Elementy ekwipunku ochronnego, a zwłaszcza hełmy bojowe, od zawsze były niezwykle ważnym składnikiem oporządzenia żołnierza, zabezpieczającym go przed wieloma zagrożeniami, takimi jak bezpośredni postrzał z broni palnej, rażenie odłamkami czy uderzenie ciężkim przedmiotem. Dynamiczny rozwój broni stosowanej na współczesnym polu walki oraz specyfika prowadzenia działań wojennych coraz częściej pociągają za sobą konieczność projektowania nowoczesnych rozwiązań w zakresie środków ochrony bezpośredniej, pozwalających na poprawę komfortu fizycznego i psychicznego ich użytkowników.
Najczęściej obserwowanym trendem w tym zakresie jest stosowanie nowoczesnych materiałów kompozytowych, które ze względu na swoje unikalne właściwości pozwalają na zwiększenie wytrzymałości mechanicznej przy jednoczesnym zmniejszeniu masy gotowego wyrobu.
Wdrażanie nowego rozwiązania technicznego wiąże się nierozerwalnie z potrzebą wykonania szeregu kosztownych i długotrwałych testów, umożliwiających weryfikację założeń projektowych, np. w zakresie wymaganego poziomu ochrony danego elementu ekwipunku ochronnego. Symulacja komputerowa z wykorzystaniem metody elementów skończonych jest narzędziem, które świetnie wpisuje się w ten proces, zapewniając przyspieszenie procesu koncepcyjnego i wdrożeniowego oraz redukcję kosztów poprzez zastąpienie części testów eksperymentalnych ich cyfrowymi odpowiednikami.
Spis treści
- Symulacja komputerowa balistyki przeprowadzona na zlecenie Klienta
- Założenia dotyczące modelu balistycznego
- Budowa modelu numerycznego w oprogramowaniu Ansys
- Efekty analizy numerycznej testu balistycznego
Symulacja komputerowa balistyki przeprowadzona na zlecenie Klienta
Jakiś czas temu, w związku ze zleceniem jednego z naszych Klientów, stanęliśmy w MESco przed kolejnym ciekawym wyzwaniem. Mieliśmy opracować metodykę obliczeniową testu balistycznego, w którym hełm bojowy zostaje poddany postrzałowi z użyciem pocisku Parabellum 9 × 19 mm. Celem projektu było przygotowanie modelu numerycznego stanowiska pomiarowego (rys. 1), które składało się z suwaka pomiarowego i makiety głowy, na której zamocowano badany hełm. Do obliczeń postanowiono wykorzystać oprogramowanie Ansys LS-DYNA.
1 – suwak pomiarowy, 2 – makieta głowy z zamocowanym na niej hełmem
Założenia dotyczące modelu balistycznego
Klient określił dwa kryteria walidacyjne, które miały służyć do weryfikacji poprawności utworzonego modelu numerycznego. Był one powiązane z pomiarem przyspieszenia wzdłużnego suwaka pomiarowego i zakładały, że:
- zmierzona maksymalna wartość miała wynosić 200 m/s² +/- 10 m/s²,
- czas przyrostu przyspieszenia do osiągnięcia wartości maksymalnej nie będzie dłuższy niż 0,005 sekundy.
Budowa modelu numerycznego w oprogramowaniu Ansys
Budowę modelu numerycznego rozpoczęto od uproszczenia geometrii poszczególnych komponentów. Do tego celu wykorzystano narzędzia SpaceClaim Direct Modeler (rys. 2.).
Do wygenerowania siatek elementów skończonych na stosunkowo prostych geometriach wykorzystywano moduł Ansys Meshing (rys. 3).
Z kolei w przypadku skomplikowanych geometrii, które dodatkowo posiadały lokalnie uszkodzoną topologię (rys. 4.) wykorzystano narzędzie SpaceClaim Meshing oraz technikę Blockingu.
Czerep badanego hełmu wykonany był z dziewiętnastu warstw tkaniny paraaramidowej Twaron CT 736, połączonych żywicą epoksydową. Do odwzorowania tej struktury wykorzystano moduł Ansys Composite PrepPost. Z uwagi na skomplikowany kształt czerepu w celu poprawnego uchwycenia kierunków włókien tkaniny wykonano dodatkowo symulację układalności (drapingu) poszczególnych warstw (rys. 5), a ich przestrzenną reprezentację opisano za pomocą elementów typu thick shell (tzw. grube powłoki).
Na kolejnym etapie przygotowano modele materiałowe. Dane dla części komponentów (np. wkładów amortyzujących) dostarczył Klient. Model laminatu zbudowano na bazie dostępnego w oprogramowaniu LS-DYNA materiału MAT_058_LA MINATED_COMPOSITE_FABRIC, przy czym jego parametry dobrano na podstawie danych literaturowych. Niektóre parametry modelu materiałowego (np. wytrzymałość na rozciąganie, ściskanie i ścinanie w poszczególnych kierunkach) dopasowano, biorąc pod uwagę dostarczone przez Klienta wyniki testów balistycznych przeprowadzonych na próbkach płaskich laminatu (rys. 6).
Końcowym etapem było utworzenie ostatecznego modelu z uwzględnieniem modeli składowych (rys. 7) oraz zdefiniowanie jego dodatkowych składników, takich jak kontakty, akcelerometry czy elementy służące do napięcia taśmy mocującej czerep na makiecie głowy. Do tego celu wykorzystano preprocesor LS-PrePost, przeznaczony do analiz LS-DYNA.
Połączenia poszczególnych warstw laminatu odwzorowano za pomocą kontaktów sklejanych typu *AUTOMATIC_ONE_ WAY_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK, które umożliwiały rozerwanie połączenia po osiągnięciu założonych poziomów na prężenia kryterialnego: 350 MPa w kierunku normalnym i 100 MPa w kierunku stycznym. Taśma mocująca czerep zawierała elementy belkowe, które za pomocą karty *INITIAL_AXIAL_FORCE wprowadzały wstępne napięcie, zapewniające lepsze dopasowanie hełmu do makiety głowy (rys. 8). Sama taśma połączona była z czerepem wiązaniami typu *CONSTRA INED_NODAL_RIGID_BODY (rys. 9).
W metodzie explicit, którą zastosowano do rozwiązania utworzonego modelu, krok obliczeniowy bezpośrednio jest powiązany z najmniejszym wymiarem charakterystycznym siatki elementów skończonych (tj. w dużym uproszczeniu: z najkrótszą krawędzią we wszystkich elementach objętościowych modelu). Ze względu na to, że spodziewano się bardzo dużych odkształceń pocisku (i tym samym spadku globalnego kroku czasowego, potrzebnego do zagwarantowania stabilności modelu), wykorzystano mechanizm „przełączenia” sformułowania komponentów rdzenia i płaszcza pocisku z ciała odkształcalnego na idealnie sztywne (które nie wpływa na krok całkowania) w momencie pełnego wyhamowania pocisku, a następnie jego pełnego odbicia od czerepu. Do zrealizowania tej czynności użyto karty *DEFOR MABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC. Dzięki temu uzyskano wyraźne skrócenie całkowitego czasu obliczeniowego.
Efekty analizy numerycznej testu balistycznego
Efektem przeprowadzonych obliczeń z wykorzystaniem tak przygotowanego modelu był przebieg przyspieszenia (z akcelerometru umieszczonego na suwaku pomiarowym), który następnie porównano z testem eksperymentalnym (rys. 10). Maksymalna wartość przyspieszenia w teście numerycznym wyniosła ok. 208 m/s2, a czas jego narastania wyniósł 4,45 ms. Tym samym zostały spełnione kryteria walidacyjne, określone przez Klienta.
O ile początkowy etap testu cechował się dobrym odwzorowaniem trendu narastania przyspieszenia, o tyle w przedziale 6–13 ms zaobserwowano dużą rozbieżność wyników. Prawdopodobnie był to efekt nie do końca poprawnego zachowania się elementów belkowych uprzęży, które w sposób niefizyczny odkształciły się plastycznie i tym samym zakłóciły poprawność przekazania energii postrzału na makietę głowy. Dodatkowo skorelowanie obu testów było utrudnione z powodu zbyt małej liczby danych z eksperymentów, co nie zapewniało pełnego wglądu w lokalne wartości maksymalne przyspieszenia.
Przedstawiony model będzie punktem wyjścia do dalszych modyfikacji mających na celu dopracowanie metodyki obliczeniowej. Jednym z kierunków tych prac będzie lepsze dopasowanie przebiegu przyspieszenia. Dodatkowo w następnych iteracjach obliczeniowych zostanie sprawdzone, jaki wpływ na wyniki przy spieszenia suwaka mają: poszczególne typy definicji elementów typu thick shell przeznaczonych do modelowania kompozytów (*ELEMENT_TSHELL_BETA vs. *ELEMENT_TSHELL_COMPOSITE), dostępne typy sekcji elementów thick shell (TSHELL ELFORM = 1, 2, 3 i 5) oraz dodatkowe mechanizmy napinania uprzęży hełmu.
Autor: Jakub Lisicki, MESco Sp. z o.o. (Jakub opuścił nasze szeregi)
Obserwuj nas w mediach społecznościowych i bądź na bieżąco
