Способ контроля качества композитных броневых преград и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля качества композитных броневых преград. Способ включает установку броневой преграды перед пластиной из пластичного материала, направление с заданной скоростью поражающего элемента на броневую преграду. Дополнительно регистрируют температурное поле поверхности композитной броневой преграды, имеющей минимальные температурные аномалии, которое принимается за аномальное, определяют пространственное разрешение для регистрации температурного поля, исходя из обнаружения минимальных по размеру температурных аномалий с пространственным периодом, определяемым размерами минимальной температурной аномалии. После воздействия на композитную броневую преграду поражающим элементом с заданной скоростью одновременно измеряют температурное поле в области соприкосновения поражающего элемента с композитной броневой преградой, начиная с момента соприкосновения поражающего элемента с композитной броневой преградой и с противоположной стороны, по отношению к стороне соприкосновения с поражающим элементом, на основании анализа температурного поля, зарегистрированного с двух поверхностей, определяют техническое состояние композитной броневой преграды по вектору характеристик броневой преграды и ее энергию поглощения минимизацией функционала по вектору характеристик контролируемой броневой пластины путем решения системы уравнений и на основании анализа температурного поля определяют энергию поглощения композитной броневой преградой. Раскрыто устройство стендовых испытаний композитных броневых преград. Технический результат - повышение информативности и достоверности результатов испытаний. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Область техники

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

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

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

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

Уровень техники

Появление новых типов эффективных бронебойных боеприпасов стрелкового оружия выдвинуло перед разработчиками легкобронированной и небронированной техники актуальную задачу - повышение ее защищенности, а также защищенности людей, находящихся в ней (Анискович В.А. Научно-технологические аспекты создания комбинированной полимеркерамической брони. - М.: 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 полимеркерамической брони с требуемыми свойствами, в том числе методы математического моделирования и расчета комбинированной брони, новые эффективные бронематериалы, не решена проблема изготовления и ремонта полимеркерамической брони без снижения ее защитных свойств.

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

Так же немаловажен фактор трещиностойкости (характеризуется показателем интенсивности напряжений K_1c) керамического материала, чтобы свести к минимуму разрушение керамики при ударе и, как следствие, повысить ее живучесть, то есть стойкость к множественным попаданиям в единицу площади брони, защищающей соответствующий объект.

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

Создание эффективной керамической брони начинается с рассмотрения механизмов разрушения керамической плитки под нагрузкой и создания конструкции, которая снижала бы напряжения, приводящие к быстрому разрушению керамики. Имеются две основные проблемные области: область сжимающих нагрузок, возникших в керамике под воздействием снаряда на внешней поверхности, и область наибольших растягивающих напряжений на задней поверхности плитки в зоне ее наибольшего изгиба. Оба этих фактора существенно зависят от толщины плитки и типа материала каркаса, в который с тыльной стороны и с боковых поверхностей заключена плитка. Установлено, что перспективным направлением в развитии броневых керамик является создание многослойных конструкций, содержащих внешний материал из монолитной керамики или металлокерамического композита, закрепленный на эластичной подложке. При этом в качестве эластичной подложки для средств индивидуальной защиты целесообразно использовать полимерные композитные материалы, армированные прочными волокнами.

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

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

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

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

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

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

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

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

- установку броневой преграды перед пластиной из пластилина,

- направление с заданной скоростью поражающего элемента на броневую преграду,

- измерение глубины проникновения поражающего элемента в пластилине,

- определение энергии поглощения по формуле:

,

где

m - масса поражающего элемента,

v - скорость поражающего элемента в перед композитной броневой преградой,

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

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

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

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

- 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.

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

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

Сущность изобретения

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

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

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в повышении информативности и достоверности результатов испытаний, например, в определении влияния различных конструкций композитных броневых преград на их энергопоглощающую способность и возможности испытаний без толстой подложки, что приближает условия испытаний к реальным условиям эксплуатации композитных броневых преград.

Технический результат достигается за счет того, что в способе

контроля качества композитной броневых преград на основе анализа их энергии поглощения поражающего элемента, включающем:

установку композитной броневой преграды перед пластиной из пластичного материала,

направление с заданной скоростью поражающего элемента на броневую преграду,

измерение глубины проникновения поражающего элемента в пластичном материале,

определение энергии поглощения по формуле:

5

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,

дополнительно осуществляют следующие действия:

- регистрируют температурное поле T_ан(X,Y) поверхности композитной броневой преграды, имеющей минимальные температурные аномалии ΔX_дmin, которое принимается за аномальное, где - ΔX_дmin, ΔY_дmin - минимальные размеры аномалии по осям координат,

- определяют пространственное разрешение для регистрации температурного поля, исходя из обнаружения минимальных по размеру температурных аномалий с пространственным периодом Δа, определяемым размерами минимальной температурной аномалии:

где ΔX_дmin, ΔY_дmin - геометрические размеры минимальной температурной аномалии,

X, Y - координаты поверхности,

- после воздействия на композитную броневую преграду поражающим элементом с заданной скоростью одновременно измеряют температурное поле в области соприкосновения поражающего элемента с композитной броневой преградой, начиная с момента соприкосновения поражающего элемента с композитной броневой преградой и с противоположной стороны, по отношению к стороне соприкосновения с поражающим элементом,

- на основании анализа температурного поля, зарегистрированного с двух поверхностей определяют техническое состояние композитной броневой преграды по вектору характеристик броневой преграды и ее энергию поглощения минимизацией функционала (F) по вектору характеристик контролируемой броневой пластины путем решения системы уравнений:

t - время регистрации температурного поля поверхности,

- теоретический вектор характеристик контролируемой броневой пластины, заложенный в математическую модель,

- вектор реальных характеристик контролируемой броневой пластины,

(a_ip), i=1…n - характеристики броневой пластины, например, толщины слоев, теплофизические и др., используемые в математическом моделировании,

(а_iэ), i=1…n - реальные характеристики броневой пластины, например, толщины слоев, теплофизические и др.,

i - порядковый номер характеристики,

n - количество характеристик,

T_1p - расчетное (теоретическое) температурное поле на первой поверхности,

Т_1э - реальное (измеренное) температурное поле на первой поверхности,

Т_2р - расчетное (теоретическое) температурное поле на второй поверхности,

Т_2э - реальное (измеренное) температурное поле на первой поверхности,

F_min - минимальное значение функционала,

- на основании анализа температурного поля определяют энергию поглощения композитной броневой преградой.

Технический результат усиливается за счет того, что

- что геометрические размеры минимальной температурной аномалии ΔХ_дmin, ΔY_дmin определяют следующим образом:

измеряют размеры всех температурных аномалий, содержащихся на поверхности, выявленных в результате предварительной регистрации температурного поля: ΔХ_дi, ΔY_дi,

определяют размеры минимальной аномалии Δx_дmin, Δy_дmin, решая систему уравнений:

где δ - вероятность того, что (ΔХ_дi, ΔY_дi)≥(ΔХ_дmin, ΔY_дmin),

p(ΔХ_i) - функция распределения величин ΔX_дi, ΔY_дi,

- оптимальный интервал последовательного измерения температуры τ_изм, на поверхности композитной броневой преграды определяют путем решения уравнения

,

где f(T) - плотность распределения длительности во времени информационного сигнала,

τ - временной интервал измерения,

Р - вероятность пропуска информационного сигнала,

Т₀ - временная разрешающая способность измерительных датчиков,

η - параметр интегрирования,

- температурное поле регистрируют путем тепловизионного обследования поверхности.

Технический результат в части системы обеспечивается тем, что известное устройство дополнительно снабжено

- двумя тепловизионными системами,

компьютерной системой,

устройством регистрации начала полета поражающего элемента,

при этом

- тепловизионные системы расположены с противоположных сторон контролируемого изделия и таким образом, чтобы поля обзора их оптической части охватывало место соприкосновения поражающего элемента и композитной броневой преграды и место предполагаемого выхода поражающего элемента из броневой преграды,

- вход устройства регистрации начала полета поражающего элемента подключен к выходу устройства измерения скорости поражающего элемента на выходе устройства для стрельбы,

- выходы устройства регистрации начала полета поражающего элемента подключены, соответственно, ко входам двух тепловизионных систем,

- а выходы тепловизионных системм подключены к входам компьютерной системы.

Краткое описание фигур чертежей.

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

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

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

фиг. 3 приведена типовая термограмма (распределение температурного поля) на противоположной поверхности в зоне соприкосновения поражающего элемента и поверхности броневой преграды.

На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:

1 - исследуемая композитная броневая преграда,

2 - тепловизионная система,

3 - устройство измерения скорости полета поражающего элемента,

4 - тепловизионная система,

5 - устройство для стрельбы,

6 - устройство регистрации начала полета поражающего элемента,

7 - поле обзора тепловизионной системы,

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

9 - направление движения поражающего элемента,

10 - компьютерная система,

11 - подложка (слой пластилина).

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, ИРТИС-2000 или аналогичные по техническим характеристикам. В проводимых экспериментах в рамках данной заявки использовалась тепловизионная система FLIR 1500.

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

Система стендовых испытаний композитных броневых преград на основе анализа их энергии поглощения поражающего элемента включает устройство 5 для стрельбы, устройство 3 измерения скорости полета поражающего элемента на выходе устройства 5, расположенное между исследуемым изделием 1 и устройством 5 для стрельбы на траектории полета поражающего элемента, тепловизионную систему 2, тепловизионную систему 4, компьютерную систему 10 и устройство 6 регистрации начала полета поражающего элемента.

Тепловизионные системы 2, 4 расположены по разным сторонам исследуемой броневой преграды и таким образом, что бы поле 7 обзора их оптической части охватывало место соприкосновения поражающего элемента и композитной броневой преграды 1. Вход устройства 6 регистрации начала полета поражающего элемента подключен к выходу устройства 3 измерения скорости поражающего элемента на выходе устройства 5 для стрельбы. Выход устройства 6 регистрации начала полета поражающего элемента подключен ко входа тепловизионных систем 2, 4. Выходы тепловизионных систем 4 подключены к входу компьютерной системы 10.

Реализация способа осуществляется следующим образом.

1. Определяют пространственное разрешение тепловизионной системы (4) для регистрации температурного поля, исходя из обнаружения минимальных по размеру температурных аномалий с пространственным периодом Δа, определяемым размерами минимальной температурной аномалии:

где ΔХ_дmin, ΔY_дmin - геометрические размеры минимальной температурной аномалии кожного покрова.

2. Определяют и выставляют в тепловизионной системе 4 оптимальный интервал последовательного измерения температуры τ_изм, на поверхности кожи определяют путем решения уравнения

где f(T) - плотность распределения длительности во времени информационного сигнала,

τ - временной интервал измерения,

Р - вероятность пропуска информационного сигнала,

Т₀- временная разрешающая способность измерительных датчиков,

η - параметр интегрирования,

Определение оптимального интервала регистрации температурного поля необходимо из двух соображений.

С одной стороны необходимо зарегистрировать полную информацию распределения температурного поля по поверхности. С другой стороны желательно не перегружать компьютерную систему обработкой избыточной информации.

3. Тепловизионные системы 2, 4 устанавливают таким образом, чтобы место соприкосновения поражающего элемента и поверхности композитной броневой преграды 8 находилось в пределах поля обзора 7 тепловизионной системы 4, а место противоположное месту соприкосновения поражающего элемента и поверхности композитной броневой преграды 8 находилось в пределах поля обзора 7 тепловизионной системы 2. При этом, величина пространственного разрешения соответствовала п. 1. Величина поля обзора 7 определяется перед началом контроля исходя из теплофизических свойств контролируемого материала и выполнения условий п. 1.

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

5. В момент прохождения поражающего элемента через устройство 6 регистрации начала полета поражающего элемента (данное устройство располагается максимально близко к устройству 5) с выхода устройства 6 (с выхода одного из оптико-электронных датчиков) поступает сигнал на входы тепловизионных систем 2, 4. В момент поступления сигнала тепловизионные система начинает регистрировать температурное поле поверхности объекта 1 противоположных сторон с определенным оптимальным для данного объекта контроля периодом. Видеоизображения температурных полей с тепловизионных систем 2, 4 в различные моменты времени поступают в компьютерную систему 10, где происходит их накопление, хранение и обработка по заложенным алгоритмам.

На фиг. 2 и фиг. 3 приведены, в качестве примера, термограммы (распределение температуры в области поля обзора 7) на противоположных сторонах броневой преграды.

6. По истечении заданного времени регистрация температурного поля тепловизионными системами 2, 4 прекращается и начинается процесс обработки и анализа полученных результатов по заложенным программам компьютерной системой.

На основании анализа температурного поля, зарегистрированного с двух поверхностей определяют техническое состояние композитной броневой преграды и ее энергию поглощения путем минимизации функционала по вектору характеристик контролируемой броневой пластины:

t - время регистрации температурного поля поверхности,

- теоретический вектор характеристик контролируемой броневой пластины, заложенный в математическую модель,

- вектор реальных характеристик контролируемой броневой пластины,

(a_jP), i=1…n - характеристики броневой пластины, например, толщины слоев, теплофизические и др., используемые в математическом моделировании,

(a_iэ), i=1…n - реальные характеристики броневой пластины, например, толщины слоев, теплофизические и др.,

i - порядковый номер характеристики,

n - количество характеристик,

T_1p - расчетное (теоретическое) температурное поле на первой поверхности,

T_1э - реальное (измеренное) температурное поле на первой поверхности,

Т_2р - расчетное (теоретическое) температурное поле на второй поверхности,

Т_2э - реальное (измеренное) температурное поле на первой поверхности,

F_min - минимальное значение функционала.

Зависимости , - распределение температурного поля на поверхностях контролируемого изделия - рассчитываются с помощью известных математических моделей с заданным внутренним источником энергии, например, Барынин В.А., Будадин О.Н., Кульков А.А. Современные технологии неразрушающего контроля конструкций из полимерных композиционных материалов. - М: Издательский дом Спектр, 2013, 242 с. с илл.

Минимизация функционала F заключается в определении таких значений вектора , при котором разность между рассчитанными распределениями температурного поля и экспериментальными, измеренными тепловизионными системами, будет минимальной. На практике, минимизация функционала осуществляется различными способами в зависимости от начальных данных и степени сходимости: методом простого перебора, методом Ньютона, методом градиентного спуска и т.п.

Минимизация осуществляется по элементам вектора характеристик контролируемой броневой пластины. В результате обработки результатов определяются те оптимальные характеристики композитной конструкции, которые оказывают наибольшее влияние на взаимодействие с поражающим элементом.

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

С термодинамической точки зрения процессы взаимодействия поражающего элемента (ПЭ) с броневыми преградами в силу их быстротечности могут рассматриваться как адиабатические, когда теплопередачей можно пренебречь, и вся энергия, отнятая преградой от ПЭ, переходит во внутреннюю энергию материала преграды и может быть выражена соотношением:

Здесь ΔQ и - соответственно тепловыделение и изменение температурного поля в зоне контакта ПЭ с преградой, вызванное их взаимодействием, ρ и С(T) - соответственно плотность и удельная теплоемкость материала преграды, радиус-вектор, V - область броневой преграды, в которой происходит поглощение кинетической энергии ПЭ.

Для случая относительно тонкой преграды, когда температурное поле может быть принято постоянным по ее толщине, выражение (1) принимает вид

где h - толщина преграды, Ω - область зоны взаимодействия на поверхности преграды.

Таким образом, если плотность и удельная теплоемкость материала преграды известны, то для тонких преград поглощенная ими кинетическая энергия может быть оценена, если известно температурное поле на поверхности преграды.

Это позволяет использовать для исследования энергопоглощающих свойств материалов тепловой контроль, основанный на регистрации и анализе температурных полей с использованием тепловизора. Поскольку тепловизор обладает ограниченной разрешающей способностью, измеренное им температурное поле является дискретным, температура принимается постоянной в пределах элемента, площадь (Δа)² (или ΔS) которого определяется геометрической разрешающей способностью тепловизора Δа. Все поле обзора (зрения) тепловизора, таким образом, разбивается на конечное число элементов указанного выше размера.

Для дискретного случая выражение (2) запишется в виде

где Т_ij - температура элемента с номером ij, ΔТ_ij - ее приращение после соударения ПЭ с преградой. Измерение температурного поля производится с определенным интервалом по времени (интервал опроса), определяемым возможностями тепловизора, т.е. картина теплового поля может быть получено как непосредственно после удара ПЭ по преграде, так и в конце интервала опроса. Это накладывает определенные ограничения на теплопроводность исследуемых материалов с учетом возможных больших градиентов температур в зоне удара. Очевидно, что температура преграды будет оценена тем точнее, чем меньше эти интервалы. В то же время, энергия, поглощенная преградой, будет в меньшей степени зависеть от величины интервала опроса, поскольку все тепло, выделившееся в результате взаимодействия ПЭ с преградой, останется в преграде, если пренебречь теплообменом между преградой и воздухом за время, равное интервалу опроса.

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

При проведении экспериментальных исследований броневая преграда обстреливалась поражающими элементами. Измерение тепловых полей производилось тепловизором марки FLIR. Для визуализации картины распределения тепла, выделившегося за счет поглощения кинетической энергии ПЭ, и расчета суммарной поглощенной энергии по формуле (3), было доработано и оттестировано программное обеспечение тепловизора.

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

На фиг. 2 и фиг. 3 в одинаковых масштабах приведены характерные термограммы, иллюстрирующие распределение температуры по поверхности исследуемого броневого пакета на различных поверхностях.

Как видно из предварительно обработанных для повышения информативности изображения термограмм, приведенных на фиг. 2 и фиг. 3, тепловизор позволяет получить наглядные картины температурных полей броневой преграды в окрестности места ее столкновения с ПЭ на противоположных поверхностях.

В качестве примера численных исследований, ниже приведены характеристики броневой преграды, полученные в соответствии с предлагаемым способом.

Исследовались несколько типов броневых тканей. Характеристики материалов и скорость поражающего для некоторых экспериментов приведены в таблице.

Здесь:

V_уд. (м/с) - скорость поражающего элемента,

t, °C - температура поверхности при соприкосновении с поражающим элементом.

Исследовалась энергопоглощающая способность слоев ткани в зависимости от типа материала, количества слоев, исследовалось и определялось расположение слоев для обеспечения максимального энергопоглощения и т.п.

Вектор включал в себя количество слоев, порядок их взаимного расположения, характеристики слоев.

По результатам данных исследований определен порядок оптимального расположения слоев и их количество для обеспечения максимального поглощения энергии поражающего элемента.

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

Рассмотренный в данной работе метод представляется перспективным для исследования процессов взаимодействия ПЭ с броневыми структурами из полимерных материалов, его использование позволит эффективно производить отбор материалов для броневых структур с целью повышения их защитные свойства.

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

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

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

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

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

5. Повышается производительность исследований (ориентировочно, в 3-5 раз) за счет исключения операций составления тарировочных кривых, которые необходимо проводить при каждой смене подложки, изменения температуры окружающей среды.

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

установку броневой преграды перед пластиной из пластичного материала,

направление с заданной скоростью поражающего элемента на броневую преграду, отличающийся тем, что дополнительно:

- регистрируют температурное поле Т_ан(x, y) поверхности композитной броневой преграды, имеющей минимальные температурные аномалии Δx_дmin, которое принимается за аномальное, где Δx_дmin, Δy_дmin - минимальные размеры аномалии по осям координат,

- определяют пространственное разрешение для регистрации температурного поля, исходя из обнаружения минимальных по размеру температурных аномалий с пространственным периодом Δа, определяемым размерами минимальной температурной аномалии:

где Δx_дmin, Δy_дmin - геометрические размеры минимальной температурной аномалии,

- после воздействия на композитную броневую преграду поражающим элементом с заданной скоростью одновременно измеряют температурное поле в области соприкосновения поражающего элемента с композитной броневой преградой, начиная с момента соприкосновения поражающего элемента с композитной броневой преградой и с противоположной стороны, по отношению к стороне соприкосновения с поражающим элементом,

- на основании анализа температурного поля, зарегистрированного с двух поверхностей, определяют техническое состояние композитной броневой преграды по вектору характеристик броневой преграды и ее энергию поглощения минимизацией функционала по вектору характеристик контролируемой броневой пластины путем решения системы уравнений:

где - x, y - координаты поверхности регистрации температурного поля,

t - время регистрации температурного поля поверхности,

- теоретический вектор характеристик контролируемой броневой пластины, заложенный в математическую модель,

- вектор реальных характеристик контролируемой броневой пластины,

(a_1p, a_2p,…a_np) - различные характеристики броневой пластины, используемые в математическом моделировании,

(a_1э, а_2э,…a_nэ) - реальные характеристики броневой пластины,

T_1p - температурное поле первой поверхности расчетное,

Т_1э - температурное поле первой поверхности, полученное экспериментально,

T_2p - температурное поле второй поверхности расчетное,

Т_2э - температурное поле второй поверхности, полученное экспериментально,

- на основании анализа температурного поля определяют энергию поглощения композитной броневой преградой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что геометрические размеры минимальной температурной аномалии Δx_дmin, Δy_дmin определяют следующим образом:

измеряют размеры всех температурных аномалий, содержащихся на поверхности, выявленных в результате предварительной регистрации температурного поля: Δx_дi, Δy_дi,

определяют размеры минимальной аномалии Δx_дmin, Δy_дmin, решая систему уравнений:

где δ - вероятность того, что (Δx_дi, Δy_дi)≥(Δx_дmin, Δy_дmin),

p(ΔX_i) - функция распределения величин Δx_дi, Δy_дi.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что оптимальный интервал последовательного измерения температуры τ_изм на поверхности композитной броневой преграды определяют путем решения уравнения

где f(T) - плотность распределения длительности во времени информационного сигнала,

τ - временной интервал измерения,

Р - вероятность пропуска информационного сигнала,

T₀ - временная разрешающая способность измерительных датчиков,

η - параметр интегрирования.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что температурное поле регистрируют путем тепловизионного обследования поверхности.

5. Устройство стендовых испытаний композитных броневых преград на основе анализа их энергии поглощения поражающего элемента, включающее:

- подложку из пластичного материала, размещенную за композитной броневой преградой,

- устройство для стрельбы, расположенное между подложкой и устройством для стрельбы на траектории полета поражающего элемента,

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

отличающееся тем, что снабжено

- двумя тепловизионными системами,

компьютерной системой и

устройством регистрации начала полета поражающего элемента,

при этом

- тепловизионные системы расположены с противоположных сторон композитной броневой преграды таким образом, чтобы поля обзора их оптической части охватывали место соприкосновения поражающего элемента и композитной броневой преграды и место предполагаемого выхода поражающего элемента из композитной броневой преграды,

- вход устройства регистрации начала полета поражающего элемента подключен к выходу устройства измерения скорости поражающего элемента,

- выходы устройства регистрации начала полета поражающего элемента подключены, соответственно, ко входам двух тепловизионных систем,

- а выходы тепловизионных систем подключены к входам компьютерной системы.