Цели и задачи проекта

• Построение экспериментально обоснованных полномасштабных и редуцированных математических моделей пробивания легких многослойных защитных преград на основе тканых композитов или тканых композитов с металлической основой;
• Разработка для материала преграды разноуровневых определяющих соотношений и критериев разрушения, а также идентификация их параметров;
• Исследование эффективности преграды в зависимости от типа применяемого связующего (без пропитки, эпоксидная или нанокомпозитная пропитка);
• Уточнение механизма абсорбции энергии в композитной преграде при пробивании и идентификация параметров закона трения в контактных парах: связующее - ткань, связующее - ударник, ударник - ткань);
• Разработка математических моделей пробивания и оценка эффективности тканых преград, изготовленных с использованием новых схем 3D плетения;
• Разработка и апробация экспериментально-вычислительной методики идентификации параметров межволоконного трения в условиях трансверсального сжатия тканого композита.

Процесс исследования

В проекте использован экспериментально-вычислительный метод для решения существенно нелинейных краевых задач механики, являющийся развитием метода СН-ЭВМ А.А.Ильюшина, в основу которого положена итерационная процедура. Решение исходной краевой задачи достигается последовательным применением прямого компьютерного моделирования с последующим уточнением на каждом шаге итераций краевых условий и параметров моделей материалов. Требуемая точность обеспечивается согласованием результатов специальных натурных и виртуальных верификационных тестов.

Главная задача при построении экспериментально обоснованной модели многослойного тканого или металлотканого композита – построение адекватной редуцированной модели материала композита и критерия разрушения, учитывающих как начальную и деформационную анизотропию, так и основные аспекты взаимодействия волокон между собой и связующим. Для уточнения параметров модели материала и критерия разрушения была разработана система верификационных экспериментов, включающая:

• статические испытания для определения модулей упругой анизотропии и предельных параметров отдельных волокон (в направлении утка и основы), полос ткани, включающих представительные множества волокон (в направлении утка и основы), а также многослойных тканых пакетов волокон с различными типами укладки слоев;
• статические испытания на вытягивание полосы ткани в условиях предварительного трансверсального сжатия (по новой разработанной методике определения параметров межволоконного трения);
• динамические испытания тканых пакетов на трансверсальное сжатие по методу Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона;
• динамические испытания для определения параметров определяющих соотношений и критерия разрушения материалов металлического несущего слоя преграды в условиях высокоскоростного нагружения и повышенных температур;
• баллистические ударные тесты на пробивание образцов преград стальными ударниками различной геометрии.

Испытания проведены на экспериментальной базе НИИ механики ННГУ (статические тесты, динамические испытания по методу Кольского, баллистические тесты) и НИИ механики МГУ (температурные динамические испытания по методу Кольского). В рамках проекта задействована экспериментальная установка для проведения температурных динамических испытаний по методу Кольского с высокоскоростной системой 3D визуализации деформаций. Для прямого компьютерного моделирования пробивания с использованием полномасштабных и редуцированных моделей использованы вычислительные ресурсы суперкомпьютера МГУ «Ломоносов». Построенная полномасштабная модель пробивания (с детализацией до отдельного волокна) была применена для исследования процесса диссипации энергии при пробивании металло-тканой преграды и выявления ведущих диссипативных факторов.

Результаты проекта

В рамках проекта получены новые важные результаты, объясняющие механизм диссипации энергии при пробивании такого рода защитных преград. Разработана новая экспериментальная методика определения параметров межволоконного трения. Предложена новая математическая модель пробивания тканой преграды с использованием нанокомпозитной жидкости в качестве связующего. Исследовано влияние типа плетения и формы ударника на защитные свойства преграды. Предложена и апробирована редуцированная вычислительная модель металло-тканого композита, подходящая для расчета реальных конструкций.