведены в таблице 1.

Погрешность измерения энергии поглощения составляет 7 дж., или

ε=(307-300)/300=0,023 или 2,3%.

Как правило, допустимая погрешность подобных методик контроля (ε₀) составляет от 5% до 10%.

Поэтому настоящий способ метрологической аттестации достоверно описывает погрешность контроля.

Таким образом, предлагаемый способ и реализующее его устройство позволяют оценивать погрешность определения энергии поглощения тепловым методом, т.е. могут быть использованы как метод метрологической аттестации методики контроля.

Представленные способ и устройство являются перспективными для исследования процессов взаимодействия ПЭ с броневыми структурами из полимерных материалов, их использование позволит более эффективно производить отбор материалов для броневых структур с целью повышения их защитных свойств.

Изобретения имеют следующие преимущества:

1. Позволяет оценить погрешность определения энергии поглощения текстильной броневой преградой тепловым методом, что в свою очередь позволит на более достоверных исходных данных создавать конструкцию текстильной броневой преграды.

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

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

4. Позволяют повысить производительность контроля, наглядность результатов.

5. Позволяют применять метод во внелабораторных условиях контроля и использовать современный математический аппарат для анализа результатов.

Изобретения относятся к области измерительной техники и могут использоваться для оценки погрешности контроля качества композитных броневых преград на основе результатов теплового контроля при попадании поражающего элемента в броневую преграду за счет поглощения энергии броневой преградой, а также для проведения непосредственно контроля. Согласно способу осуществляют силовое нагружение волокон слоев текстильного бронематериала, в процессе нагружения строят диаграмму деформации волокон, измеряют скорость деформации волокон, измеряют динамическое температурное поле в нескольких точках по их длине и температуру окружающей среды. Определяют коэффициент теплового эффекта, энергию поглощения текстильного бронематериала преградой, погрешность измерения величины поглощения энергией тепловым методом текстильной броневой преграды при взаимодействии с поражающим элементом и сравнивают ее величину с допустимой величиной погрешности измерений, по результатам делают заключение о применимости методики. Для реализации способа используют устройство. Технический результат – повышение информативности и достоверности результатов контроля текстильных композитных броневых преград. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

1. Способ метрологической аттестации методики теплового контроля многослойных текстильных бронепреград, включающий

- направление с заданной скоростью поражающего элемента на многослойную броневую преграду, представляющую собой текстильный бронематериал, слои которого состоят из волокон,

- регистрацию температурного поля поверхности текстильного бронематериала после взаимодействия с поражающим элементом,

- определение на основании анализа температурного поля энергии поглощения текстильного бронематериала,

отличающийся тем, что

- осуществляют силовое нагружение волокон слоев текстильного бронематериала,

в процессе нагружения:

а) строят диаграмму деформации упомянутых волокон σ=σ(ε) где σ - напряжение волокон в процессе нагружения, ε - величина деформации волокон в процессе нагружения,

б) измеряют скорость деформации волокон - , где ε - величина деформации волокон в процессе нагружения, t - время нагружения волокон,

в) измеряют динамическое температурное поле в нескольких точках по длине волокон T_kj, где k - порядковый номер регистрации, j - номер точки на волокне, в которой осуществляется регистрация температуры,

г) измеряют температуру окружающей среды в процессе нагружения Т_∞,

определяют коэффициент теплового эффекта b, являющегося отношением доли энергии , выделившейся в виде тепла на поверхности текстильного бронематериала к полной энергии ΔЕ₀, поглощенной текстильным бронематериалом: ,

решая уравнение относительно величины «b» и варьируя два фактора:

температуру среды и коэффициент теплового эффекта «b»:

,

где i - номер точки измерения температуры на волокне,

T_k,j - значение измеренной температуры,

Т_расч - расчетное значение температуры, определяемое путем решения уравнения теплового баланса,

- поражающий элемент направляют в многослойную броневую преграду р раз с такой скоростью V₀, чтобы он не пробил насквозь многослойную броневую преграду, р - целое число от 1 до n, равное количеству взаимодействий,

- после каждого р взаимодействия определяют энергию, выделившуюся в виде тепла на поверхности текстильного бронематериала после взаимодействия с поражающим элементом:

где T_ijk - температура элемента поверхности текстильного бронематериала с координатами i,j после р-го взаимодействия поражающего элемента и броневой преграды,

ΔT_ijk - приращение температуры на поверхности текстильного бронематериала после р-го взаимодействия поражающего элемента и броневой преграды,

ρ - плотность текстильного бронематериала,

С (T_ijk) - теплоемкость текстильного бронематериала, зависящая от температуры T_ijk,

h - толщина текстильного бронематериала,

ΔS - мгновенное линейное поле зрения тепловизионной системы, которой осуществляется регистрация и измерение температурного поля, на поверхности текстильного бронематериала,

- определяют энергию поглощения текстильного бронематериала преградой после р-го взаимодействия с поражающим элементом, следующим образом:

ΔЕ_0р=ΔЕ_Тр/b,

- определяют погрешность измерения величины поглощения энергией тепловым методом текстильной броневой преграды при взаимодействии с поражающим элементом, следующим образом:

где m - масса поражающего элемента,

- сравнивают величину ε с допустимой величиной погрешности измерения ε_0, и если ε≤ε_0, - делают заключение, что методика применима для практического использования.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расчетное значение температуры Т_расч определяется путем решения уравнения теплового баланса:

где Н - толщина текстильного бронематериала,

h - коэффициент теплообмена поверхности текстильного бронематериала,

Е₀ - модуль упругости,

t - текущее время,

ρ - плотность текстильного бронематериала,

с - теплоемкость текстильного бронематериала.

T(t)=Трасч(t) - расчетное значение температуры,

T∞ - температура окружающей среды.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что силовое нагружение представляет собой растяжение волокон слоев текстильного бронематериала.

4. Устройство для метрологической аттестации методики теплового контроля многослойных текстильных броневых преград, представляющих собой текстильный бронематериал, слои которого состоят из волокон, включающее:

устройство для стрельбы (2), расположенное перед многослойной броневой преградой (1),

устройство (3) для измерения скорости полета поражающего элемента на выходе устройства для стрельбы,

тепловизионную систему (4),

регистратор (14) и

- устройство регистрации начала полета поражающего элемента (6),

при этом тепловизионная система (4) расположена таким образом, чтобы поле обзора (5) ее оптической части охватывало место соприкосновения поражающего элемента (15) и броневой преграды (1), вход устройства регистрации начала полета поражающего элемента (6) подключен к выходу устройства (3) измерения скорости поражающего элемента на выходе устройства для стрельбы, а первый выход устройства регистрации начала полета поражающего элемента (6) подключен ко входу тепловизионной системы (4),

отличающееся тем, что

в него введены:

коммутатор (7),

первый - третий блоки памяти (8, 9, 10),

первый - третий сумматоры (11, 23, 24),

логический блок сравнения «если-то» (12),

первый - четвертый умножители (13, 16, 21, 22),

делитель (25) и

счетчик выстрелов (26),

при этом второй выход устройства (6) регистрации начала полета поражающего элемента подключен к входу счетчика выстрелов (26),

выход счетчика выстрелов (26) подключен к первому входу коммутатора (7),

второй выход устройства (3) для измерения скорости полета поражающего элемента подключен к входу третьего умножителя (21),

выход третьего умножителя (21) подключен к первому входу четвертого умножителя (22),

второй вход четвертого умножителя (22) подключен к третьему выходу первого блока памяти (8),

выход четвертого умножителя (22) подключен одновременно к первому входу третьего сумматора (24) и ко второму входу делителя (25),

выход второго умножителя (16) подключен к второму входу второго сумматора (23),

выход второго сумматора (23) подключен к второму входу третьего сумматора (24),

выход третьего сумматора (24) подключен к первому входу делителя (25),

выход делителя (25) подключен к входу регистратора (14),

первый - третий выходы коммутатора (7) подключены ко входам первого - третьего блоков памяти (8, 9, 10),

выход тепловизионной системы (4) подключен к второму входу коммутатора (7),

первый выход первого блока памяти (8) подключен к первому входу первого умножителя (13),

выход второго блока памяти (9) подключен к первому входу первого сумматора (11),

выход третьего блока памяти (10) подключен к второму входу первого сумматора (11),

выход первого сумматора (11) подключен к второму входу блока «если-то» (12),

выход первого умножителя (13) подключен к первому входу второго умножителя (16),

второй вход второго умножителя (16) подключен к второму выходу первого блока памяти (8),

четвертый выход коммутатора (7) подключен одновременно к первому входу блока сравнения «если-то» (12) и к второму входу первого сумматора (11),

первый выход блока сравнения «если-то» (12) подключен к второму входу первого умножителя (13), а

второй выход блока сравнения «если-то» подключен к третьему входу коммутатора (7).

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что регистратор (14) выполнен в виде компьютерной системы.