Анализ условий функционирования бронебойных пуль при встрече и проникновении в преграду и разработка моделей прочности сердечников

Анализ условий функционирования бронебойных пуль при встрече и проникновении в преграду и разработка моделей прочности сердечников

Содержание Введение

1. Постановка задачи исследования

1.1 Назначение и характеристики бронебойных пуль патронов стрелкового оружия

1.2 Классификация бронебойных сердечников пуль по эксплуатационным требованиям

1.3 Эксплуатационные требования предъявляемые к сердечникам бронебойных пуль

1.4 Обзор научно-технической литературы по анализу условий функционирования бронебойных пуль

1.4.1 Поведение материалов при динамическом нагружении

1.4.2 Расчет контактного взаимодействия сердечника со средой

1.4.3 Расчет углового взаимодействия жесткого сердечника со средой

1.5 Патентный поиск по конструкциям и способам изготовления бронебойных пуль

1.5.1 Сердечник пули патрона стрелкового оружия. Регистрационный номер заявки: 5 039 767/23

1.5.2 Бронебойная пуля. Регистрационный номер заявки: 98 110 841/02

1.5.3 Пуля для патронов стрелкового оружия. Регистрационный номер заявки: 93 031 582/08

1.6 Анализ применяемой технологии изготовления бронебойных сердечников Выводы и задачи исследования

2. Анализ условий функционирования бронебойных сердечников пуль при пробивании преграды

2.1 Постановка задачи

2.2 Кинематика движения пули в момент подлета к преграде

2.3 Кинематика движения пули и сердечника при внедрении в преграду

2.3.1 Характерные стадии процесса

2.3.2 Методика моделирования

2.3.3 Пробивание преграды низкой прочности при большой относительной толщине преграды

2.3.4 Пробивание преграды низкой прочности при средней относительной толщине преграды

2.3.5 Пробивание преграды низкой прочности при малой относительной толщине преграды

2.4 Анализ силовых условий нагружения Выводы

3. Разработка модели прочности бронебойных сердечников пуль для околозвуковых скоростей встречи с преградой

3.1 Статистический анализ характера разрушения сердечников по результатам экспериментальных испытаний

3.1.1 Постановка задачи

3.1.2 Методика статистического анализа

3.1.3 Анализ результатов

3.2 Критерии отказов сердечников при функционировании

3.3 Модели прочности сердечников

3.4 Разработка конструктивно-технологических требований, предъявляемых к бронебойным сердечникам Заключение Литература Приложение

Введение

При системном подходе для полной характеристики бронебойных сердечников пуль как объектов конструирования, изготовления и эксплуатации следует соответственно учитывать их конструктивные, технологические и эксплуатационные свойства. Наиболее важными эксплуатационными свойствами стрелкового оружия являются показатели назначения и надежности.

Назначение патронов с бронебойными пулями состоит в поражении живых и неживых, защищенных, бронированных целей.

Требование обеспечения высокой надежности патронов этого вида, пуль и соответственно сердечников характеризует высокую степень сложности технологических требований, предъявляемых к этому виду патронов, пуль и сердечников, и технологии их изготовления. Поэтому технологические свойства бронебойных патронов, пуль и сердечников неразрывно связаны с эксплуатационными и обеспечивают надежность боеприпаса.

Технологические свойства бронебойных пуль и сердечников должны исключать возможность появления отказов при встрече пули и сердечников с преградой.

Критерии отказов обусловлены многими причинами, в том числе конструктивными, технологическими, воздействием внешних факторов.

С технической точки зрения, оптимизация конструкции пули и сердечника заключается в нахождении конструктивных и технологических решений, обеспечивающих при имеющихся производственных возможностях наивыгоднейшие для заданных условий эксплуатации сочетание их показателей работоспособности.

Анализ научно технической литературы показал, что основное внимание исследователи обращают на поведение бронеприграды и ее разрушения при внедрении безусловно жесткого и прочного ударника, сердечника. При этом как-правило не рассматриваются нарушения бронепробиваемости по причине разрушения самого сердечника. Практика полигонных испытаний свидетельствует о значительной доле отказов бронебойных пуль по этой причине.

Целью данного исследования является анализ условий функционирования бронебойных пуль при встрече и проникновении в преграду и разработка моделей прочности сердечников.

1. Постановка задачи исследования

1.1 Назначение и характеристики бронебойных пуль патронов стрелкового оружия Для пробития металлической брони применяют бронебойные пули, которые являются разновидностью специальных. Особенности бронепробивного действия определяются специфическими свойствами брони, а так же конструкцией, массой и скоростью пули, формой, массой и твердостью бронебойного сердечника.

Применяемые для стрельбы по бронированным целям бронебойные пули имеют специальные бронебойные сердечники, обладающие высокой прочностью и твердостью и способные пробивать такие прочные преграды, как броня, бетон и др., чем и объясняется название этих пуль. Конструктивно бронебойные пули можно подразделить на двухэлементные и трехэлементные, с оболочечным и полуоболочечным оформлением (Рис. 1.1). Нередко при изготовлении двухэлементных пуль (двухслойных) бронебойных пуль для оболочек используют пластичные материалы: медь, томпак, мельхиор. Такая мера необходима для обеспечения надежного врезания и ведения пули по нарезам канала ствола и поддержания его высокой живучести. Однако указанные материалы дороги, и поэтому двухэлементные пули не получили широкого применения. Кроме того, отсутствие податливой рубашки под оболочкой повышает износ канала ствола.

В конструкции трехэлементных пуль между оболочкой и сердечником предусмотрена пластичная рубашка из свинца или другого податливого материала, которая облегчает врезание пули в нарезы и обеспечивает высокую живучесть канала ствола. Поэтому к материалу оболочки предъявляют менее жесткие требования и в практике отечественного производства для оболочек бронебойных пуль применяют те же материалы, что и для обыкновенных, — биметалл-3 и сталь 11КП.

Для изготовления бронебойных сердечников используют различные марки высококачественной инструментальной углеродистой и легированной стали У10А, У12А, 12ХА, 70С2ХА, а также металлокерамические твердые сплавы на основе карбида вольфрама типа ВК-8 и ВК-15.

Рис. 1.1 Бронебойные пули: а, б — оболочечные; вполуоболочечные

1- сердечник; 2 — оболочка; 3 — зажигательный состав; 4 — свинцовая

рубашка В табл. 1.1 приведены в качестве примера внешний вид боевых патронов с бронебойными пулями производства Барнаульского патронного завода, характеристики патронов, применяемого оружия, а так же поражаемых бронеплит.

Таблица 1.1 Характеристики боевых патронов

1.2 Классификация бронебойных пуль и сердечников по эксплуатационным свойствам Любой исследуемый объект, в процессе своей жизнедеятельности, на всех ее этапах обладает множеством свойств, которые проявляются при его взаимодействии с окружающей средой.

Для полной характеристики объекта, его свойств целесообразно использовать системный подход.

В процессе эксплуатации объект — бронебойный сердечник в результате взаимодействия с объектами внешней среды — оружием, боеприпасом (пулей), целью, стрелком, образует несколько подсистем (рис. 1.2).

Рис. 1.2 Схема системных связей объекта — бронебойного сердечника Они тесно связаны между собой и находятся в постоянном взаимодействии. Характер их взаимодействия (как в отдельности, так и в целом) определяет основные эксплуатационные свойства бронебойного сердечника. К группе основных эксплуатационных свойств, с точки зрения функционирования объекта относятся:

· Назначение бронебойного сердечника, определяющее основные функции, для выполнения которых он предназначен и обуславливающее область его применения;

· надежность, характеризующая свойства безотказности действия бронебойного сердечника по цели (броне).

При построении классификации в качестве основных признаков подсистемы «оружие — боеприпас (пуля) — цель — бронебойный сердечник» приняты признаки:

· оружия — его целевое назначение, мощность по величине дульной энергии, калибр, длина ствола;

· цели — вид поражаемой цели, степень ее защищенности;

· боеприпаса (пули) — ее целевое назначение, вид (способ) действия, особенности конструкции.

Бронебойного сердечника — область его применения, особенности конструкции, материала, из которого изготовлен сердечник.

По мощности (величине дульной энергии) целесообразно выделить две группы бронебойных пуль и сердечников: со средней (2000…5000 Дж) и большой (>5000 Дж) дульной энергией. Учитывая, что дульная энергия зависит не только от величины заряда, но и от длины ствола и калибра оружия, следует различать бронебойные пули сердечники к короткоствольному (КСТ) и длинноствольному (ДСТ) оружию малого (МК), среднего (СК) и больших калибров (БК).

Так как сердечники являются элементами пуль, то целесообразно классифицировать их по виду оружия.

По виду оружия различают бронебойные пули и сердечники для стрельбы из пистолетов (П) и пистолетов — пулеметов, автоматических винтовок (А), пулеметов (П), винтовок (В), крупнокалиберных снайперских винтовок (СВ) и пулеметов (ПЛ).

При построении классификации следует также учитывать конструкцию пуль. Различают бронебойные сердечники к оболочечным (О), полуоболочечным (ПО) пулям (рис. 1.3). По способу действия различают сердечники к пулям бронебойного, бронебойно — зажигательного, бронебойно — зажигательно — трассирующего действия (рис.3).

а) б) Рис. 1.3 Бронебойные пули, а — бронебойно — зажигательная полуоболочечная пуля с цельно-точеным сердечником, б — бронебойно-зажигательно-трассирующая пуля (БЗТМ) 1 — оболочка, 2 — зажигательный состав, 3 — свинцовая рубашка, 4 — сердечник, 5 — пиростакан Указанные классификационные признаки в рассматриваемой системе оказывают влияние на величину начальной скорости, на поведение пули при подлете к преграде (броне), а следовательно и на пробивную способность сердечника.

По виду поражаемого объекта и степени его защищенности можно выделить бронебойные пули и сердечники для поражения живых (ЖБЦ) и неживых (НЖБЦ) бронированных целей. Следует также учитывать материал, из которого изготовлена броня. Различают броню, изготовленную из металлических материалов (Ме): стали, алюминиевых сплавов; из неметаллических материалов (НеМе): пластмассы и.т.д. По конструкции различают броню гомогенную (ГГБ) — однородную броню, имеющую по толщине одинаковый химический состав и одинаковые механические свойства (рис. 1.4), и гетерогенную (рис. 1.5) с неоднородными по сечению свойствами, что достигается за счёт создания по толщине плиты разного химического состава.

Рис. 1.4 Структура гомогенной брони — волокнистый излом Рис. 1.5 Структура гетерогенной брони: слева — твёрдый закалённый слой, справа — мягкий вязкий слой Гомогенную броню различают по степени твердости: низкой (НТ), средней (СТ) и высокой (ВТ) твердости. Броню из неметаллических материалов целесообразно классифицировать по степени вязкости: низкой (НВ), средней (СВ) и высокой (ВВ) вязкости.

Тип брони, материал из которого изготовлена броня, характеристики твердости, прочности, вязкости непосредственно влияют на пробивную способность сердечника.

Существенную роль при пробитии бронезащиты играют размеры и конструкция, масса, характеристики материалов бронебойных сердечников.

По конструкции различают сердечники малого (М), среднего © и большого (Б) диаметра; по высоте различают низкие (Н), средней высоты (СВ), высокие (В) бронебойные сердечники. По массе различают сердечники малой массы (ММ), средней массы (СМ), большой массы (БМ).

Существенное влияние ни пробивную способность оказывают конфигурация и размеры головной части сердечника. Обычно головная часть сердечника образуется радиусом, иногда вершину заостряют в виде конуса или наоборот, притупляют с образованием боковой грани (рис. 1.6). Различают сердечники с радиусной головной частью (РГЧ), конической головной частью (КГЧ), двух радиусной головной частью (РКГЧ), а так же плоской головной частью (ПГЧ)

а б в г Рис 1.6 Форма головной части бронебойных сердечников, а — с радиусной головной частью, б — с конической головной частью, в — с двухрадиусной головной частью, г — с плоской головной частью.

Важнейшим классификационным признаком является материал сердечников. Для изготовления бронебойных сердечников используют различные сорта высококачественной инструментальной углеродистой и легированной стали (СТ), металлокерамические твердые сплавы (МК), сплавы из цветных металлов (ЦМ), например алюминия. К этим материалам предъявляют требования высокой твердости в готовом изделии, достаточной вязкости, большой плотности. Наилучшие условия для сохранения прочности сердечника при пробитии брони создаются при высокой твердости головной части с постепенным снижением ее по длине в направлении к хвостовой части сердечника. В соответствии с этим, различают сердечники низкой (Н), средней ©, высокой (В) прочности.

Приведенная структура (рис. 1.8) является классификацией открытого типа и может расширяться за счет введения дополнительных классификационных признаков, например в пункт классификации — конструктивное исполнение боеприпаса, можно ввести дополнительный критерий — по способу расположения зажигательного состава (рис. 1.7), а может и сокращаться при исключении некоторых из вышеописанных.

Рис. 1.7 Бронебойно — зажигательные пули с расположением состава впереди (а) и за бронебойным сердечником (б)

1 — оболочка, 2 — бронебойный сердечник, 3 — рубашка, 4 — пиростакан, 5 — зажигательный состав Рис. 1.8 Классификация бронебойных пуль и сердечников к патронам стрелкового оружия

1.3 Эксплуатационные требования предъявляемые к сердечникам бронебойных пуль При назначении эксплуатационных требований, целесообразно рассмотреть различные этапы, потому как на каждом из них сердечник ведёт себя по-разному. В процессе функционирования сердечника можно выделить три характерных этапа:

1) движение пули внутри канала ствола;

2) движение пули по траектории;

3) действие по преграде и за ней.

1) На первом этапе можно столкнуться с возможностью поперечного разрыва оболочки пули при движении её в канале ствола. Сердечник с головной частью оболочки вылетает отдельно, а корпус пули остаётся в стволе. Оружие выходит из строя. Разрыв оболочки является результатом, прежде всего осевого смещения элементов под действием давления пороховых газов через отверстие в хвостовой части при врезании пули в нарезы канала ствола.

Основное влияние на возможное смещение сердечника, оказывают размеры отверстия хвостовой части, интенсивность нарастания и величина максимального давления пороховых газов, плотность монтажа элементов пули и надёжность их закрепления, усилие врезания пули в нарезы канала ствола.

Применительно к конструкции сердечника, наличие шероховатой поверхности (fтр>0,18), снижает вероятность его смещения.

2) Второй этап влияет на рассеивание пуль. Неблагоприятные условия для кучной стрельбы создаются при усложнении конструкции пуль и увеличении количества внутренних элементов. Особо следует обратить внимание на наличие разностенности у оболочек, пиростаканов, свинцовых рубашек, которая определяет эксцентриситет положения центра масс относительно геометрической оси. Перераспределение масс элементов и наличие эксцентриситета являются причиной возникновения и действие радиальной силы, увеличивающей радиус прецессии и приводящей к ухудшению кучности.

Биение вершины пули может изменить угол нутации и существенно дестабилизировать пулю.

Особого внимания требует вопрос о взаимовлиянии допусков на линейные диаметральные размеры и комплексное воздействие на динамичность пули и её стабилизации.

Чтобы устранить выше указанные неблагоприятные моменты необходимо ввести требования на прочность и плотность монтажа, введения желаемых допусков на размеры и форму сердечника.

Пули с большей поперечной нагрузкой имеют лучшую кучность.

3) На третьем этапе бронебойная пуля специального действия (оснащенная бронебойным сердечником) обеспечивает поражение защищённого противника и его техники.

Особенности бронепробивного действия определяются специфическими свойствами брони, а также конструкцией, массой и скоростью пули, формой, массой и твёрдостью бронебойного сердечника.

К материалам сердечника предъявляются следующие требования:

— высокая твёрдость в готовом изделии;

— достаточная вязкость;

— большая плотность.

Бронебойные сердечники изготавливают из высококачественной инструментальной углеродистой и легированной стали с обеспечением твёрдости 64…67 HRC, либо для повышения бронепробиваемости из металлокерамических твердых сплавов 87−90 HRC. Необходимо избегать появления остаточных напряжений в готовых сердечниках, так как это может привести к преждевременному разрушению сердечника.

Основным ограничением к широкому применению сердечников из металлокерамики является их высокая стоимость.

Повышение активной массы сердечника возможно за счёт расположения за сердечником свинцового балласта или применения полуоболочечных пуль с выступающим сердечником.

Конструктивно бронебойные пули простого действия выполняются с учётом определённых весовых и размерных соотношений. Относительный вес сердечника принят для существующих образцов qc/qп = 0,55…0,60, относительный диаметр сердечника dc/dп=0,15…0,85. Большие значения этих соотношений соответствуют крупным стрелковым калибрам. Бронепробивное действие наиболее эффективно в сочетании с зажигательным или трассирующим действиями комбинированных пуль. Поэтому, например, для бронебойно-зажигательных пуль со стальным сердечником qc/qп = 0,60…0,65, с металлокерамическим qc/qп = 0,75…0,85 при одинаковом, как и для бронебойных пуль простого действия, соотношении диаметров сердечника и пули.

Размеры и конфигурация головной части бронебойных сердечников играют существенную роль при пробитии бронезащиты. Обычно головная часть сердечника образуется радиусом Rc=2,0…3,0dc, при более острой головной части существует риск скола вершины сердечника, что помешает пробитию преграды. Чтобы избежать рикошетирования, вершину сердечника заостряют в виде конуса или, наоборот, притупляют с образованием боковой грани (рис. 1.6). Ввиду огромных ударных нагрузок необходимо избегать наличия резких переходов, граней и поднутрений на сердечниках, в противном случае вероятно их разрушение при встрече с преградой.

Длина сердечника под ведущей частью пули h=2,0…2,3dc и имеет небольшую конусность с сужением к хвостовой части, что облегчает бронепробитие.

Геометрические характеристики эксплуатационных свойств:

· диаметр сердечника dс=(0.8…0.85)d;

· длина сердечника под ведущей частью пули h=2,0…2,3dc;

· головная часть сердечника образуется радиусом Rc=2,0…3,0dc;

· относительный диаметр сердечника dc/dп=0,15…0,85;

· допуска на размеры;

· шероховатость (fтр>0,18);

· заострение вершины в виде конуса или, притупление с образованием боковой грани;

· исключение резких переходов, граней и поднутрений;

· введение небольшой конусности с сужением к хвостовой части;

Физические характеристики эксплуатационных свойств:

· высокая твёрдость в готовом изделии (HRC 64.67, HRC 87…90);

· достаточная вязкость (1кгс*м/см2);

· относительно высокая плотность (7800кг/м3, 14 700 кг/м3).

Механические характеристики эксплуатационных свойств:

· обеспечение высокой твёрдости головной части с постепенным снижением её по длине в направлении к хвостовой части;

· обеспечение высокого предела упругости в цилиндрической части;

1.4 Обзор научно-технической литературы Процесс внедрения жесткого индентора в пластическую плиту и ее пробивание при динамическом нагружении, имеющий весьма важное значение, исследуют длительное время с целью выявления закономерностей и разработки методики расчета его параметров. В большинстве работ исследуется процесс внедрения сердечника по нормали к поверхности плиты. Общий случай процесса внедрения и пробивания (т.е. внедрения и пробивание под разными углами «встречи») изучен недостаточно. Отсутствие исследовательских работ можно объяснить исключительной сложностью рассматриваемого явления.

Соударение двух тел сопровождается разнообразными процессами, возникновение и относительная роль которых зависят почти исключительно от формы и физических характеристик объектов, а также, что более существенно, от скорости соударения.

Удар отличается от статического или быстрого нагружения тем, что силы, действующие на точку контакта, прикладываются и удаляются в очень короткий промежуток времени, в результате чего возникают волны напряжения, которые затем распространяются на всю систему.

В случаях, когда за время взаимодействия упругие волны успевают многократно пробегать в прямом и обратном направлениях, усредненная картина напряженного состояния может быть удовлетворительно описана исходя из уравнений равновесия с подстановкой в них динамических характеристик материалов. Такой метод решения динамических задач обычно называют квазистатическим.

1.4.1 Поведение материалов при динамическом нагружении Экспериментально установлено, что повышение скорости деформирования (скорости нагружения) приводит к увеличению предела текучести материалов как при растяжении, так и при сжатии. Для простоты сравнения значений динамического предела текучести со статическим введен безразмерный коэффициент (коэффициент динамичности), представляющий отношение .

Эксплуатационные свойства материалов, применяемых в современной технике, зависят от запаса прочности. Сопротивление металлов пластическому деформированию определяется их характеристиками прочности и пластичности в зависимости от скорости деформации.

Если импульсное нагружение реализуется ударом стержня о металлическую преграду, то характеристики прочности материалов при их динамическом нагружении также изменяют свою величину. Экспериментально установлено, что эти изменения существенны при скоростях соударения до 300 м/с. При дальнейшем увеличении скорости соударения динамические характеристики прочности и твердости изменяются не значительно.

Для стальных преград и артиллерийских скоростей удара динамический предел текучести (в МПа) и динамическую твердость (в кгс/мм2) можно определить по зависимостям:

;(1.1)

при HB>220 кгс/мм2;(1.2)

В диапазоне скоростей 100−1000 м/с динамическую твердость материалов можно с считать постоянной с ошибкой менее 5% или определять в виде, где v — скорость ударника; vСТ=10−5 м/с — скорость нагружения при статических испытаниях на твердость; HB — твердость материала по Бринеллю.

1.4.2 Расчет контактного взаимодействия сердечника со средой В результате удара по броне инициируется ударная волна, которая выходит на тыльную поверхность бронеплиты и отражается в виде волны разряжения, способной образовать в материале откольную трещину, и при достаточной интенсивности вызвать тыльный откол — отделение части металла с тыльной стороны бронеплиты. Одновременно, но существенно с меньшей скоростью идет процесс внедрения сердечника в броню. В зависимости от величины напряжений на поверхности контакта сердечник-броня и свойств соударяющихся материалов он характеризуется или взаимным разрушением сердечника и брони, или только брони. Контактные напряжения, в силу падения скорости сердечника по мере его внедрении, уменьшаются, поэтому в определенный момент станут меньше необходимых для разрушения сердечника. С этого момента начинается следующий этап внедрения сердечника в преграду без разрушения последнего. Наконец, на любом из рассмотренных этапов возможна ситуация, когда сила давления сердечника на дно кратера окажется больше сопротивления материала срезанию пробки. В этом случае происходит срезание пробки и сопротивление брони прекращается.

В качестве исходного принимается уравнение движения сердечника в броне, учитывающее двучленный закон сопротивления среды,

где слева — произведение массы сердечника на ускорение; справа — закон сопротивления среды внедрению сердечника; S — площадь поперечного сечения ударника; с — плотность материала преграды; HД — динамическая прочность материала брони; v — скорость сердечника (ударника); k — коэффициент формы головной части сердечника. В зависимости от формы головной части он изменяется от 0 до 1, определяется по зависимостям:

— для конической головной части, где и — угол раствора конуса при вершине;

— для оживальной головной части, где , — радиус оживала.

Если головная часть в процессе внедрения в броню разрушается, она приобретает форму, близкую к полусфере, и ее коэффициент формы k=0,5.

Напряжения сжатия на границе контакта сердечника и брони

.(1.3)

На рис. 1.9 графически представлен закон изменения напряжений на границе контакта в зависимости от скорости внедрения.

Рис. 1.9 Закон изменения сопротивления преграды от скорости внедрения ударника Следует отметить, что при достижении сердечника скорости Vкр, происходит инерционное расширение кратера (рис. 1.10).

(1.4)

где, а — текущее значение удельной работы в процессе внедрения.

Рис. 1.10. Фотографии сечений кратеров (образованных в свинцовых преградах стальными снарядами, имеющими одинаковую массу, но разные скорости), иллюстрирующие изменения формы кратера по мере возрастания скорости удара

1.4.3 Расчет углового взаимодействия жесткого сердечника со средой При взаимодействии сердечника с преградой под углом, на сердечник действуют силы, распределенные относительно оси сердечника несимметрично. Это связанно как с чисто геометрическими причинами, так и с тем обстоятельством, что сопротивление деформированию относительно тонкого слоя преграды в направлении, параллельном поверхности плиты, должно быть меньше, чем сопротивление в направлении, перпендикулярном поверхности. Однако для решения задачи пренебрегают вторым обстоятельством и ограничиваются учетом геометрических причин несимметрии в распределении усилий в случае встречи сердечника с преградой под углами, исключающими рикошет.

Такое упрощение позволяет произвести приближенную количественную оценку сил, действующих на сердечник, и проанализировать его движение на начальных этапах углового взаимодействия с преградой.

В приведенном ниже методе расчета действующих сил принято, что внедряющийся сердечник является абсолютно жестким, а преграда представляет собой однородную металлическую плиту толщиною не менее одного калибра сердечника. Предполагается также, что до момента полного погружения головной части сердечника тыльная прочность преграды не нарушается и вершина головной части не выходит за плоскость тыльного среза плиты. Так же следует отметить, что происходит рассмотрение взаимодействия сердечника, имеющего коническую головную часть.

На рис. 1.11 изображено сечение сердечника и преграды в некоторый момент времени внедрения головной части сердечника плоскостью, проходящей одновременно через нормаль N к преграде и ось сердечника. Начало декартовой системы координат совмещено с вершиной конуса, а ось OZ — с осью сердечника. Ось OX при этом лежит в плоскости чертежа, а ось OY — направлена перпендикулярно к ней.

Рис. 1.11 Схема действия сил на сердечник на начальном этапе внедрения Составляющими давления в направлениях, перпендикулярном к оси сердечника и параллельном к ней, будут соответственно:

;,(1.5)

где в — половина угла при вершине конической головной части сердечника.

В каждый момент погружения головной части сердечника, взаимодействующего с преградой под углом и, отличным от нуля, на сердечник будет действовать момент сил, направленный (в нашем случае) по часовой стрелке,

(1.6)

гдеМ1 — момент нормальной к оси сердечника составляющей равнодейстующей сил, распределенных по поверхности S1 косоусеченного полуконуса OEB:

M2 — такой же момент сил, действующих по поверхности S2 косоусеченного полуконуса OEA;

M3 — момент параллельной оси сердечника составляющей равнодействующей сил, распределенных по поверхности S1:

M4 — такой же момент сил, действующих по поверхности S2.

При нормальных углах заострения конуса, и обычных размерах сердечника справедливы соотношения:

;,(1.7)

причем M1 и M2 — величины одного порядка. Следовательно выражение (1.6) можно переписать в форме:

Где

;(1.8)

;(1.9)

l1,l2 — плечи нормальных к оси сердечника составляющих равнодействующих сил, распределенных по поверхностям S1 и S2, относительно центра инерции сердечника C:

ш — угол, образуемый направлением составляющей давления у+ с осью OX.

Поскольку интегрирование приходиться вести по поверхностям косоусеченных полуконусов, строгие выкладки при вычислении момента M приводят к интегралам эллиптического типа, что чрезвычайно усложняет все расчеты.

В связи с тем, что принятые предположения делают эти строгие выкладки совершенно неоправданными, заменяем интегрирование уравнений (7) и (8) по поверхностям S1' и S2' нормально усеченных полуконусов OBF и OGE соответственно. Это упрощение позволяет найти приближенное выражение вращающего момента M в конечном виде.

Дифференциал поверхности конуса в декартовых координатах может быть представлен в виде

;(1.10)

или в полярных координатах с и и

(1.11)

где ш — полярный угол, фигурирующий в соотношениях (1.8) и (1.9).

Таким образом, можно записать, что

.(1.12)

В каждый момент времени, для которого у+=const, справедливо выражение:

(1.13)

где R=BF.

Аналогично можно получить зависимость для подсчета момента:

(1.14)

где r=AD.

Момент, действующий на сердечник, может быть вычислен по формуле:

.(1.15)

Значения l1, l2, r и R выражаются через глубину L погружения сердечника в преграду, расстояние lС от вершины конуса 0 до его центра тяжести C и угол и между осью конуса и нормалью к преграде. Приняв, что равнодействующая сил, распределенных по поверхности нормально усеченного конуса, приложена в центре тяжести этой поверхности, т. е. на расстоянии от вершины конуса, равном 2/3 его высоты, после ряда тригонометрических преобразований получается:

;

; (1.16)

;

.

Подставляя выражения (1.16) в выражение (1.15), получено

.(1.17)

Полагая, что

(1.18)

нетрудно формулу (1.18) преобразовать к виду, более удобному для расчетов:

.(1.19)

1.5 Патентный поиск по конструкциям бронебойных пуль В процессе поиска литературы, так же были найдены запатентованные конструкции сердечников пуль стрелкового оружия, направленные на обеспечение их прочности.

1.5.1 Сердечник пули патрона стрелкового оружия. Регистрационный номер заявки: 5 039 767/23

Целью изобретения является повышение пробивного действия сердечников с плоской вершиной головной части (получаемых методом штамповки) за счет снижения вероятности нарушения его целостности.

Указанная цель достигается введением в конструкцию сердечника углубления, выполненного на вершине головной части, причем приемлемый эффект достигается при величине углубления 0,02... 0,09 диаметра сердечника (рис. 1.12). При контакте сердечника с твердой преградой, например стальным листом, вершина головной части деформируется. При этом деформация материала сердечника происходит как наружу, так и внутрь (в углубление).

Следует заметить, что при малой величине углубления появляется и доминирует над остальными еще один существенный фактор, влияющий на процесс внедрения сердечника. Это направление распространения волн сжатия (от первоначального удара в преграду), отражение которых от поверхности приводит к появлению растягивающих напряжений большой величины, и, как следствие, увеличение риска нарушения целостности материала сердечника. Максимальный отвод энергии (которую несут звуковые волны сжатия, возникшие от соударения вершинки сердечника с преградой) от поверхности головной части сердечника имеет место при наличии углубления определенной величины.

Рис. 1.12 Головная часть сердечника В начальный момент контакта середчника с твердой преградой (например, стальным листом) из зоны контакта со звуковой скоростью начинают распространяться волны сжатия. При этом, благодаря наличию углубления в вершине величиной 0,02... 0,09 D, вектор их энергетического максимума склонен к оси пули таким образом, что отражение волн от поверхности головной части минимальное. Это, наряду с возможностью вытеснения материала сердечника в полость углубления, снижает величину растягивающих напряжений на поверхности его головной части и, как следствие, риск разрушения.

1.5.2 Бронебойная пуля. Регистрационный номер заявки: 98 110 841/02

Целью изобретения является повышение пробивного действия пули снайперского патрона. Поставленная цель достигается тем, что в пуле, содержащей оболочку с размещенными в ней стальным и свинцовым сердечниками, головная часть стального сердечника выполнена в виде конуса с углом при вершине 50 — 90o и длиной 0,2 — 0,8 калибра пули, причем в качестве материала стального сердечника выбрана высокопрочная сталь с твердостью HRCэ 60.

Пуля содержит оболочку (рис. 1.13) (1) с размещенными в ней стальным (2) и свинцовым (3) сердечниками. Стальной сердечник имеет заостренную головную часть в виде конуса с углом при вершине 50 — 90o и длиной l1 в пределах 0,2 — 0,8 калибров пути. При этом, стальной сердечник изготовлен из высокопрочной стали с твердостью HRCэ 60, например, стали У10А ГОСТ 1435–54.

Применение в качестве материала для стального сердечника стали У10А, обладающей достаточной пластичностью, позволяет изготавливать стальной сердечник методом холодной штамповки с последующей обточкой конусной головной части на токарном станке.

Рис. 1.13 Схема бронебойной пули Принцип действия предлагаемой пули состоит в пробитии преград недеформируемым стальным сердечником пули. Ввиду его остроконечной формы достигается снижение силы сопротивления преграды и увеличение пробивного действия по сравнению с пулей-прототипом. Свинцовый сердечник пули выполняет роль толкающего поддона по отношению к стальному сердечнику.

1.5.3 Пуля для патронов стрелкового оружия. Регистрационный номер заявки: 93 031 582/08

Кинетическая энергия сердечника при встрече с преградой имеет существенное значение для поражающего действия. Опыт показывает, что при поражении твердых преград энергия тратится на смятие головной части пульной оболочки (если между вершинкой сердечника и оболочкой имеется пространство и чем оно больше, тем больше расходуется энергии), разрушение пульной оболочки, прохождение преграды, запреградное действие. Чем меньше затрачено энергии на первые три из выше перечисленных факторов, тем больше запреградное (т.е. полезное) действие.

В предлагаемой конструкции пули (рис. 1.14) снижение непроизводительных затрат энергии достигается за счет формы вершины головной части сердечника. Проведенными расчетами и экспериментами установлено, что оптимальной величиной заострения вершинки сердечников является высота, не превышающая 0,7 калибра пули, с диаметром основания не более 0,68 калибра пули. Влияние данного сочетания объясняется следующим образом: пробитие брони (стального листа) в этом случае происходит вследствие того, что внедрение в нее вершинки сердечника начинается при давлении на малую площадь, что способствует образованию в броне значительной вмятины в виде кратера. Входя в кратер и внедряясь в броню, головная часть сердечника, обладающая высокими прочностными свойствами, вытесняет металл во все стороны и находится в непосредственном контакте с броней по всей поверхности. Условия объемного сжатия повышают сопротивляемость головной части разрушению, способствуют сохранению ее целостного состояния. По мере внедрения скорость сердечника падает, а следовательно, уменьшается инерционное сопротивление брони, что также способствует сохранению состояния сердечника. При внедрении сердечника на некоторую глубину вершина головной части начинает разрушать тыльную поверхность брони, образуя сначала небольшое, а затем все увеличивающееся выходное отверстие. После выхода сердечника из брони в нем остаются значительные остаточные напряжения, которые могут вызвать его раскол на две и более части. Эти явления могут происходить непосредственно по выходе сердечника из брони или по прошествии некоторого времени. Таким образом, сердечники, имеющие заострение на вершине вышеуказанных размеров совершают пробитие брони (стальных листов) методом «прокола», а не «штамповки», что имеет место у сердечников с притупленной головной частью. Из теории известно, что при пробитии методом «прокола» затраты энергии на преодоление преград резко снижаются, сердечник с заостренной головной частью располагается практически в упор с вершинкой оболочки, что делает головную часть более «жесткой». В результате чего при встрече с твердой преградой смятие оболочки не происходит (сразу начинается ее разрушение), а следовательно, и не требуется и затрат энергии.

Рис. 1.14 Конструкция пули патрона стрелкового оружия

1.6 Применяемая технология изготовления бронебойныхсердечников Для анализа был выбран процесс изготовления бронебойных сердечников 7Н23 из прутка, применяемый на реальном производстве в г. Барнауле.

Полный технологический процесс изготовления бронебойного сердечник приведен в табл. 1.2 с классификацией методов и способов обработки.

На основании анализа производственного процесса можно сделать следующие выводы:

· основные методы обработки применяемые при изготовлении — резание, холодная штамповка, химическая и термические обработки;

· основные виды формообразующих операций — обточка и резание

· в качестве технологической оснастки используются обточные резцы, а так же инструментальный блок штамповки;

· основным типом оборудования реализующего методы холодной штамповки при изготовления бронебойных сердечников является АРЛ М-ЛС-В. Для обточки используется токарный полуавтомат ООС-51, для термической обработки — электропечь СП-3−75;

Таблица 1.2 Характеристика технологического процесса изготовления бронебойного сердечника 7Н23

Выводы и задачи исследования.

Одной из основных проблем при проектировании бронебойной пули является разработка конструкции, а так же технологии изготовления бронебойного сердечника. Анализ условий функционирования и патентный поиск показал, что одной из наиболее важных задач при проектировании является обеспечение необходимой прочности изделия при эксплуатации.

При рассмотрении научно-технической литературы была выявлена недостаточная освещенность проблемы прочности индентора при проникновении в преграду, основное внимание уделяется поведению преграды при пробитии.

В работе был предложен математический аппарат для расчета углового взаимодействия сердечника с преградой, однако он имеет существенные недостатки:

· при расчете взаимодействия не учитывается вращательное движение сердечника в момент подлета к преграде;

· математический аппарат дает намного завышенные значения усилия при пробитии, превосходящие допустимые нагрузки для материала сердечников В ходе обзора научно-технической литературы также было выявлено отсутствие информации о возможных видах нарушения прочности ударника при пробитии преграды. бронебойный сердечник снаряд конструкция С учетом изложенного в дипломной работе поставлены и решаются следующие задачи:

· анализ кинематики и силовых условий нагружения бронебойного сердечника при внедрении в преграду;

· статистический анализ характера разрушения бронебойных сердечников по результатам полигонных испытаний;

· разработка приближенных моделей прочности бронебойных сердечников;

· разработка технологических требований, предъявляемыъ к конструкции бронебойных сердечников.

2. Анализ условий функционирования бронебойных пуль и сердечников при пробивании преграды

2.1 Постановка задачи Для проведения анализа условий функционирования бронебойных сердечников при пробивании преграды необходимо:

· оценить кинематические условия встречи пули с преградой;

· установить характерные стадии процесса пробивания сердечником преграды;

· определить кинематику поведения бронебойного сердечника для каждой из характерных стадий пробивания преграды;

· оценить силовые условия нагружения сердечника при взаимодействии с преградой.

Решение перечисленных задач представляет большую сложность, так как пуля при подлете к преграде совершает сложные движения с относительно высокими около и сверхзвуковыми скоростями.

Для оценки начальных кинематических условий встречи пули с преградой представляется целесообразным использование внешнебаллистической математической модели Г. А. Данилина и И. О. Мишарина.

Приближенное решение остальных задач на качественном уровне возможно с применением численных методов, в частности метода конечных элементов (МКЭ).

2.2 Кинематика движения пули в момент подлета к преграде В процессе полета в безвоздушном пространстве на пулю действует только сила тяжести, которая совместно с начальной скоростью и углом бросания предопределяет форму траектории ее полета. При полете в воздушном пространстве на пулю действует дополнительная внешняя сила, сила сопротивления воздуха (рис. 2.1). Сила сопротивления воздуха является распределенной нагрузкой и интегрально может быть приложена в некой точке на оси симметрии в виде силы R. Точку приложения силы сопротивления воздуха как равнодействующей распределенной нагрузки называют центром сопротивления (ц.с.), а точку приложения силы тяжести — центром тяжести (ц.т.) или центром масс (ц.м.). Сила сопротивления воздуха препятствует движению пули и направлена под некоторым углом.

Рис. 2.1 Силы действующие на пулю в полёте Механизм совокупного действия силы R может быть раскрыт следующим образом. Приложим к центру тяжести две силы, равные по величине R и противоположно направленные параллельно ей. Разложим одну из них на две составляющие: по касательной к траектории (RT) и перпендикулярно к ней (RN). Получили систему сил в центре тяжести: RT, RN, qП и пару сил R, действующих на определенном плече и создающих опрокидывающий пулю момент в плоскости чертежа.

Сила RT называется лобовым сопротивлением и вызывает уменьшение (торможение) скорости полета пули, в результате чего нисходящая ветвь траектории короче восходящей. Сила RN называется подъемной силой. Сила тяжести qП вызывает понижение траектории полета, а подъемная сила — ее повышение.

Полет пули в воздухе устойчивый, если угол д между осью пули и касательной к траектории не увеличивается со временем, а уменьшается. Если этот угол под действием опрокидывающего момента возрастает, то пуля начинает кувыркаться, подставляя потоку воздуха то одну, то другую сторону, в результате чего происходит потеря скорости. В результате такой неустойчивости уменьшается дальность полета и резко ухудшаются характеристики эффективности стрельбы.

Для обеспечения стабилизации пули на траектории используют два способа стабилизации. Первый способ заключается в смещении центра сопротивления (ц.с.) назад за центр тяжести (ц.т.) за счет стабилизатора и утяжеления носовой части. В этом случае момент М перестает быть опрокидывающим и становится стабилизирующим.

Второй способ обеспечения устойчивости полета заключается в сообщении пули большой угловой скорости вокруг продольной геометрической оси. Пуля, имея поступательное и вращательное (ротационное) движение, обретает свойства гироскопа. Действие силы RN преобразуется в дополнительное вращательное движение (прецессию), и центр тяжести пули описывает винтовую спиральную линию вокруг касательной траектории. Опрокидывающий момент создает третье вращательное движение — нутацию с углом д (рис. 2.2). Поэтому дополнительные внешние силы (усилие ветра, ветки и пр.) также частично преобразуются в прецессию и нутацию, в меньшей степени отклоняя траекторию полета пули от линии стрельбы.

Рис. 2.2 Характер движения вращающейся пули

Необходимо учитывать вращение пули, деривацию. Деривация — отклонение снаряда от упреждённой точки ввиду ротационного вращения. Головная часть снаряда описывает замысловатую траекторию (рис. 2.3).

Наиболее часто головная часть снаряда отклонена вправо вверх (при правых нарезах в канале ствола), что собственно и приводит к отклонению от первоначального направления движения снаряда (пули). Если шаг нарезов

" правый", то пуля под влиянием деривации будет отклоняться вправо. И, наоборот, Япония традиционно использует левое вращение пули.

Рис. 2.3 Схемы правого (а) и левого (б) вращений (дериваций) пули Отметим так же тот факт, что при взаимодействии с преградой, происходит «затухание» всех видов ротационного движения. В результате затухания, центр масс описывает траекторию, представленную на рис. 2.4.

Рис. 2.4 Траектория центра масс сердечника при взаимодействии с преградой для правого вращения (а) и левого (б) вращений Для дальнейшего моделирования процесса пробивания преграды, необходимо определить кинематику движения пули при встрече с преградой. Ниже приведены формулы, необходимые для расчета.

(2.1)

где dкалибр пули, мм; qп — вес пули, г; i — коэффициент формы пули (0,9…1,1).

(2.2)

где D (VC), D (V0) — функции скорости, определяемые по таблицам внешнебаллистических расчетов.

(2.3)

где T (VC), T (V0) — полетные функции скорости, определяемые по таблицам внешнебаллистических расчетов.

Скорость вращения пули по вылете из канала ствола:

(2.4)

где ц — угол крутизны нареза.

Скорость вращения пули, в момент времени t:

(2.5)

где V — скорость пули в момент времени t.

Ниже приведен расчет необходимых для дальнейшего моделирования параметров.

На основании полигонных испытаний, за начальную скорость принимаем V0=740 м/с, расстояние X=200 м, вес пули qп=7.9 г, d=7.62 мм, длина пули l=28 мм, угол крутизны нарезов канала ствола ц=6°.

.

.

По таблицам внешнебаллистических расчетов находим, V0=590 м/с.

Для полученных значений скоростей, находим значения полетных функций скоростей T (VC)=8.6354, T (V0)=5.9371.

c.

1/сек.

На дистанции X=200 м, пуля будет вращаться со скоростью:

1/сек.

2.3 Кинематика движения пули и сердечника при внедрении в преграду При анализе взаимодействия жесткого сердечника с преградой условия его функционирования различаем по следующим основным признакам:

· массе и форме головной части сердечника;

· углу и скорости встречи с преградой;

· соотношению прочностных свойств сердечника и преграды;

· соотношению толщин преграды и диаметра сердечника;

· видом контурного закрепления плиты преграды.

Интегральный величиной, учитывающей массу сердечника и форму его головной части, может выступать аналог баллистического коэффициента (2.1):

(2.6)

где ic, dc, mc — соответственно коэффициент формы, диаметр и масса сердечника.

В отличие от баллистического, этот коэффициент должен учитывать тормозящее действие сопротивления материала преграды внедряемому в нее сердечнику.

Отношение называют поперечной нагрузкой. Поперечная нагрузка сердечника будет тем больше, чем больше масса сердечника и меньше его диаметр. Следовательно, при одинаковом диаметре сердечников, поперечная нагрузка будет больше у длинного сердечника. Сердечник с большей поперечной нагрузкой при равных скоростях перемещения в преграде обладает большей кинетической энергией, что определяет большие возможности по сохранению постоянства начальных скоростей встречи и увеличению толщины бронепробивания.