cristea re zuma tte zaro

UNIVERSITATEA LUCIAN BLAGA DIN SIBIU FACULTATEA DE INGINERIE HERMANN OBERTH

CATEDRA TIINA I TEHNOLOGIA MATERIALELOR

Ing. SORIN CRISTEA

CONTRIBUII LA STUDIUL COMPORTRII UNOR

MATERIALE DE BLINDAJ, LA IMPACTUL CU PROIECTILUL

Rezumatul tezei de doctorat

Conductor tiinific: Prof. univ. dr. ing.

VALERIU DEAC

SIBIU - 2008

Cuprins

1

Cuprins

Tez Rezumat Introducere ............................................................................................... 4 4

1. Realizri i tendine n construcia blindajelor mainilor de lupt ...........................................................7 7 1.1. Conceptul de protecie n domeniul tehnicii blindate ................. 7 7 1.2. Protecia prin blindaj ................................................................... 8 7 1.3. Scurt istoric al autovehiculelor blindate ................................... 11 8 1.4. Clasificarea autovehiculelor blindate ........................................ 14 9 1.5. Competiia protecie prin blindaj muniie antitanc ................ 15 9

1.5.1. Performane ale muniiilor antitanc .................................. 15 10 1.5.1.1. Aciunea muniiei antitanc .......................................... 16 - 1.5.1.2. Muniia antitanc pentru armamentul principal ............ 17 - 1.5.1.3. Rachete antitanc dirijate .............................................. 20 - 1.5.1.4. Rachete sol sol ......................................................... 21 - 1.5.1.5. Rachete aer sol ......................................................... 21 -

1.5.2. Arme antitanc aflate n studiu ........................................... 21 10 1.6. Soluii constructive de blindaje ................................................. 23 11

1.6.1. Blindaje pentru autovehicule uoare i grele .................... 24 12 1.6.2. Blindaje omogene ............................................................. 25 12 1.6.3. Blindaje stratificate (neomogene) ..................................... 27 12

1.6.3.1. Blindaje stratificate, n pachet omogen ...................... 28 - 1.6.3.2. Blindaje stratificate, n pachet neomogen .................. 28 - 1.6.3.3. Blindaje cu plci alunectoare ................................... 28 -

1.6.4. Blindaje spaiale ................................................................ 29 13 1.6.5. Blindaje reactive ............................................................... 30 13 1.6.6. Tendine n construcia blindajelor ................................... 31 -

1.7. Materiale pentru blindaje .......................................................... 31 13 1.8. Elemente de calcul a blindajelor ............................................... 36 16

1.8.1. Fenomenul de penetrare a blindajului, la impact............... 38 - 1.8.2. Relaii de calcul a blindajelor ............................................ 41 17 1.8.3. Aplicaii software destinate modelrii i simulrii fenomenelor din domeniul mecanic ..................... 43 18 1.8.4. Aplicaii software destinate modelrii comportrii materialelor, pe baza structurii acestora .............. 44 18

1.9. Concluzii. Obiective ale cercetrii ............................................ 46 -

Cuprins

2

2. Investigaii asupra evalurii penetrabilitii unui blindaj, asupra efectului Hopkins i asupra direciilor de modernizare a proteciei prin blindaj ..................................... 49 20

2.1. Moduri de penetrare a blindajului .................................................... 49 20 2.2. Cercetri asupra relevanei i utilitii relaiilor experimentale de calcul a blindajului .................................................................... 53 21

2.2.1. Relaii experimentale de calcul a blindajului ............................ 53 21 2.2.2. Prelucrarea relaiilor experimentale .......................................... 55 23 2.2.2.1. Analiza relaiilor dependente de un singur parametru experimental .................................................. 57 23 2.2.2.2. Evaluarea formelor finale ale relaiilor experimentale dependente de un singur parametru studii de caz ........ 59 24 2.2.2.3. Analiza relaiilor dependente de mai muli parametri experimentali ................................................................... 62 - 2.2.2.4. Analiza funciei Tomson .................................................... 62 -

2.3. Cercetri asupra efectului Hopkins, prin prisma sintezei optimale. Stabilirea limitelor, prin analiz cinematic .................................... 65 26

2.3.1. Fronturi de und ......................................................................... 65 - 2.3.2. Tensiuni n frontul de und ........................................................ 70 - 2.3.3. Definirea funciilor de scop ........................................................ 72 27 2.3.4. Studiu de caz .............................................................................. 74 28

2.4. Consideraii asupra direciilor de modernizare a proteciei prin blindaj .................................................................. 78 29

2.4.1. Modelul de evaluare TASCFORM ............................................ 78 - 2.4.2. Modelul TASCFORM ARMOUR pentru blindate ................. 79 - 2.4.3. Modelul de Evaluare a Tancurilor (MET) elaborat de Academia Tehnic Militar ........................................................ 80 - 2.4.4. Studiu de caz .............................................................................. 81 30

2.5. Concluzii .......................................................................................... 82 30

3. Modelarea n element finit a fenomenului de impact,

cu aplicarea unor condiii experimentale .......................... 85 33

3.1. Metoda elementelor finite ................................................................. 85 33 3.2. Analiza aplicaiilor disponibile. Caracteristicile i performanele aplicaiei utilizate ................................................................. 86 33 3.3. Stabilirea modelului .......................................................................... 88 35 3.4. Algoritm i particulariti de calcul ................................................... 90 36 3.5. Rezultate obinute .............................................................................. 91 37 3.6. Concluzii ......................................................................................... 119 46

Cuprins

3

4. Cercetri experimentale privind impactul unei plci de blindaj cu un penetrator cinetic ................................ 122 48 4.1. Condiii de desfurare a cercetrii experimentale ................. 123 49 4.2. Analiza dimensional i macroscopic a zonei de impact ...... 124 50 4.3. Evaluarea relevanei unui control radiografic la recepia tablelor de blindaj ................................................................. 137 54 4.4. Analiza metalografic a zonei de impact ................................ 142 56 4.5. Studiul microduritii n zona de impact ................................. 146 60 4.6. Studiul fisurilor identificate n zona de impact ....................... 148 61 4.7. Consideraii asupra fenomenului de fisurare la impact, prin

studierea fisurilor identificate i aplicarea teoriei fractale .... 153 65 4.7.1. Elemente teoretice privind ruperea metalelor ................. 153 - 4.7.2. Elemente de teorie fractal ............................................. 155 65 4.7.3. Studiu de caz: determinarea dimensiunii fractale a unei fisuri identificate, produs la impactul unei table de blindaj cu un penetrator cinetic .................................. 157 66

4.8. Concluzii rezultate din cercetrile experimentale.................... 161 69

5. Consideraii i concluzii finale, contribuii originale. Direcii de valorificare i dezvoltare a rezultatelor cercetrilor

5.1. Consideraii i concluzii finale ............................................... 165 71 5.2. Contribuii originale ............................................................... 170 76 5.3. Direcii de valorificare i dezvoltare a rezultatelor cercetrilor .............................................................................. 173 78

Bibliografie ........................................................................................... 174 80 Anexe .................................................................................................... 185 -

Anexa 1 Glosar de prescurtri ........................................................ I - Anexa 2 nceputurile tehnicii blindate ........................................ VI - Anexa 3 Tancuri participante la cel de Al Doilea Rzboi Mondial VIII - Anexa 4 Transportoare blindate de trupe i autovehicule blindate ale infanteriei .........................................X - Anexa 5 Tabele cu valori numerice obinute prin modelare n element finit ................................................. XII - Anexa 6 Exemple de valori numerice obinute experimental XXIV -

Introducere

4

Introducere La nceputul mileniului, o evaluare a conflictelor desfurate sau n curs de

desfurare scoate n eviden noile orientri privind aciunile militare. Astfel, acestea sunt caracterizate de mobilitate, dinamism, i utilizarea tehnologiilor de ultim or [149].

Forele angajate, cel mai adesea profesionalizate, desfoar aciuni intr-un cmp de lupt integrat, extins pe fronturi discontinue, mpotriva unor grupri militare, paramilitare sau teroriste. Astfel, adeseori dispar diferenele ntre naintea/napoia aliniamentului de contact, aciunile fiind deosebit de dinamice, cu o durat mic de pregtire, cu un grad ridicat de angajare a forelor i urmrind limitarea capacitii de ripost a inamicului.

Cmpul de lupt al viitorului este caracterizat de sisteme de armament automatizate, de o coordonare integral a tuturor categoriilor de fore i de utilizarea sistemelor cibernetice care s completeze limitele fiziologice ale lupttorilor i operatorilor de tehnic. Pe acest fond, rolul tehnicii blindate, chiar dac n istoria sa a avut si scderi, i pstreaz o poziie dominant prin putere de foc, mobilitate i grad de protecie.

Practic, istoria tehnicii blindate este o istorie a competiiei proiectil/blindaj. Astfel, dei ntotdeauna au existat piese de artilerie, muniii sau mine capabile s distrug blindatul, dei adesea acesta a fost declarat ca inutil i perimat, niciodat nu s-a renunat la el. Deci, mijloacele blindate rmn cele mai eficiente arme ale forelor terestre, realiznd o combinaie unic de for de asalt i de for de rezisten pe poziii fixe [149].

Integrarea Romniei n structurile militare europene i nordatlantice, ne oblig la alinierea nivelului tehnic al blindatelor la cel al altor armate ale alianelor. Dar, n aceast etap de reorientri, de reaezri conceptuale, de restructurri ale forelor, aspectele prioritare devin administrarea mai inteligent, comunicaiile avansate, software-ul de ultim generaie i, nu pe ultimul loc, cercetarea tiinific i tehnologic. Aceste arme sunt primele care, n anii care vor urma, pot garanta Romniei un rol important pe scena politic, economic, social i, nu n ultimul rnd, militar.

n acest context creionat succint, pornind de la elementul de baz al duelului proiectil/blindaj care este impactul penetrator/placa de blindaj, lucrarea i propune ca, bazndu-se pe principiile ingineriei sistemelor n modul de abordare a problemelor de impact, aplicnd elementele sintezei optimale n evaluarea i integrarea rezultatelor, s scoat n eviden particulariti i restricii de evaluat la proiectarea de blindaje i de materiale pentru blindaje. Astfel, lucrarea este structurat pe cinci capitole care sunt subordonate obiectivului general propus.

Introducere

5

Primul capitol al lucrrii stabilete cadrul general actual, conceptual, istoric

i constructiv, locul i rolul tehnicii blindate, dar mai ales al proteciei prin blindaj. Avnd la baz o ampl documentare, este trecut n revist conceptul de protecie i modul de materializare al acestuia. Amintind succint repere istorice ale tehnicii blindate, sunt tratate n detaliu ameninrile existente, cu identificarea tendinelor de evoluie a acestora.

O atenie deosebit se acord soluiilor constructive i materialelor utilizate pentru construcia blindajului. Abordnd fenomenul de penetrare, a devenit necesar evaluarea elementelor de calcul a blindajelor i a tendinelor acestora.

Ca urmare a rezultatelor obinute n etapa de evaluare a nivelului actual al

cunoaterii n domeniul proteciei prin blindaj i al blindajului, n capitolul al doilea sunt prezentate investigaii teoretice ale unor elemente caracteristice identificate. Astfel, se face o analiz comparativ a relaiilor experimentale din literatura de specialitate, n scopul identificrii nivelului de utilitate al acestora, prin prisma datelor care nsoesc publicarea lor.

Tot aici, apreciindu-se c fenomenul Hopkins este un factor de risc major pentru o tabl de blindaj, acesta este investigat cinematic i se stabilesc funcii de scop pentru evaluarea i, ulterior, evitarea lui.

De asemenea, este investigat valoarea gradului de protecie asigurat de blindaj n cadrul valorii tactice a unei arme, utiliznd o metod recunoscut de evaluare a capabilitii tehnicii. Obiectivul l reprezint identificarea de argumente pentru balanele cercetri teoretice/cercetri experimentale i reproiectare/ modernizare, ceea ce ne permite stabilirea direciei celei mai probabile a derulrii, n viitor, a cercetrilor n domeniu.

Capitolul al treilea reprezint etapa de elaborare i realizare a unui model

pentru prelucrarea n element finit a fenomenului de impact. Elementul de particularitate l reprezint utilizarea unor date de calcul ce pot fi aplicate experimental. Dup validarea modelului, sunt analizai parametrii a cror msurare experimental ar necesita aparatur de nalt precizie i deci, deosebit de scump.

Cel de-al patrulea capitol prezint pe larg modul de desfurare a testrii

unor table de blindaj prin tragere real, n poligon, i rezultatele obinute. Conform principiilor sintezei optimale care presupun ca un prim pas stabilirea mai multor criterii de evaluat, investigarea zonei de impact s-a realizat macroscopic, radiologic, metalografic i prin studiul cmpurilor de microduritate. Ca urmare a identificrii unor fisuri n zona de impact, acestea au fost analizate n raport de modul n care au traversat structura, cu sau fr traversarea gruntelui cristalin.

Datele obinute experimental au permis abordarea problematicii fisurrii prin prisma teoriei fractale. Astfel, este evaluat o metod de determinare a dimensiunii fractale a unei fisuri i se identific restricii i particulariti ale unei astfel de abordri.

Introducere

6

Ultimul capitol al lucrrii prezint n mod sistematizat concluziile rezultate

n urma cercetrilor prezentate n capitolele anterioare. De asemenea, sistematizeaz elementele care se constituie n contribuii ale autorului la domeniul abordat.

O particularitate a acestui capitol o reprezint faptul c, analiznd cadrul general conceptual al problematicii fisurrii materialelor metalice, n particular a tablelor de blindaj, rezultatele obinute prin analiza teoretic, prin modelare n element finit i prin cercetrile experimentale, creioneaz direcii de abordat, restricii i particulariti de interpretare care se apreciaz c pot duce mai departe cunoaterea domeniului.

La final, mulumesc pe aceast cale domnului prof.univ.dr.ing. Valeriu

Deac pentru tot sprijinul acordat pe parcursul documentrii, a desfurrii cercetrii i elaborrii lucrrii, pentru sfaturile, ndrumrile i ncrederea acordat, pentru rbdarea i nelegerea de care a dat dovad, pentru modul n care m-a cluzit n ceea ce am realizat.

De asemenea, aduc mulumiri membrilor Catedrei de tiina i Tehnologia Materialelor a Facultii de Inginerie a Universitii Lucian Blaga, pentru sprijinul acordat privind accesul la laboratoare i aparatur, pentru observaiile constructive i obiective. Pentru sprijinul acordat n realizarea cercetrilor experimentale, mulumesc Serviciului CTC i Comisiei Militare de Recepie a ntreprinderii Mecanice Moreni. Pentru ajutorul acordat n desfurarea cercetrilor teoretice aduc mulumiri domnilor prof.univ.dr.ing. Chereche Tudor, conf.univ.dr.ing. Gheorghian Sorin, conf.univ.dr.ing. Pleanu Toma i domnului prof.univ.dr.ing. Popa Mircea Virgil.

Capitolul 1 Realizri i tendine n construcia blindajelor mainilor de lupt.

7

Capitolul 1.

Realizri i tendine n construcia blindajelor mainilor de lupt Protecia lupttorilor constituie o preocupare permanent a fabricanilor de

arme. Pe parcursul evoluiei societii, protecia lupttorilor s-a realizat prin haine din piei mai dure, urmate de scutul din piele, din lemn, din lemn acoperit cu plac metalic subire sau zale metalice i scutul din metal.

Dac lupttorul era protejat de scut, coif sau armur, tehnica de lupt era aprat de construcii din lemn sau din lanuri de scuturi purtate de lupttori.

Protecia tehnicii blindate a fost apreciat iniial [3, 108, 119, 192] ca fiind reprezentat de totalitatea aptitudinilor autovehiculului de a rezista la agresiuni executate cu o gam larg de mijloace, la aciunile diverselor muniii (mine, grenade), a armelor de nimicire n mas, i de a asigura echipajului condiii corespunztoare de ducere a luptei.

1.1. Conceptul de protecie n domeniul tehnicii

blindate n prezent, n domeniul tehnicii blindate, protecia este definit ca fiind

ansamblul msurilor constructive i tactice care urmresc evitarea descoperirii tehnicii de ctre inamic, evitarea lovirii acesteia prin mobilitate sau prin mijloace active de ascundere i aprare i, n cele din urm, supravieuirea acesteia dup lovirea de ctre mijloacele inamicului.

1.2. Protecia prin blindaj Practic, blindajul este considerat ca fiind ansamblul de plci metalice

destinate s asigure protecia mpotriva gloanelor, a proiectilelor inamicului sau schijelor acestora.

Pe parcursul evoluiei conceptului, protecia prin blindaj s-a materializat n urmtoarele forme:

protecia total; protecie global; protecie difereniat; protecie general.


8

n prezent, mai ales n scopul asigurrii unei anumite capaciti de supravieuire, nu se mai pune problema realizrii doar a unor blindaje invulnerabile prin caracteristicile fizico-mecanice ale materialelor sau prin soluia constructiv a plcii de blindaj. Posibilitatea realizrii unor blindaje active sugereaz capacitatea asigurrii unei protecii totale a tancului, nu doar datorit rezistenei mecanice a unor blindaje, ci i datorit unor contraaciuni declanate mpotriva elementului atacator.

Protecia difereniat prin blindaj ine seama de densitatea probabil a

atacurilor executate mpotriva anumitor suprafee expuse, de probabilitatea de lovire i de probabilitatea tactic de executare a unor agresiuni din anumite direcii, cu anumite categorii de armament. Se definete astfel noiunea de grad de protecie, aceasta punnd n legtur un anumit tip de agresiune, cu o anumit suprafa a autovehiculului blindat. Apar termenii de protecie frontal, lateral, posterioar, la atacul aerian, mpotriva elementelor explozive plantate n sol.

Protecia tehnicii blindate, raportat la suprafeele expuse, a stat la baza unei strnse colaborri ntre constructorii de tehnic i tacticieni, colaborare materializat n modificri majore a modului de elaborare a algoritmilor de colaborare dintre arme i, n mod special, a modului de pregtire i sprijinire a aciunilor tehnicii blindate.

1.3. Scurt istoric al autovehiculelor blindate Se spune adeseori c utopiile fac istoria [9]. Aceste cuvinte sunt foarte bine

ilustrate de istoria autovehiculelor blindate. La sfritul secolului al XIX-lea, cnd motorul cu aburi a fost nlocuit de motorul cu benzin, mai puternic, ideea construirii de vehicule blindate, vehicule care s asigure protecia unui trgtor printr-o plac metalic, a trecut de la utopie la realitate.

Astfel, putem discuta despre autovehicule blindate atunci cnd autovehiculul este echipat cu plci metalice care ofer echipajului protecie mpotriva gloanelor de mitralier sau a proiectilelor de tun.

Primul astfel de vehicul a fost desenat n anul 1896 de ctre E.J. Pennington. Cu patru roi protejate cu plci metalice de blindaj i echipat cu mitraliere, acest proiect nu a fost realizat niciodat [34]. Doi ani mai trziu, n 1898, la Richmond, F.R. Simms prezint un cvadriciclu echipat cu o mitralier Maxim i cu motor De Dion-Bouton. Trgtorul este protejat de o plac din oel. Acest cvadriciclu este considerat primul vehicul blindat [34].

Primul tanc recunoscut de literatura de specialitate rmne ns cel conceput de ctre colonelul englez Ernest Swington spre sfritul anului 1914. Propunerea lui nu a gsit ns audien n rndul militarilor i, abea la 2 februarie 1916 a fost prezentat Ministerului de Rzboi britanic un prototip. Impresionai de aceast realizare, cei prezeni promoveaz ideea i sunt comandate primele 150 de buci. Numele cu care a fost botezat tancul a fost Litlle Wilie dar, pentru a putea fi o surpriz pentru spionajul inamic la momentul apariiei pe cmpul de lupt, s-a


9

hotrt ca acest tip de tehnic s fie construit sub denumirea conspirativ de tank - cazan pentru locomotivele cu aburi.

La data de 15 septembrie 1916, primul tanc i face apariia pe cmpul de lupt n cadrul btliei de pe rul Somme. Prima lupt n care tancurile au luat parte ntr-un mod masiv a avut loc pe 20 noiembrie 1917 la Cambrai cnd, prin utilizarea a 378 de tancuri, aprarea a fost rupt pe un front de 16 kilometri i o adncime de 9 kilometri, fiind capturai 8000 de prizonieri i 100 de tunuri. Acesta a fost un prim succes pentru noul tip de tehnic de lupt. Specialitii militari realizeaz importana acestor arme i se trece la fabricarea de noi modele.

n ceea ce privete armata Romniei, prima comand privind achiziionarea de tehnic blindat s-a fcut la 13 august 1916, n Frana, pentru achiziionarea a 30 de automobile blindate. La 8 septembrie 1916 armata primete cadou de la guvernul francez dou automobile mitralier, iar la 22 octombrie 1916 dou autoblindate Peugeot (cu motor de 18 CP), i dou Renault. Urmare a campaniei din 1916 - 1917, la nceputul anului 1917 se mai achiziioneaz 34 de automitraliere. Prima formaiune tehnic de blindate este o companie de motomitraliere i tunuri autoblindate din cadrul Regimentului de Traciune Automobil, nfiinat la 10 martie 1917.

1.4. Clasificarea autovehiculelor blindate Tratatul cu privire la forele armate convenionale din Europa, semnat la

Paris la 19 noiembrie 1990, stabilete cinci categorii de sisteme de armament convenionale: tancuri de lupt; vehicule blindate de lupt; artilerie; avioane de lupt; elicoptere de lupt.

Totodat, documentul definete tehnica blindat astfel: tancul de lupt este vehiculul blindat de lupt autopropulsat, cu mare

capacitate de foc, dispunnd de un tun principal pentru foc direct, cu vitez iniial ridicat (a proiectilului), necesar pentru a angaja inte blindate sau alte obiective, cu o mare mobilitate n orice teren, asigurnd un nivel ridicat de protecie i care nu este conceput i nici echipat n mod special pentru transportul de efective de lupt;

vehiculul blindat de lupt este un vehicul autopropulsat, cu protecie prin blindaj i cu capacitate de deplasare n orice teren. n aceast categorie sunt incluse: transportoarele blindate de trupe; vehiculele blindate de lupt ale infanteriei; vehiculele de lupt cu armament greu. 1.5. Competiia protecie prin blindaj muniie antitanc Generalul Bertrand (Frana) spunea [148]: tancul a fost regele btliilor

n cel de-al doilea rzboi mondial. Sfritul dominaiei sale este anunat periodic. Aceasta constituie ns o grav eroare deoarece tehnologia actual permite sporirea puterii i mobilitii lui, concomitent cu reducerea vulnerabilitii.


10

Tehnica blindat, considernd aici toate tipurile de autovehicule cu blindaj, cu propulsie pe roi sau enile (tancuri, autotunuri, maini de lupt ale infanteriei, maini de lupt pentru vntorii de munte, transportoare amfibii blindate, tractoare blindate de evacuare, autospeciale pe carcase blindate din nomenclatura diferitelor specialiti militare), reprezint unul din factorii principali care influeneaz capacitatea de lupt a tuturor categoriilor de fore ale armatei [190].

Specialitii militari [108, 144] consider c, att n prezent ct i n viitor, tehnica blindat rmne singura care mbin ntr-un mod eficient puterea de foc cu mobilitatea i protecia echipajului i aparaturii.

1.5.1. Performane ale muniiilor antitanc Rolul tactic important al autovehiculelor blindate de lupt, n special al

blindatelor grele (tancuri), face ca acestea s fie vizate n mod deosebit pentru a fi distruse. Lupta cu blindatele se duce ncepnd de la distane mari fa de aliniamentul de contact, pe adncimi de zeci i chiar sute de kilometri.

Lund n considerare distana pn la care armamentul antiblindate este eficace, acesta poate fi grupat astfel [191]:

arunctoare de grenade antitanc portabile: pn la 500 600 m; arme antitanc fr recul: pn la 900 1000 m; tunuri dispuse pe tehnica blindat, cu muniie antitanc i calibre ntre 90 i

125 mm: pn la 3.000 4.000 m (cu precizie de peste 50 % la distana de tragere prin ochire direct);

rachete antitanc de diferite tipuri: pn la 5.000 m; arunctoare, tunuri i obuziere cu btaie mare, cu proiectile de artilerie cu

submuniii cu autoghidare pe ultima poriune a traiectoriei: pn la 30 40 km;

rachete sol sol cu submuniii autoghidate (elemente din cadrul complexelor de cercetare lovire): pn la 150 200 km. Se poate deci concluziona c, att n prezent ct i n viitorul previzibil,

lovitura cu proiectil perforant subcalibru cu elemente detaabile i stabilizare prin ampenaj constituie i va constitui muniia de baz pentru tunurile de pe tanc. Proiectilele perforante de tip cumulativ sau cu explozivi plastici, avnd o putere de perforare superioar, au fost introduse n unitatea de foc a unor tancuri moderne (AMX-Leclerc, AMX-40, Leopard-2, Challenger 1 i 2, T-80) dei, dup cum se afirm n literatura de specialitate, eficacitatea acestora mpotriva blindajelor stratificate recent realizate precum i mpotriva blindajelor reactive (active) este redus.

1.5.2. Arme aflate n studiu

Obiectivele aflate n atenia specialitilor sunt realizarea unor tunuri clasice

cu performane superioare celor existente, a muniiei aferente, i realizarea unor sisteme de armament principial noi. Acestea din urm vizeaz obinerea unor


11

viteze iniiale a proiectilelor semnificativ mai mari: se are n vedere propulsia cu combustibil lichid i propulsia electromagnetic.

Ca urmare a evalurii posibilitilor de sporire a performanelor tunurilor clasice, existente pe tancurile aflate n nzestrarea diferitelor armate, s-au evideniat urmtoarele direcii de perfecionare:

sporirea eficacitii la int a proiectilului prin creterea energiei cinetice a acestuia;

utilizarea de ncrcturi de azvrlire care s asigure presiuni ale gazelor arse apropiate de valoarea maxim admis de soluia constructiv a evii;

realizarea unor tunuri cu calibre mai mari. 1.6. Soluii constructive de blindaje Pentru clasificarea blindajelor se folosesc o serie de criterii [86]. Astfel, n funcie de comportarea la impact ntlnim urmtoarele tipuri de

blindaje: blindaje pasive; blindaje active (reactive) care, la rndul lor pot fi:

- blindaje reactiv explozive (BRE sau ERA); - blindaje cu plci alunectoare.

n funcie de soluia constructiv, blindajele pot fi: blindaje omogene care, n raport de tehnologia de fabricare, pot fi:

- blindaje turnate; - blindaje laminate;

blindaje stratificate: - n pachet omogen; - n pachet neomogen; - cu plci alunectoare.

n raport cu soluia de montaj pe tehnic, blindajele pot fi: blindaje de baz (constructive); blindaje amovibile. Soluiile cel mai des ntlnite n prezent sunt blindajul de baz pasiv,

omogen, laminat, cu blindaj suplimentar pasiv, amovibil, stratificat n pachet neomogen, sau reactiv-exploziv, amovibil.

Blindajele particip la masa autovehiculului blindat, n medie cu 50 % [143]. Deoarece o prim direcie de mrire a gradului de protecie o reprezint mrirea grosimii blindajelor, iniial s-a optat pentru aceast soluie. Creterea greutii duce ns la creterea vulnerabilitii prin scderea mobilitii, la o aceeai putere a agregatului energetic. De asemenea, scade transportabilitatea i capacitatea de trecere. Necesitatea creterii grosimii blindajului a dus la apariia noiunii de blindaj echivalent.


12

Dac ne raportm la scderile de mas i la eficacitatea global a sistemului de arm, va trebui s inem seama i de probabilitile de lovire a blindatului de ctre armamentul advers.

Tabelul 1.2 Grosimea real a plcii de blindaj la grosime echivalent 100 mm.

Grosimea blindajului [mm] 100 93.969 76.604 64.278 50,000

Unghiul de inciden [ 0 ] 0 20 40 50 60

Concluzia care se impune de la sine este c nclinarea plcii de blindaj

permite asigurarea unei protecii mai bune (echivalente, la aceeai grosime real) i, prin soluia constructiv adoptat (pstrarea grosimii echivalente, deci a gradului de protecie echivalent, cu nclinarea plcii), se poate obine o cretere a mobilitii autovehiculului.

1.6.1. Blindaje pentru autovehicule uoare i grele Pentru autovehiculele uoare, blindajul de baz (constructiv, pentru cutia

blindat i turel), este destinat s asigure protecia mpotriva gloanelor armamentului de infanterie, n general pn la calibrul de 12,5 mm, trase de la distana loviturii directe, precum i protecia mpotriva schijelor.

1.6.2. Blindaje omogene Din punct de vedere cronologic, blindajele omogene au fost primele tipuri

de blindaje utilizate. Cerinele impuse acestora au avut adeseori un caracter contradictoriu, ncercndu-se gsirea unui raport optim ntre:

tenacitate, pentru a absorbi energia cinetic a proiectilului; duritate, pentru a sparge proiectilul sau subelementele dure ale acestuia; un comportament la rupere cu un pronunat caracter ductil, pentru a nu

forma schije sau fragmente de rupere n cazul perforrii. Tehnica blindat grea (tancurile), realizat pn la sfritul celui de al

doilea rzboi mondial i chiar n primii ani postbelici, utiliza numai blindaje omogene, turnate sau laminate.

1.6.3. Blindaje stratificate (neomogene) Blindajele neomogene sunt blindaje alctuite din mai multe straturi.

Neomogenitatea este dat, nu de structura diferit a unui material, ci de existena unor straturi de materiale diferite. Rezistena blindajului este dat att de rezistena mecanic a materialelor, ct i de modul n care variaz densitatea ntregului ansamblu, altfel spus de succesiunea straturilor, dinspre exterior spre interior, pe o traiectorie probabil a unui penetrator.


13

Un astfel de blindaj stratificat are n compunere materiale diferite. Acestea pot fi:

oel de blindaj, omogen; materiale ceramice; materiale compozite; straturi de aer; materiale polimerice de densitate mic, cu sau fr inserii din table subiri

sau pulberi metalice; material plastic dur (ca ultim strat).

1.6.4. Blindaje reactive Blindajele reactive sunt acele blindaje care, n momentul impactului

penetratorului, declaneaz o contraaciune n scopul perturbrii fenomenului de penetrare. Aceast contraaciune const, de regul, n declanarea unei explozii. O astfel de explozie are ca efect modificarea unghiului de inciden al penetratorului, uneori pn la anularea total a eficacitii aciunii acestuia.

Cunoscute ca blindaje reactiv - explozive (BRE sau ERA Explosive Reactive Armor), au fost utilizate pentru prima dat de ctre armata israelian n 1982, n cadrul operaiunii din Liban Pace pentru Galileea, pe tancurile M-60 A1 i Centurion. ntlnit i sub numele de blindaj Blazer, blindajul reactiv exploziv a fost fabricat iniial de Israel Military Industries i comercializat prin Rafael Armament Development Authority.

Combinat cu blindajul stratificat, BRE este, deocamdat, cea mai performant soluie de sporire a gradului de protecie prin blindaj.

1.6.5. Tendine n construcia blindajelor Pentru autovehiculele blindate uoare, transportoare de trupe i maini de

lupt, se folosesc din ce n ce mai mult aliaje din materiale cu densitate mic. De asemenea, soluiile testate pn n prezent indic tendina folosirii blindajelor multistratificate de grosime mic i a maselor plastice. Creterea gradului de protecie prin blindaj, pentru aceste tipuri de autovehicule, se realizeaz tot mai des prin folosirea blindajelor spaiale suplimentare, realizate cu panouri profilate, din aliaje de aluminiu, acordndu-se atenie i blindajelor BRE de grosime mic.

Din materialele publicate pn n prezent se poate aprecia c, pentru tehnica blindat grea - tancurile de lupt, cercetrile specialitilor se desfoar n direcia perfecionrii blindajelor stratificate, n mod special a celor n pachet neomogen.

1.7. Materiale pentru blindaje Obinerea elementelor de protecie tip blindaj se realizeaz prin turnare sau

laminare. Dup metoda de obinere, acestea sunt clasificate n blindaje turnate i


14

blindaje laminate. Pn la sfritul celui de al doilea rzboi mondial, blindajele au fost numai turnate. n prezent predomin blindajele laminate.

n ultimii ani, unul din productorii importani de plci de blindaj laminate, firma Swedish Steel Oxelosund AB, comercializeaz plcile de blindaj AMOX att pentru blindatele uoare, ct i pentru tancuri. Livrat mai multor ri, caracteristicile acestuia sunt funcie de comanda beneficiarului. Cteva date comerciale referitoare la blindajele AMOX sunt prezentate n tabelul 1.5 .

Tabelul 1.5 Caracteristici dimensionale i de duritate pentru blindaje AMOX

Tip blindaj Grosime [ mm ] Duritate [ HB ] AMOX 300 S 5 60 280 340 AMOX 400 S 5 40 400 460

5 30 480 540 30 50 460 520 AMOX 500 S 50 80 440 500 10 25 530 590 25 50 500 560 AMOX 560 S 50 100 480 540

Blindajul din plci omogene, din oel laminat i tratat termic, continu s

fie utilizat la un mare numr de tipuri de autovehicule blindate uoare. n funcie de duritatea lor, acestea se clasific n blindaje de duritate mic,

de duritate medie i de duritate mare. Oelurile sudabile pentru blindaje sunt, de obicei, oeluri slab aliate i, n

unele cazuri, mediu aliate. Compoziia chimic a acestor oeluri este, n general, urmtoarea: 0,230,34 % C; 0,181,60 % Si; 0,301,60 % Mn; 0,302,30 % Cr; 0,150,38 % Mo; 0,13,50 % Ni.

Cele mai utilizate oeluri sudabile, rezistente la ocuri, se prelucreaz sub form de profile, de regul table cu grosimi de la 8 la 160 mm.

Principalele oeluri folosite n Romnia pentru fabricarea tablelor de blindaj, sunt notate n caietele de sarcini OB 1 OB 6. Compoziia chimic a acestora, aa cum o ntlnim n literatura cu acces nerestricionat [86], este prezentat n tabelul 1.7 .

Tabelul 1.7 Compoziia a ase tipuri de oeluri romneti pentru table de blindaj.

Compoziie chimic [ % ] Tip oel C Si Mn Cr Mo Ni P S

OB 1 0.23.0.29 1.2...

1.6 1.20.

1.6 0.30.

0.5 0.15.

0.25 Max.0.5 0.035 0.030

OB 2 0.25.0.31 0.18.

0.35 0.30.

0.55 1.80.

2.3 0.25.

0.35 Max.0.5 0.030 0.030

OB 3 0.28.0.34 0.18.

0.35 0.30.

0.55 1.40.

1.9 0.25.

0.35 1.00.

1.5 0.030 0.030

OB 4 0.28.0.34 0.18.

0.35 0.30.

0.50 1.80.

2.3 0.28.

0.38 1.50.

1.9 0.030 0.030

OB 5 0.27.0.33 0.18.

0.35 0.30.

0.50 1.80.

2.3 0.28.

0.38 1.80.

2.3 0.030 0.030

OB 6 0.24.0.31 0.20.

0.40 0.30.

0.60 1.20.

1.75 0.25.

0.35 3.00.

3.5 0.025 0.025


15

n tabelul 1.8 sunt prezentate caracteristicile mecanice ale oelurilor OB 2 OB 6.

Tabelul 1.8 Caracteristicile mecanice ale oelurilor OB 2 OB 6

Rp 0,2 Rm A Z KCU Tip oel

[ daN / mm2 ] [ % ] [ daJ / cm2 ] HB HRC

OB 2 100 110 15 55 612 285..341 28.335.0 OB 3 70110 105..120 1015 3050 911 285..341 28.335.0 OB 4 90.110 100..120 1215 4555 711 285..341 28.335.0 OB 5 90.110 105..115 1215 2425 1014 285..341 28.335.0 OB 6 74.78 9194 17.5 3439 56 262..311 24.831.5

Aceste oeluri se pot durifica prin tratament termic (clire i revenire), obinndu-se duriti de 28 35 HRC . Duriti mai mari se pot realiza prin ecruisarea materialului prin explozie. Acest procedeu prezint avantajul c se poate aplica numai pe suprafeele care prezint interes tehnologic sau funcional, la un pre de cost relativ mai redus dect cel al tratamentului termic.

Prima realizare a unui blindaj din aliaj pe baz de aluminiu aparine firmei Kaiser Aluminium & Chemical Corporation SUA. Acesta a fost produs la comanda firmei FMC Corporation, firm care i-a nscris ca realizare de pionierat fabricarea transportorului blindat M-113, transportor utilizat pe scar larg i n prezent, cu modernizrile inerente. Blindajul transportorului M-113 este realizat din aliaj de Al Mg Mn (aliaj 5083). Acest aliaj s-a dovedit mai eficace mpotriva schijelor dect blindajul laminat, omogen, din oel. Datorit duritii de 75 HB, acest blindaj este mai puin eficace mpotriva gloanelor cu vitez mare.

Protecia antiglon slab a acestui aliaj a dus la apariia aliajelor din seria 7000, aliaje Al Zn Mg. Dintre acestea putem aminti: aliajul 7039, aliaj produs de firma Aluminium Company of America ALCOA, aliajul 7017 produs de firma ALCAN Anglia i aliajul 7020 produs de Pechine - Frana. Eficacitatea masic a cestor aliaje, la agresiunea gloanelor perforante calibrul 7,62 mm, la impactul normal pe blindaj, atinge valoarea de 1,4 n primul rnd datorit duritii lor (duritate care ajunge la 150 HB). Utilizarea aliajelor din seria 7000 a dus la importante reduceri de mas, la acelai grad de protecie asigurat.

Utilizarea asociat a dou materiale diferite a dus, ncepnd cu anii 1960, la realizarea blindajelor stratificate. Materialele utilizate au fost: oel de duritate mare la exterior i aliaj de aluminiu la interior. Ulterior, s-a trecut la utilizarea de materiale ceramice ca strat exterior dur, destinat spargerii proiectilelor n momentul impactului, i suport de material tenace la interior, necesar pentru a absorbi energia cinetic a proiectilului. Cu duriti ntre 2000 i 3000 HV, materialele ceramice au o eficacitate masic ce depete valoarea 2,0 n raport cu oelul, evaluat la agresiunea gloanelor perforante de calibru 7,62 mm.


16

Alte materiale, care se folosesc din ce n ce mai frecvent la realizarea blindajelor stratificate, sunt materialele compozite. Acestea sunt:

compozite structurale, cu matricea din rini epoxidice armate cu fibre de sticl i fibre de carbon (au avantajul unei greuti reduse cu 30 50% fa de oel);

compozite carbon carbon, cu matricea din grafit, armat cu fibre de carbon structurate n esturi (prezint avantajul unei comportri foarte bune la temperaturi ridicate);

compozite ceramic ceramic, cu matrice executat din amestecuri de carburi, nitruri, boruri, sau fibre de carbon (au avantajul unei greuti reduse); spre exemplu, la utilizarea oxidului de aluminiu, greutatea unei plci de blindaj se reduce, fa de cazul utilizrii oelului, cu pn la 55 % la acelai grad de protecie, deci se obine o eficacitate masic de pn la 2,2 . Pentru blindajele spaiale se folosesc table subiri din oeluri slab aliate sau

din aliaje de aluminiu. n construcia autovehiculelor blindate uoare, transportoare de trupe i

maini de lupt, se folosesc din ce n ce mai mult aliaje din materiale cu densitate mic. Soluiile testate pn n prezent indic tendina folosirii blindajelor multistratificate de grosime mic i a maselor plastice. Creterea gradului de protecie prin blindaj, pentru aceste tipuri de autovehicule, se realizeaz tot mai des prin utilizarea blindajelor spaiale suplimentare, blindaje realizate cu panouri profilate, din aliaje de aluminiu, acordndu-se atenie i blindajelor BRE de grosime mic.

Referitor la materiale, se tinde spre extinderea utilizrii uraniului srcit, att pentru muniii, ct i pentru blindaje. Dac pn n prezent s-a urmrit folosirea de materiale cu densitate mic, n scopul reducerii masei autovehiculului echipat de lupt, utilizarea uraniului srcit (material cu densitate de cca 2,5 ori mai mare dect a oelului) are n vedere i capacitatea unui blindaj cu uraniu de a absorbi radiaiile neutronice i ale exploziei nucleare.

1.8. Elemente de calcul a blindajelor tiind c efectul perforant este dependent de energia cinetic a proiectilului

i de dimensiunile sale, puterea de perforare este bine exprimat de legea lui de Marre [10]:

5,0

7,075,0

pp m

edkV = (1.2) unde:

Vp = viteza de impact a proiectilului; d = calibrul proiectilului;


17

e = grosimea tablei de blindaj; mp = masa proiectilului; k = factor care exprim proprietile materialului proiectilului i ale tablei de blindaj.

Se observ c puterea de perforare, exprimat prin grosimea tablei de blindaj e, se poate crete sporind viteza de impact a proiectilului. Acest lucru este limitat deoarece presupune creterea vitezei la gura evii, deci creterea performanelor gurii de foc.

Pentru studiul impactului proiectil blindaj, la viteze mici, de pn la 1.500 m/s, trebuie avut n vedere, n primul rnd, mecanismul perforrii aerodinamice, dar i elemente ale mecanismului perforrii n zona domeniului de trecere de la perforarea aerodinamic la perforarea hidrodinamic (domeniile I i II conform figurii 1.8.).

1.8.2. Relaii de calcul a blindajelor

Un model matematic pentru studiul aciunii proiectilului asupra blindajului,

trebuie s furnizeze rezultate ct mai exacte referitoare la: adncimea de perforare; viteza rmas a proiectilului n cazul unei perforri complete; durata perforrii; capacitatea unui anumit proiectil de a strpunge un blindaj, n condiii date.

Complexitatea fenomenelor care se produc la impactul proiectil-blindaj rezult din multitudinea de procese care au loc la nivelul structurii materialului, nsoite, de regul, de creteri nsemnate ale temperaturii ntr-un timp extrem de scurt. Aceast comportare a blindajului la impact, implic un model de calcul cu un grad sporit de generalitate, model care s permit analiza strii spaiale de deformaii i tensiuni ce apare n corpul plcii de blindaj.

Deoarece fenomenele de impact dintre proiectil i blindaj sunt fenomene tranzitorii (nestaionare), nsoite de vitez, de transfer termic, de deformaii elasto-plastice sau de curgeri hidrodinamice, o formulare matematic exact a problemei conduce la un model matematic tridimensional, model care introduce (sub forma lor cea mai general), ecuaiile de conservare din mecanica mediilor continue.

n plus, la acest sistem de ecuaii se mai adaug: o ecuaie de stare care definete comportarea materialelor la compresiune i

ntindere, innd cont de deviatorii de tensiune, de influena ecruisrii i a vitezei de deformaie;


18

criterii specifice, pe de o parte de tranziie elasto-plastic (criteriul Von Mises sau criteriul lui Tresca), i pe de alt parte, condiii de ecruisare i respectiv de propagare a fisurilor. Astfel, legile de conservare din mecanica mediilor continue, cu neglijarea

fenomenelor de conducie termic, se scriu n raport cu timpul astfel: [10, 167] conservarea masei: conservarea cantitii de micare: conservarea energiei totale:

La aceste ecuaii se adaug legile de comportament ale materialului, legi care, n spaiu, adaug sistemului nou ecuaii cu nou necunoscute.

Se obine astfel un sistem de 14 ecuaii cu 14 necunoscute: Rezolvarea acestui sistem de ecuaii difereniale depinde n mare msur de

modul n care se expliciteaz legea de variaie a caracteristicilor materialului, i de criteriile specifice pe baza crora se stabilesc condiiile matematice ce exprim tranziia elasto-plastic, ecruisarea i propagarea fisurilor.

1.8.3. Aplicaii software destinate modelrii i simulrii

fenomenelor din domeniul mecanic Ca n orice domeniu tehnic, utilizarea modelrii i simulrii este elementul

care permite stabilirea de soluii constructive cu reducerea semnificativ a cercetrilor experimentale, deci i a costurilor de proiectare.

ncercarea de a trece n revist aplicaiile realizate pentru modelarea fenomenelor aparinnd diverselor domenii i specialiti, ne aduce n contact cu un spectru larg de abordri.

1.8.4. Aplicaii software destinate modelrii comportrii materialelor, pe baza structurii acestora La nivel de material observm (n special n ultimele trei decenii), o

tendin de schimbare a opticii privind abordarea comportrii acestuia [96, 100]. Aceast schimbare implic un nivel sporit de complexitate prin prisma abordrii sinergetice a materialului. Direcia este impus de dezvoltarea unor materiale noi, cu performane net superioare materialelor utilizate pe scar larg n prezent. Realizarea materialelor compozite, stratificate, cu structuri neomogene controlate, armate cu materiale nemetalice, a dovedit c abordarea prin evaluarea grosier a proprietilor mecanice (elasticitate, duritate, tenacitate, rezistene etc.) este


19

insuficient de relevant, i cu un grad insuficient de certitudine privind comportarea n exploatare.

Astfel, specialitii s-au orientat spre abordri care vizeaz nu doar mecanica ruperii, teoria plasticitii etc., ci i interaciunile sinergetice dintre acestea [38, 97]. Un prim exemplu al importanei ce se acord domeniului l regsim n Synergy Ceramics Projects, [S. Kanzaki, M. Shimada, K. Komeya, A. Tsuge Recent progress in the synergy ceramics project, Kez Eng Mater, pp. 161-163, 437-442, 1999], dezvoltate de cteva universiti i firme japoneze. Necesitatea acestei abordri o reprezint faptul c mecanismul fizic al comportrii materialelor nu mai poate fi analizat cu modelele simple, existente n prezent, ci necesit modelri i simulri ale interaciunilor dintre fenomene, la diferite scri [38]. Se poate remarca faptul c, indiferent de nivelul de abordare, baza o reprezint analiza n element finit (FEA). Se ncearc i o abordare la nivel nanometric, dar acesta nu are nc suport ntr-o aplicaie recunoscut. Elementele de particularitate pentru toate aceste noi modele, sunt condiiile la limit i modul de abordare a omogenitii structurale a materialelor studiate.

Perfecionnd modelul pentru analiza materialelor multifaz prin MEF, aplicaia ABAQUS, provenit din LASTRAN, a fost transformat pentru analiza eforturilor locale pentru structuri reale cu carburi, n aplicaia CRACKAN. Rmas ns de baz, ABAQUS a fost utilizat cu modelul VCFEM - Voronoi Cell Finite Element Model (fiecare poligon conine o incluziune care este utilizat ca element finit), i a corelat rezultatele experimentale prin analiza micrografiilor cu VDC - Verborde and Digit Codes.

Se pare c, n prezent, cea mai nou aplicaie orientat pe subiect, n zona analizei n element finit, o reprezint OOFEA - Object Oriented Finite Element Analysis [Carter,W.C., S.A. Langer, jr. E.R. Fuller The OOF Manual, version 1086, 2000 (www.ctcms.nist.gov/oof/download/manual/manual.html)], dezvoltat pe platforma C++ [38]. Aceast aplicaie realizeaz discretizarea pe baza imaginii unei microstructuri, i simuleaz deformrile termice n domeniul elastic pe baza structurii reale.

Capitolul 2 Investigaii asupra evalurii penetrabilitii unui blindaj, asupra efectului Hopkins i asupra direciilor de modernizare a proteciei prin blindaj

20

Capitolul 2

Investigaii asupra evalurii penetrabilitii unui blindaj, asupra efectului Hopkins i asupra direciilor de modernizare a proteciei prin blindaj

2.1. Moduri de penetrare a blindajului

Pentru a putea face evaluri pertinente asupra impactului proiectil / blindaj i asupra modului de strpungere a unei plci de blindaj, este important detalierea fenomenelor care se produc n cazurile penetrrii acesteia de ctre proiectilul cumulativ, de ctre proiectilul exploziv i de ctre proiectilul cinetic.

A) La penetrarea plcii de blindaj de ctre jetul cumulativ, se poate

aproxima adncimea de perforare a jetului cumulativ cu ajutorul relaiei lui Bernoulli din dinamica fluidelor:

b

jLP = (2.0)

unde: P = adncimea de penetrare [mm] ; L = lungimea jetului [mm] ; j = densitatea jetului [g/cm3]; b = densitatea materialului tablei de blindaj [g/cm3]. Din relaia (2.0) se observ c, cu ct densitatea materialului jetului este

mai mare n raport cu cea a materialului blindajului, cu att puterea de penetrare este mai mare. Dac lum n calcul faptul c materialul care formeaz jetul este necesar s fie i ductil, putem face observaia c ar fi avantajos ca ncrctura s fie din aur sau platin. Cum ns preul acestora este mare, cel mai frecvent se utilizeaz cuprul de nalt puritate. La acest mecanism al procesului de strpungere a plcii de blindaj se poate remarca faptul c adncimea de penetrare nu este dependent de unghiul de impact. Aceasta poate fi ns redus dac forma plniei este afectat de impactul cu diverse materiale nainte de detonarea ncrcturii explozive, impact ce are ca rezultat imposibilitatea formrii unui jet cu parametrii corespunztori de form i vitez.


21

La trecerea dintr-un mediu cu o anumit densitate n unul cu o densitate diferit, continuitatea jetului este afectat dac aceasta din urm este semnificativ mai mic dect densitatea primului mediu. Deci, puterea de penetrare este diminuat de suprafeele de separaie dintre medii cu densiti mult diferite.

Este de remarcat faptul c mijloacele de lupt mpotriva unei lovituri cumulative nu sunt deosebit de complexe i beneficiaz de avantajul posibilitii folosirii unor materiale de densitate mic, ieftine.

C) Pentru proiectilul cinetic evaluarea fenomenului perforrii unei plci

de blindaj presupune o analiz a urmtoarelor fenomene: propagarea undelor de eforturi n corpul proiectilului i al blindajului; exfolierea plcii de blindaj pe suprafaa opus perforrii; micarea oscilatorie a plcii de blindaj; realizarea penetrrii plcii de blindaj n zona de contact direct dintre

proiectil i plac (prin deformri plastice urmate de ruperi). Situaiile prezentate mai sus demonstreaz complexitatea fenomenelor care

au loc la impactul penetrator blindaj, complexitate rezultat din multitudinea de procese care au loc la nivelul structurii materialului, al reelei sale cristaline, nsoite de regul de creteri nsemnate ale temperaturii ntr-un interval de timp extrem de scurt. Pentru studiul acestor fenomene, abordrile teoretice existente sunt difereniate prin scara la care opereaz. Pentru fiecare dintre aceste scri, aparatul matematic necesar pentru evaluri analitice crete n complexitate pe msura profunzimii intimitilor studiate i, totodat, crete complexitatea i sensibilitatea aparaturii de experimentare necesare.

2.2. Cercetri asupra relevanei i utilitii relaiilor

experimentale de calcul a blindajului Pentru determinarea capacitii de rezisten la impact a unei plci de

blindaj, studiile ntreprinse pe plan mondial au urmrit evaluarea i calculul urmtorilor parametri:

adncimea de perforare; viteza rmas a penetratorului, n cazul unei strpungeri complete; timpul de strpungere; capacitatea penetratorului de a strpunge o plac cu caracteristici

cunoscute, n condiii de experimentare date. 2.2.1. Relaii experimentale de calcul a blindajului Ca urmare a testelor prin tragere real, n poligoane, corelate cu rezultatele

focului executat n diverse conflicte regionale, s-a stabilit c un penetrator dat are comportament diferit n raport cu viteza la momentul impactului i cu suma caracteristicilor fizico-mecanice ale materialelor plcii int i penetratorului.


22

n literatura de specialitate [58, 106, 115] ntlnim referiri la ncercri de stabilire a mai multor relaii experimentale de determinare a adncimii de penetrare. Cteva dintre acestea sunt prezentate n tabelul 2.1.

Notaiile folosite au urmtoarele semnificaii: b = adncimea de perforare; d = diametrul (calibrul) penetratorului; m = masa penetratorului; V = viteza de impact a penetratorului cu placa de blindaj; VL = viteza limit pentru a produce perforarea; Vr = viteza rmas a penetratorului; = densitatea materialului plcii de blindaj; h = grosimea plcii de blindaj; c = volumul craterului produs n plac; = unghiul de nclinare a plcii de blindaj; F(e/d, ) = funcia lui Thomson; a1, , a8, , , , = parametrii experimentali (constante de caz).

Tabelul 2.1 Relaii experimentale de calcul a blindajului.

Nr. crt.

Denumirea relaiei Relaia de calcul

1 Ecuaia fundamental a blindajului 3

2

1 dVma

db = (2.1)

2 Milne de Marre 6993.02

2

=

dVma

db

(2.2)

3 Dideon ( )243 1ln Vaadb += (2.3) 4 Jacob de Marre 4.15.15

2 hdaVm L = (2.4)

5 Helie 26Vmac = (2.5)

6 Grabarek

=d

had

Vm L sec73

2

(2.6)

7 Thor VmhaVV r = 8 (2.7) 8 Ecuaia flotei maritime americane

deVm

deF L =

5.05.0 cos, (2.8)


23

2.2.2. Prelucrarea relaiilor experimentale Pentru a analiza relevana i utilitatea relaiilor experimentale prezentate n

tabelul 2.1, facem urmtoarele ipoteze: penetratorul este reprezentat de un proiectil inert; penetratorul este de construcie normal, din oel cu densitatea de

p = 7,81 g/cm3; viteza de impact este mic, avnd valori de pn la 900 m/s (armament i

muniie clasic). Din relaiile (2.1), (2.2), (2.3), (2.4) i (2.6) determinm adncimea de

perforare. Pentru relaia (2.7) se consider:

h = b (grosimea plcii egal cu adncimea de penetrare) (2.12) Vr = 0 (viteza rmas a penetratorului, dup perforare este nul) (2.20) Relaia devine:

VmbaV = 8 (2.21) Pentru relaia (2.8) considerm:

= 0 (incidena penetratorului pe direcia normalei la suprafa) (2.16)

VL = V (viteza limit a penetratorului egal cu viteza de impact) (2.13) Relaia (2.8) devine:

deVm

deF =

5.05.0 10, (2.25)

Relaia (2.5) Helie nu o vom lua n discuie deoarece face referiri la geometria deformaiei plcii de blindaj, element pe care nu l mai regsim n celelalte relaii, i deci nu avem posibilitatea s facem aprecieri comparative.

Din examinarea relaiilor (2.9), (2.10), (2.11), (2.15), (2.19), (2.22), (2.24) i (2.26) putem observa:

relaiile (2.9), (2.10) i (2.15) sunt dependente de cte un singur parametru experimental;

relaiile (2.11) i (2.19) sunt dependente de cte doi parametrii experimentali;

relaiile (2.22) i (2.24) sunt dependente de cte trei parametrii experimentali; 2.2.2.1. Analiza relaiilor dependente de un singur parametru

experimental Din datele furnizate n manualul muniiilor [195], putem stabili o relaie

ntre masa penetratorului i diametrul d (calibrul) su. Astfel, rapoartele dintre dimensiunile ogivei (prii conice), corp i calibru, n ipoteza unei soluii


24

constructive obinuite pentru un penetrator de tipul proiectil inert, sunt cele din figura 2.4.

Deci, pentru relaiile experimentale dependente de un singur parametru

avem urmtoarele forme: 2

1333

3

2

1 10472.1310472.13 VdaddVdab == (2.28)

3007.33986.16993.02

0979.2101633.6 dVab = (2.29) 0714.14286.17142.07142.0

57578.12 dVab = (2.30) sau, n forma general, n raport de materialul penetratorului, relaiile:

221

= dVmab (2.9a) 3007.03986.16993.0

2 dVmab = (2.10a) 0714.14286.17142.07142.07142.0

5 dVmab = (2.15a) Din evaluarea unitilor de msur pentru relaiile (2.9a), (2.10a) i (2.15a),

se poate observa c, pentru consistena relaiilor, unitatea de msur pentru coeficienii experimentali este de forma unui raport

Volum / lucru mecanic de deformaie n concluzie, caracteristicile plcii de blindaj i particularitile condiiilor

de experimentare se concretizeaz ntr-un parametru experimental care exprim capacitatea plcii int de a absorbi energia potenial rezultat din transformarea energiei cinetice a penetratorului, n condiiile de desfurare a experimentului, cu o deformare minim a acesteia. Altfel spus, de a permite o penetrare minim, raportat la un volum dat.

Putem reformula: parametrii experimentali sunt caracteristici unor anumite condiii de experimentare i se interpreteaz ca reprezentnd o capacitate specific de disipare a unei energii poteniale, cu o deformare minim a plcii int, pentru condiii date.

2.2.2.2. Evaluarea formelor finale ale relaiilor experimentale

dependente de un parametru studii de caz Considernd un calibru dat, se poate trasa suprafaa limit a adncimii de

penetrare, calculat cu relaiile (2.28), (2.29) i (2.30), n raport cu o plaj de valori

d

[mm] . .

(max)2.7 d

(max) 6 d

Figura 2.4 Rapoarte ntre dimensiunile elementelor penetratorului considerat.


25

Rel30Rel30

Rel28

ale parametrilor a1, a2, a3 (notai n figur cu a) i ale vitezei V, considernd c viteza de impact este dependent de distana pn la int.

Pentru trasarea suprafeelor am utilizat aplicaia MATHCAD 2001 Profesional, versiunea 6.5.13, aplicaie care ne permite o prezentare grafic rapid i precis a unor suprafee definite sub form analitic.

Suprafaa adncimii de penetrare i spaiul de penetrabilitate mrginit de aceasta sunt prezentate n figura 2.5, unde sunt reprezentate:

pe axa Ox : viteza de impact V [m/s]; pe axa Oy : parametrul a; pe axa Oz : adncimea de penetrare b [mm];

b [mm] a V [m/s]

Figura 2.5 Spaiul de penetrabilitate, evaluat cu relaia (2.28)

Prin evaluarea relaiei (2.29) s-a obinut suprafaa (i spaiul) din figura 2.6:

b [mm] b [mm] V [m/s] a V [m/s] Figura 2.7 Spaiul de penetrabilitate evaluat cu relaia (2.30)

Apreciind c suprafeelor din figurile 2.5, 2.6 i 2.7 nu ne ofer uor o informaie suficient privind diferenele de evaluare a adncimii de penetrare, am


26

0 2 .10 4 4 .10 4 6 .10 4 8 .10 4 0.0010

100

200

300

Rel28ai

Rel29ai

Rel30ai

ai

considerat c se impune trasarea curbelor de variaie a acestui parametru n plan (2D), n aceleai condiii de variaie a parametrului a. Am trasat curbele pentru o vitez V = 300 m/s. Acestea sunt prezentate n figura 2.8.

b [mm] a Figura 2.8 Curbele de penetrabilitate evaluate cu relaiile (2.28), (2.29) i (2.30). Din analiza curbelor din figura 2.8. este uor de remarcat c cele trei relaii

de calcul ofer rezultate semnificativ diferite, n raport cu valoarea parametrilor experimentali utilizai.

2.3. Cercetri asupra efectului Hopkins, prin prisma

sintezei optimale. Stabilirea limitelor, prin analiz cinematic

Efectul de ndeprtare a materialului de pe faa posterioar a plcii de

blindaj, la impactul cu un penetrator, sub forma unor schije mari, fr strpungerea plcii de ctre acesta, ca urmare a aciunii undelor de oc, este cunoscut n literatur sub denumirea de efectul Hopkins.

Exfolierea plcilor de blindaj, ca efect al aciunii globale a proiectilului asupra blindajului, se produce datorit interferenei undei dilataionale (longitudinale) de compresiune, incident, cu unda dilataional de ntindere, reflectat de suprafaa opus a blindajului, precum i datorit interferenei undei distorsionale (transversale), cu undele dilataionale. n punctele n care are loc interferena acestor unde de oc, tensiunile se nsumeaz algebric i apare posibilitatea ca tensiunea rezultant s depeasc valoarea tensiunii de rupere a materialului. n toate aceste puncte, n care s-a atins sau depit valoarea tensiunii de rupere a materialului, apar microfisuri. Ca urmare a valorii eforturilor, microfisurile se transform n fisuri care se dezvolt i duc la ruperea materialului, cu formare de schije mari.

Evoluia n timp a eforturilor produse de unda de oc, primar sau reflectat, de interferena acestora, permite evaluarea, ntr-o prim aproximaie, a momentului ruperii i exfolierii suprafeei posterioare a plcilor de blindaj.


27

Deci, ca urmare a propagrii n corpul blindajului, a undelor de eforturi, cele mai mari tensiuni i eventualele fisurri ale materialului, nu apar pe axul de perforare, aa cum ar fi fost de ateptat, ci ntr-un plan paralel cu suprafaa posterioar a blindajului, situat la o distan mic de aceast suprafa.

Astfel, se poate aprecia c parametrii cei mai importani, care determin apariia exfolierilor la impact, sunt:

viteza de impact a proiectilului; duritatea i rezistena la oc a materialelor proiectilului i blindajului

(rezistene limit); diametrul proiectilului, prin influena undelor de oc transversale asupra

nivelului maxim al eforturilor normale, n seciunea de fund a craterului; lungimea proiectilului, prin:

- influena undelor de oc longitudinale reflectate de suprafaa din spate a proiectilului;

- frnarea proiectilului, prin interaciunea cu cmpul de eforturi existente n vecintatea seciunii de fund a craterului.

Pentru stabilirea ecuaiilor de propagare a undelor, vom porni de la condiia de echilibru mecanic a unui element infinitezimal, de form paralelipipedic, dintr-un mediu elastic infinit, aflat n echilibru sub aciunea unui sistem de fore exterioare. n cazul undelor longitudinale (dilataionale), micarea particulelor de material are aceeai direcie cu unda. Dac unda este de compresiune, micarea are acelai sens cu micarea undei; dac unda este de destindere, sensul micrii particulelor este opus sensului de micare a undei [16, 45, 76, 122, 123, 146].

2.3.3. Definirea funciilor de scop n analiza multicriterial, modul n care evolueaz un criteriu de evaluare,

raportat la condiiile concrete de existen a sistemului, este definit printr-o funcie. n cazul sintezei optimale a unui sistem, pentru aceste funcii se stabilesc limite, ecuaia de variaie fiind exprimat, cel mai adesea, sub forma unei inegaliti. Limitele impuse reprezint restricii i transform ecuaia ntr-un obiectiv pentru parametrul respectiv. Forma de reprezentare a restriciei este interpretat ca o funcie de scop deoarece urmrete ca parametrul respectiv s evolueze numai n spaiul soluiilor definite prin ecuaia restricionat [126].

n continuare ne propunem s studiem cazul sintezei optimale a tablei de blindaj [40], pentru stabilirea formei funciilor de scop care urmresc evitarea efectului Hopkins, n urmtoarele ipoteze:

ntlnirea dintre primele trei fronturi de unde (und primar i primele dou reflectate) se produce la o distan d > /2 de faa posterioar a blindajului;

penetratorul nu se sparge, deci la un raport lp > lb nu se va analiza dac prima und reflectat de faa posterioar a blindajului va ntlni prima und reflectat de suprafaa posterioar a penetratorului la o distan d > /2 de aceasta;


28

se vor neglija deformaiile datorit raportului mare (peste 20), ntre viteza de propagare a undei de oc i viteza de deformare a penetratorului i plcii (pentru cazul analizat, al vitezelor mai mici de 600 m/s). n aceste condiii, pentru un sistem de coordonate cu originea pe faa

posterioar a penetratorului i axa ox pe axa geometric a acestuia, se poate scrie condiia de evitare a riscului de apariie a efectului Hopkins, sau funcia de scop pentru sinteza optimal n domeniul cinematic, ca o condiie pentru ca undele s nu se ntlnesc la distana d = /2 de faa posterioar a plcii de blindaj. Ecuaiile (2.47), (2.48) i (2.49) devin:

t > (lb + /2) / ub (2.50) sau: lb > ub t - /2 (2.51) sau: lp > (up t1 + ub t2 - lb + /2) / 2 (2.52)

Al doilea moment semnificativ este:

unda a traversat placa, s-a reflectat de faa posterioar (prima reflexie), se reflect n faa anterioar (a doua reflexie), e reflect din nou n faa posterioar i ntlnete unda reflectat de faa posterioar a penetratorului la distana d = /2 de faa posterioar a blindajului; la limit:

3 lb + /2 = ub t (2.53) 2 lp + lb - /2 = up t1 + ub t2 (2.54) t = t1 + t2 (2.55)

Pentru acest moment definim funcia de scop sub forma: t > (3 lb - /2) / ub (2.56)

sau: lb > ( ub t + /2 ) / 3 (2.57) sau: lp > (up t1 + ub t2 - lb + /2) / 2 (2.58)

Deoarece raportul dintre calibrul i lungimea penetratorului este de 3 ... 10 [195], calibrul minim este de 5 mm iar grosimea blindajului de minim 2 mm, apreciem c nu este necesar s analizm i cazul n care prima und reflectat de faa posterioar a blindajului ntlnete cea de a III-a und reflectat de faa posterioar a penetratorului.

2.3.4. Studiu de caz Pentru cazul practic al utilizrii unui penetrator de calibru mai mare de 5

mm i al unor plci subiri de blindaj omogen, ne propunem trasarea suprafeei soluiilor pentru care se produce efectul Hopkins. Pentru aceasta, vom analiza situaiile prezentate mai sus, cu restriciile stabilite.

Vom considera urmtoarele ipoteze simplificatoare: datorit dimensiunilor cu care vom opera, undele sferice rezultate ca

urmare a impactului pot fi considerate unde plane; nu vom evalua undele transversale;


29

cunoscnd c, la fiecare reflexie a frontului de und apare, n afar de unda principal reflectat, i o und secundar, defazat cu /4, vom neglija cinematica acesteia. A) Pentru primul caz, reprezentat de funciile de scop din relaiile 2.50,

2.51 i 2.52, spaiul parcurs de cele dou fronturi de und (primul n blindaj i cel de al doilea n penetrator), care se ntlnesc la distana /2 de faa posterioar a plcii de blindaj este:

S1 = lb + /2 = ub t (2.47a)

i n penetrator:

S2 = 2 lp + (lb - /2) = up t1 + ub t2 (2.48a)

Din analiza acestui sistem de ecuaii, se poate observa: caracteristicile geometrice se regsesc n parametrii lb = grosimea plcii de

blindaj i lp = lungimea penetratorului; caracteristicile materialelor penetratorului i blindajului se regsesc n

vitezele frontului de und n cele dou medii: up i ub conform relaiei 2.60. B) Pentru cel de al doilea caz, reprezentat de funciile de scop din relaiile

2.53, 2.54 i 2.55, se poate scrie: S1 = lb + /2 = ub t (2.53a)

S2 = 2 lp + (lb - /2) = up t1 + ub t2 (2.54a)

Din relaiile 2.73a i 2.75 se observ c efectul Hopkins poate s apar n orice tabl de blindaj, pn la grosimea maxim de 0,2 m (200 mm), pentru primul caz studiat, dac penetratorul are o lungime mai mic de 0,3 m (300 mm, aproximativ calibrul 85 mm).

Din figurile 2.15 i 2.16 se poate remarca: fenomenul exfolierii suprafeei

posterioare a unei plci de blindaj, la impact, poate apare pentru toat plaja de valori pentru care s-au trasat suprafeele.

2.4. Consideraii asupra direciilor de modernizare a

proteciei prin blindaj Obiectivul prezentului capitol l reprezint stabilirea, cu argumente precise,

a direciei probabile care va fi urmat de cercetrile referitoare la perfecionarea proteciei prin blindaj: modernizare, sau blindaj nou ?

Pentru atingerea acestui obiectiv utilizm o metodologie care permite compararea i/sau nsumarea potenialelor de lupt a unor categorii diferite de tehnic, n particular, a tehnicii blindate. O astfel de metodologie are la baz diverse modele de apreciere, modele care au ajuns uneori la complexiti deosebite, evalund pn la 200 de parametri, pentru o categorie de armament. Odat cu creterea complexitii au crescut i costurile pentru meninerea n actualitate a


30

bazei de date i, inerent, a crescut i numrul parametrilor oarecum subiectivi, parametrii care apreciaz arma n raport cu doctrina rii care o utilizeaz, cu capacitatea de operare a personalului (capaciti fizice, grad de pregtire profesional, capacitate de rezisten la factori de stres etc.) sau cu particularitile de anotimp i relief ale zonei probabile de aciune.

Nu n ultimul rnd, creterea gradului de generalitate al modelului a impus introducerea unor coeficieni care s asigure compatibilitatea unor modele care au drept subiect categorii total diferite de tehnic militar.

Avnd n vedere aceste aspecte, vom prezenta n continuare, doua modele de apreciere a tehnicii blindate elaborate, primul de The Analysis Scientific Institute (SUA), iar al doilea de ctre Academia Tehnic Militar din Bucureti, Catedra de blindate i automobile.

2.4.4. Studiu de caz Deoarece modelul TASCFORM ARMOUR prezint un numr mare de

parametri subiectivi (valorile sunt stabilite de echipe mixte de specialiti), iar modelul elaborat de Academia Tehnic Militar l apreciem ca fiind superior din punct de vedere al preciziei i simplitii, considerm avantajoas utilizarea acestuia pentru studiul proteciei prin blindaj.

Astfel, am ales dou tipuri de tehnic din dotarea armatei noastre i s-a utilizat modelul MET. Am calculat potenialul sistemului de arm WSP, pentru dou tipuri de tehnic. S-au considerat valorile reale ale blindajului echivalent i s-a calculat potenialul sistemului de arm. S-au considerat valorile maxime pentru acelai parametru (grosime blindaj echivalent) i s-a obinut o cretere a WSP de 0,12 % i, respectiv, 0,23 % fr evaluarea consecinelor asupra parametrilor de mobilitate i progresiune.

S-a calculat WSP pentru valorile reale ale blindajului echivalent, dar s-au adugat avertizoare la iluminarea laser pentru ambele tipuri de tehnic. S-a obinut o cretere a WSP de 12,37 % i 14.28 %, cu observaia c avertizoarele la iluminarea laser nu modific parametrii de mobilitate i progresiune.

Se poate remarca faptul c, din punct de vedere al potenialului sistemului de arm, este mai avantajoas modernizarea tehnicii, fr modificarea soluiei de blindaj.

2.5. Concluzii 1. Relaiile experimentale stabilite n urma unui numr relevant de teste

executate cu diverse calibre, la diferite unghiuri de impact i grosimi ale plcii, n condiii variate de timp, anotimp i stare a vremii, utilizeaz coeficieni globali care particularizeaz comportarea unei plci de blindaj prin prisma unei capaciti specifice a acesteia de a absorbi energia cinetic a penetratorului, sub forma unei energii poteniale de deformare, precum i condiiile particulare de experimentare, neprecizate ns, de literatur de specialitate.


31

n ipotezele de lucru stabilite la analiza relaiilor experimentale, s-au definit urmtoarele trei funcii scop pentru nepenetrabilitate:

( ) 22

1 ,, dVmadVmhS =

(2.78)

( ) 3007.03986.1

6993.02 ,, d

VmadVmhS = (2.79)

( ) 0714.14286.1

7143.01 ,, d

VmadVmhS = (2.80)

Ca urmare a celor prezentate, putem aprecia c funciile de scop necesare sintezei optimale la proiectarea unei table de blindaj, funcii determinate ca urmare a analizei relaiilor experimentale, nu pot fi relevante n prima etap de proiectare i deci, nu pot fi folosite ca unic criteriu de evaluare a penetrabilitii unei table de blindaj. Ele pot fi utilizate ns, ca restricii suplimentare, pentru o evaluare global a unei soluii existente.

Dei sunt recomandate de literatura de specialitate, relaiile experimentale de calcul a penetrabilitii analizate nu pot fi folosite pentru proiectarea unui blindaj ca urmare a insuficientei prezentri a condiiilor de experimentare care au dus la stabilirea lor.

2. Investigaiile teoretice asupra efectului Hopkins au demonstrat c

apariia acestuia este puternic influenat de raportul caracteristicilor celor dou materiale, notat de noi k.

S-au stabilit condiiile de evitare a riscului de apariie a efectului Hopkins, sau funciile de scop pentru sinteza optimal n domeniul cinematic, sub forma ecuaiilor 2.51, 2.52, 2.57 i 2.58.

Prin analiza cinematicii frontului de und, s-a demonstrat c efectul Hopkins poate apare la orice grosime a plcii de blindaj i c acesta implic un spectru larg de frecvene, care ns trebuie particularizate la geometria penetratorului, la compoziia chimic i structura materialelor proiectilului i blindajului.

S-a demonstrat c fenomenul Hopkins poate s apar n orice tabl de blindaj, pn la grosimea maxim de 0,2 m (200 mm), pentru prima funcie de scop definit, dac penetratorul are o lungime mai mic de 0,3 m (300 mm, aproximativ calibrul 85 mm).

Cu cea de a doua funcie definit, s-a stabilit condiia de apariie a efectului Hopkins:

lp > 0,04 m (40 mm, aproximativ calibrul 12 mm) Datorit riscului major pe care l implic apariia efectului Hopkins,

evaluarea acestuia se impune ca etap obligatorie n proiectarea unui nou blindaj sau n modernizarea unuia existent. n prezent aceast evaluare se face doar n cazul unor studii independente.


32

3. Cercetrile teoretice privind raportul modernizare / reproiectare pentru blindaje, au apelat la dou modele multicriteriale de evaluare a capabilitii tehnicii blindate. Aceasta a permis formularea unor concluzii relevante privind modelele analizate i rezultatele obinute.

Modelul elaborat n SUA, TASCFORM ARMOUR prezint un numr mare de parametri oarecum subiectivi (valorile sunt stabilite de echipe mixte de specialiti). Aceasta se datoreaz n primul rnd faptului c modelul are un grad mare de generalitate. Materialul publicat care a stat la baza documentrii face parte din categoria informaiilor declasificate i deci, accesibile publicului larg, ceea ce presupune, n mod cert, o oarecare filtrare a elementelor de precizie.

Modelul elaborat de Academia Tehnic Militar Bucureti este superior din punct de vedere al preciziei i simplitii, pstrnd ns restricia domeniului de tehnic blindat limitat, cruia i se adreseaz (tancuri).

n urma analizei a dou tipuri de tehnic, devine evident c sporirea gradului de protecie prin perfecionarea blindajului, prin ctigul obinut pentru potenialul armei, nu se justific pentru orice tip de tehnic blindat.

De asemenea, perfecionarea blindajului este mai eficient pentru autovehicule blindate uoare.

Direcia de perfecionare avantajoas o constituie reproiectarea unui blindaj, sau mai precis, proiectarea de blindaje noi.

Ca urmare a celor prezentate, putem afirma c cercetrile ulterioare vor

aborda acele aspecte care furnizeaz informaii relevante necesare proiectrii de blindaje i de materiale pentru blindaje, i numai n cazuri particulare aspecte care vizeaz modernizarea blindajului tehnicii existente.

Capitolul 3. Modelarea n element finit a fenomenului de impact, cu aplicarea unor condiii experimentale

33

Capitolul 3

Modelarea n element finit a fenomenului de impact, cu aplicarea unor condiii experimentale

3.1. Metoda elementelor finite FEM Finite Element Method, sau MEF Metoda Elementelor Finite a

aprut n cea de a doua parte a secolului al XX-lea, ca urmare a necesitii rezolvrii pe cale numeric a problemelor de modelare a unor fenomene fizice complexe, fenomene descrise prin ecuaii difereniale sau cu derivate pariale a cror soluii sunt greu de stabilit. Gradul mare de generalitate i spectrul larg de aplicabilitate al metodei, au impus-o n lumea tiinific, rspndire i implementare favorizat de dezvoltarea tehnicii de calcul.

Cu aparatul teoretic bine pus la punct, cu suportul reprezentat de tehnica de calcul n continu dezvoltare, o serie de firme de software promoveaz aplicaii care exceleaz pe o ramur sau alta a domeniului abordat. Dintre aplicaiile cel mai des ntlnite putem enumera [38, 179, 181]: ABAQUS, ADAMS, ADINA, ANSYS, AUTODYN, CATIA, COSMOS/M, NASTRAN i PATRAN. n spatele acestor aplicaii stau modele difereniale prelucrate prin calcul variaional sau, prin metoda reziduurilor ponderate.

Dintre avantajele utilizrii metodei elementului finit putem enumera: permite formularea matriceal a algoritmilor, asigurnd suportul matematic

formal necesar automatizrii calculelor; ofer un algoritm de calcul general pentru structurile bi i tridimensionale; permite abordarea unitar a analizei statice i dinamice a structurilor.

Deci, modelarea fizic, cu elemente finite, a structurilor, acoper practic, ntreg domeniul de probleme inginereti ce aparin mecanicii structurilor [70, 118, 151, 1810].

3.2. Analiza aplicaiilor disponibile. Caracteristicile i performanele aplicaiei utilizate Pentru stabilirea aplicaiei pe care o vom utiliza, s-au trecut n revist

cteva din aplicaiile disponibile n ara noastr. Pachetul de programe ANSYS reprezint o aplicaie robust i flexibil,

care permite analize structurale cu capabiliti de a lucra n cmp cuplat (ex. structural termic). Modulul de analiz dinamic MS-Dyna permite analize


34

puternic nelineare, cu modelarea problemelor de contact. Utiliznd metoda de rezolvare explicit, aplicaia nu formeaz matrici de rigiditate, reducnd semnificativ resursele de calcul necesare.

Programele permit controlul erorilor i sunt utilizate cu succes n modelarea problemelor de impact i de deformare adnc. Dispun de 164 de tipuri de elemente, dintre care pentru 46 nu se furnizeaz date n literatura cu acces larg.

Este o aplicaie destul de rspndit mai ales datorit politicii de vnzare, care ofer universitilor faciliti la achiziionarea unor versiuni cu capabiliti de calcul restrnse, ceea ce face ca fotii studeni s o prefere la noul loc de munc.

Aplicaia AUTODYN este una din puinele aplicaii de analiz n domeniul ingineriei care asigur o rezolvare eficient a problemelor din domeniile:

dinamica solidelor, fluidelor i gazelor; deformaii mari n corpuri solide; interaciuni ale fluidelor; explozii, ocuri i distrugeri; probleme de impact i penetrare.

Dintre capabilitile acestui pachet de programe, putem enumera: integrarea preprocesrii, procesrii i postprocesrii; predefinirea geometriei i grafic interactiv pentru realizarea geometriei

corpului de studiat; reproiectare cu preluarea datelor ntre 2D i 3D, n ambele sensuri; procesare de nalt rezoluie, incluznd tehnici de rezonan i eroziune; studiul contactelor dinamice de valori mari, cu modelarea rupturilor

direcionale i a efectelor cumulative. Furnizat de firma britanic Century Dynamics, are un pre ridicat i din

acest motiv, o rspndire limitat. Nu avem date despre instituii din ar care utilizeaz aceast aplicaie.

Aplicaia COSMOS/M permite formularea de ecuaii constitutive de material, de la cele mai simple la cele foarte complexe. Pentru partea geometric utilizeaz primitive care pot fi aproximate modelului real. Aplicaia permite o uoar calibrare a meei de discretizare i are o plaj larg de valori pentru parametrii acesteia. De asemenea, permite o bun modelare a condiiilor la limit (pe contur).

A ptruns n ara noastr, mai ales prin intermediul unor licene oferite gratuit unor instituii de nvmnt superior. Una din instituiile care o folosete cu bune rezultate, este Academia Tehnic Militar Bucureti. Rspndirea este limitat i datorit unui sistem destul de bun de protecie la piratare.

Pentru modelarea fenomenului de impact, cu realizarea unui model ct mai apropiat de posibilitile de experimentare n poligon, am optat pentru aplicaia LSDYNA3D [177, 178] de la Lavrence Livermore National Laboratory.

Aceast aplicaie a aprut n 1976 sub numele de DYNA 3D, din necesitatea analizei eforturilor n structuri complexe, supuse la diverse solicitri, prin impact. nceputurile au fost grevate de implementarea insuficient a metodei elementelor finite, precum i de puterea de calcul sczut a tehnicii din acei ani, folosindu-se iniial doar elemente de tip solid, cu opt noduri.


35

Facilitile privind calculul energetic, reacia unui perete rigid i analiza nelinear a planelor de plasticitate sunt completate cu o foarte bun vectorizare a forelor i, permit realizarea aplicaiei comerciale LS-DYNA, cu versiunea LS-SYNA3D.

Aplicaia este perfecionat succesiv, la intervale de timp de la doi la patru ani, n prezent fiind disponibil versiunea 9.70. Pentru modelarea fenomenului de impact studiat, am ales versiunea 9.60 definitivat n perioada 1998-2000, versiune pentru care am obinut licena n varianta numrului limitat de noduri i elemente.

Cu 133 de tipuri de materiale disponibile (caracteristici de comportament), cu 6 posibiliti predefinite de caracterizare a condiiilor de ncrcare (de tip Euler Lagrange), 16 moduri de definire generic a funciilor n noduri, 19 tipuri caracteristice de definire a gradelor de libertate, 7 tipuri de contact, 40 de modaliti de control a discretizrii i a procesului, 4 tipuri de control a prilor, 10 ci de control a datelor de ieire, 16 tipuri generice de elemente, 14 tipuri de ecuaii de modelare a comportamentului (aplicabile fiecrui material i fiecrui tip de material), cu posibilitatea particularizrii tenacitii i vscozitii, a definirii condiiilor iniiale i a interfeelor, aplicaia acoper, practic, tot spectrul aplicaiilor inginereti.

Un avantaj pe care l-am apreciat la alegerea acestei aplicaii, n afara problemelor de licen, o constituie faptul c preprocesarea, analiza i posprocesarea se por rula independent ceea ce ne-a permis, la simularea impactului, o economie de timp considerabil.

3.3. Stabilirea modelului n modelarea penetratorului i a plcii de blindaj int i n simularea

fenomenelor la impact, ne propunem realizarea urmtoarelor obiective: determinarea deformaiilor remanente ale plcii, n dou variante de

grosime, anume 4mm i 6mm; acestea se vor evalua n planul median, pe cele dou fee ale plcii;

determinarea parametrilor cinematici ai impactului; determinarea cinematicii i valorilor eforturilor totale n corpul plcii

int; analiza comportamentului plcii, din punct de vedere al vibraiilor.

Determinarea deformaiilor remanente ne permite compararea cu valori rezultate n urma verificrii modelului prin experiment. La validarea experimental a modelului va contribui i graficul curbei de acceleraie n punctul de contact, prin compararea acesteia cu date din literatura de specialitate [19, 45, 47, 77].

Odat modelul validat, din analiza cinematicii i valorilor eforturilor, a comportamentului vibraional al plcii int, putem determina elemente de particularitate care s se constituie n restricii pentru proiectarea de noi materiale i n condiii de evaluat pentru constructorii de tehnic.

Problema de impact ne oblig la o analiz n trei dimensiuni a fenomenelor care se produc n punctul de contact i n zonele apropiate acestuia. Conform unor


36

studii verificate experimental [106], s-a demonstrat c la impactul cu un penetrator, zona influenat a plcii, n general, nu depete zece diametre ale penetratorului (10 calibre).

Modelul obinut prin discretizarea cu elemente finite a structurii i stabilirea modului de comportare a materialului, trebuie s corespund urmtoarelor cerine [12, 13, 28, 53] :

s reprezinte cu suficient fidelitate comportarea real a structurii; s permit obinerea cu uurin a rezultatelor exprimate ca valori ale

eforturilor i deplasrilor n seciunile semnificative; s nu necesite un timp exagerat pentru pregtirea datelor i pentru

prelucrarea rezultatelor i, s utilizeze n mod eficient posibilitile tehnicii de calcul.

La stabilirea modelului penetratorului am pornit de la o soluie constructiv real, prezentat n figura 3.1. Dimensiunile sunt cele din figura 3.2, cu meniunea c semiunghiul la vrf are valoarea de 18,70 . De asemenea, la vrful penetratorului raza de racordare a vrfului conului este de 0,5 mm.

Figura 3.1 Penetrator calibrul 7,62 mm

Pentru placa int, dimensiunile stabilite au fost de 150x150 mm, n dou

variante de grosime: 4 mm i 6 mm. Aceasta este considerat simplu rezemat, cu puncte de sprijin punctiforme, n cele patru coluri, pe faa posterioar.

3.4. Algoritm i particulariti de calcul Pentru sistemul penetrator plac int prezentat la punctul anterior s-au

stabilit ipoteze, valori i particulariti de calcul astfel: s-a fcut ipoteza neglijrii acceleraiei gravitaionale, n baza masei mi

cristea re zuma tte zaro

Documents