activitatea i.1 si materiale neconventionale. metode de ... - etapa 1.pdf · tehnologii active de...

Proiect 278/2014 Etapa I

• Activitatea I.1 Cercetari privind tendintele in protectia vehiculelor la actiunea minelor/DEI. Solutii noi si materiale neconventionale. Metode de testare si evaluare

Solutii noi si materiale neconventionale Generatiile anterioare de vehicule militare destinate atat transportului trupelor cat si luptei au avut un

design simplu, podeaua fiind dispusa la inaltimi nu mai mari de 500 mm, fiind realizata din tabla de otel cu destinatie militara, solutie care nu are capacitatea de a suporta actiunea minelor si DEI prin faptul ca impulsul aplicat la explozie pentru aceste distante este important iar schijele produse penetreaza blindajul.

In prezent, majoritatea solutiilor aplicate pe vehiculele militare constau in utilizarea podelelor duble, obtinerea unei distante mai mari dintre podeaua masinii si sol si trecerea de la forma plana a podelei exterioare la una in V sau un V partial, exemple de astfel de solutii fiind prezentate in imaginile urmatoare. De asemenea, s-a studiat si potentialul placilor curbe.

Fig. I.1.1 Diverse solutii constructive pentru forma in V

Masura utilizarii podelelor duble, permite decuplarea deformatiei podelei exterioare de cea interioara, iar atat timp cat acestea nu intra in contact, sau elementele aflate intre ele (elemente de transmisie) nu sunt propulsate in podeau interioara, acceleratiile suferite de podeau interioara sunt reduse. Celelalte doua masuri, inaltarea intregii masini si modificarea formei exterioare au condus la reducerea impulsului aplicat masinii prin cresterea numarului specific Z - la inaltarea masinii, si reducerea presiunii reflectate de podea si a timpului de actiune a gazele pe podea - la schimbarea formei podelei. Testele au aratat ca o structura in V poate reduce cu peste 50% impulsul fata de o placa plana situate la aceeasi distanta. Marele dezavantaj al acestor ultime doua masuri este faptul ca inaltarea intregii masini afecteaza capacitatea acesteia de a nu fi reperata si mai ales mobilitatea ei, in special pe teren accidentat. Acest lucru face ca masurile de protectie fata de mine sa sporeasca vulnerabilitatea fata de alte amentintari (proiectile perforante, rachete). O alta masura, pentru reducerea impulsului transferat structurii masinii a fost folosirea unor straturi exterioare capabile sa consume si sa absoarba energie prin deformare si sfaramare. Astfel, s-au evaluat numeroase materiale si s-au propus de-a lungul timpului diferite solutii, pornind de la spume metalice (ALULIGHT, SMARTMETAL, DUOCEL), spume de carbon (CFOAM ) materiale poroase (CRUSHMAT, BLASTWRAP ), materiale granulare (XPT, TABREShield), aerogeluri, structuri tip fagure si placi perforate. SMARTMETAL , un produs CYMAT, este o spuma din aluminiu pentru atenuarea exploziilor. Procesul de productie poate fi reglat pentru obtinerea unei varietati de grosimi si densitati. Densitatea spumei este intre 0,14 – 0,58 g/cm3 iar grosimea panourilor intre 9,5mm si 75 mm. Un test tipic de compresiune indica un platou de curgere tipic (vezi Fig. I.1.2) de 5 MPa. DUOCEL , este marca unei familii de spume cu pori deschisi (spume de aluminiu, spume de carbon si spume de cupru), produse de ERC prin turnare. CFOAM Armour este ospuma de carbon capabila sa absoarba energia de impact datorita strivirii structurii intere. Producatorul livreaza panouri de dimensiuni diferite, potrivite pentru protectia vehiculelor, avioanelor, navelor, infrastructurilor critice, cladirilor si depozitelor de munitii impotriva efectelor exploziilor. XPT este un agregat poros cu liant obtinut dintr-o rasina care este folosit pentru absorbtia si atenuarea efectelor undelor de soc. XPT poate fi produs in panouri standard plate de 0,5 x 0,5 m sau turnat in functie de cerinte si poate fi taiat cu unelte obisnuite. Grosimea este intre 10mm si 30 de mm,iar densitatea de 1,6 g/cm3. Mterialul a fost testat pentru diferite aplicatii: ambalarea munitiilor, protectia zonei inferioare a vehiculelor, acoperirea peretilor si unitati pentru dispunerea DEI-urilor de mici dimensiuni


ADVANTIC reprezinta o serie de spume usoare confectionate din sticla,polimeri sau sfere goale prinse intr-o matrice din rasina, precumepoxi sau cianat ester. Avand un palier de curgere de 27,6 MPa si o densitate de 0,5 g/cm3 aplicatiile spumelor Advantic include printer altele si diminuarea efectelor undelor de soc. CRUSHMAT este o ceramica granulara care consta in graunti porosi de alumina (Al2O3). Cand este expusa unei incarcari prin explozie CRUSHMAT absoarbe energia undei prin strivirea granulelor de ceramica. Granulele de alumina CRUSHMAT sunt caracterizate de o porozitate de 65%. Dimensiunile granulelor sunt de 3-6 mm x 1mm iar densitatea in vrac de 0,6 g/cc. Suprafata granulelor inainte de explozie este de 5 m2/kg iar dupa explozie de 10 – 50 m2/kg. Prezentandu-se sub forma granulara CRUSHMAT poate lua orice forma. TABREShield este un material de atunare a undelor de soc patenat de firma Aigis. In stratul de protectie sunt integrate diferite materiale. Aplicatii: ambalarea munitiilor, protectia zonei inferioare a vehiculelor, acoperirea peretilor si unitati pentru dispunerea DEI-urilor de mici dimensiuni BlastWrap este o solutie propusa de BlastGard si consta intru strat flexibil care contine buzunare pline cu granule de perlit, o sticlavulcanica naturala si acid boric. Datorita flexibilitatii BlastWrap poate lua forma obiectului sau peretelui protejat. Densitatea perlitului in stare granulara este de 0,1 – 0,2 g/cm3. Comportamentul mecanic tipic almaterialelor celulare la nivel macroscopic este redat in Fig. I.1.2. Valoarea platoului, la care apare compresiunea plastica, este cea care da cantitatea de energie absorbita de stratul de sacrificiu.

Figura I.1.2Diagrama ideala pentru un materialcelular elasto-plastic

Aceasta diagrama descrie comportamentul in regim static. Incarcarile in cazul undelor de soc sunt caracterizate de timpi scurti de aplicare care implica deformatii la viteze mari de deformare. La nivelmacroscpic aceasta diagrama vasuferi modificari, iar platoul de deformare plastica va fi mai mare. La nivel mezo rezultatele au indicat ca raspunsul stratului este guvernat de fenomene complexe localizate care includ flambajul si rezistenta data de micro-inertie. Ca rezultat, se genereaza o unda de soc plastica care se propaga prin strat. Literatura de specialitate nu prezinta clar in ce masura aceste solutii au fost implementate in protectia autovehiculelor, o posibila cauza fiind rezultatele contradictorii obtinute in cadrul unor teste care au demonstrat faptul ca o utilizarea materialelor absorbante poate duce in anumite situatii la cresterea impulsului si ca pentru realizarea efectului asteptat se impune o anumite grosime a stratului de material absorbant. A alta directie de studiu a fost utilizarea elementelor de ranforsare care sa sporeasca rigiditatea structurii . Totusi studiile de laborator au aratat ca in anumite conditii astfel de structuri pot ceda mai repede, datorita pierderii abilitatii placilor de a consuma energia cinetica prin deformare plastica, fapt ce impune atentie in abordarea unor astfel de solutii.

De asemenea s-a studiat inlocuirea materialelor clasice cu materiale noi cu proprietati mecanice superioare. Astfel noi generatii de oteluri au fost realizate in ultimii ani (AERMET, ARMOX, FERRIUM, MIILUX, FLASH ) cu limite de curgere si rupere intre 1200 – 2000 Mpa, respectiv 1400 – 2300 Mpa. Un tabel cu proprietatile otelurilor mai sus mentionate este prezentat mai jos.

Deformatie, [%]

Tensiune, [MPa]

Deformatie elastica

Punct de densificare

Blocare

Compresiune plastica

Punct de start compresiune plastica

Ub = Energia absorbită pentru deformarea ε


Tabel I.1.1 Proprietatile otelurilor selectate

Marca otel Limita de curgere [MPa]

Limita de rupere [MPa]

Alungirea [%]

Test Charpy V

[J]

Rezilienta K IC [MPa-

M ½]

Duritate HBW/RC

AerMet 100 1720 1960 14 41 126 -

AerMet 310 1900 2170 14.5 27 71 -

AerMet 340 2070 2380 11 15 37 -

Armox 500T 1250 1450 - 1750 10 25 - 540 - 480

Miilux 500 1250 1600 10 20 - 540 - 480

Flash4130 1850 2030 10 - - -

Ferrium M54 1730 2020 15 - 127 -

Ferrium C61 1550 1650 16 - 142 48 -50

Maraging 250 1700 1820 13 - 126 -

O atentie deosebita s-a acordat si tesaturilor din fibre performante de (ex. Kevlar, Tvaron) care au

demonstrat, in amestecuri cu rasini, o rigiditate sporita a structurilor. O imagine de ansamblu asupra rezistentei diferitelor categorii de materiale, in care sunt incluse si

diversele tipuri de materiale mentionate mai sus (spume, oteluri, structuri tip fagure) este prezentata in figura de mai jos.

Fig. I.1.3 Rezistenta materialelor in functie de densitate

Introducerea unor masurile de rigidizare a structurii inferioare a vehiculului prin utilizarea unor materiale performante, chiar daca maresc protectia oferita la schije, nu diminueaza cu nimic impulsul transmis masinii. Mai mult, o reducere substantiala a masei totale a vehicului, prin potentiala reducere a structurii de protectie antiexplozie, nu va face decat ca acceleratiile suferite in interiorul vehiculului sa creasca iar riscurile de ranire de asemenea. In schimb, cresterea masei vehicului pentru anularea efectelor impulsului transmis presupune costuri suplimentare cu materialele, dar mai ales costuri suplimentare cu intretinerea si mentenanta unor astfel de sisteme militare.

Astfel, o directie suplimentara de reducere a acceleratiilor suferite de ocupantii vehiculelor, fara a modifica semnificativ masa totala a sistemelor, a fost introducerea unor scaune modificate, cu sisteme de prindere de structura superioara a masinii si introducerea de elemente de amortizare pornind de la structuri de cauciuc prinse de podea pana la elemente deformabile in sistemele de prindere a scaunelor. Mai mult, s-au


efectuat si studii privind pozitia ideala pe care trebuie sa o aiba picioarele ocupantiilor in pozitia asezat pe timpul deplasarii. Exemple privind comentariile de mai sus sunt redate in fig. urmatoare.

Fig. I.1.4 Diferite rezultate ale cercetarii privind protectia echipajului

Printre ultimele masuri adoptate in acest domeniu este trecerea de la o protectie pasiva la una eminamente activa. Astfel au aparut pe piata firme care au propus utilizarea unor sisteme care combina elementele de senzoristica cu elemente motoare care sa reduca impulsul transmis intregii structuri.

Advanced Blast & Ballistic Systems (ABBS)), au dezvoltat un sistem bazat pe o solutie energetica de tip motor de racheta. Conform ABBS, tehnologia VAFS ar permite reducerea unghiului "V", fapt care permite coborarea podelei si, astfel, a centrului de greutate, reducand profilului vehiculului.

TenCate Active Protection ApS este o alta companie care dezvolta un sistem activ. Nu sunt multe detalii cunoscute, dar ABDS ar trebui sa se bazeze pe doua mase mobile, care sunt accelerate in jos pentru a reduce accelerarea in sus a vehiculului. Sistemul este instalat sub burta vehiculului si include un trigger special proiectat si un sistem de activare (TAS). Acest lucru ofera o comanda de foc rapida, stabila si sigura si automata care sa actioneze contramasurile si sa produca un mod de raspuns precis programat structural si biomecanic.

O alta solutie a fost dezvoltata de Drehtainer din Germania. “Sistemul de Soc Zero” se bazeaza pe o a doua podea, care atarna pe cabluri de otel de cadrul vehiculului. Dupa explozie, senzorii activeaza airbag-urile care reactioneaza in mai putin de 0,4 milisecunde, podeaua "pluteste" pentru un timp suficient pentru a reduce considerabil acceleratiile. IBD Deisenroth Engineering a dezvoltat sistem activ de protectie anti-mine, AMS. Potrivit producatorului, AMS integreaza retele de senzori si contramasuri explozive active in placi dispuse sub podeaua vehiculului. Dezvoltat in colaborare cu ADS, AMS se bazeaza pe experienta acumulata in dezvoltarea de tehnologii active de protectie balistica de tip hard-kill. Timpul de reactie a sistemului este in intervalul de 100µs.

Legat de subiectul atenuarii exploziei, exista unii producatori care au propus solutii, utile nu doar pentru protectia vehiculeor, in care se utilizeaza materiale integrate in stratul de protectie, capabile sa se raceasca de gazele fierbinti la momentul contactului undei de soc cu peretele. Este usor de observat ca o astfel de solutie, in cazul in care functioneaza, este mai putin complexa si mai putin costisitoare decat sistemele active mentionate mai sus.

Fig. I.1.5 Entalpia de topire pentru diferite categori de substante

Din analiza figurii de mai sus se observa ca exista clase de substante , cloruri , carbonati , fluoruri care pot consuma cantitati mari de energie pentru a se topi. Deoarece carbonatii se pot descompune cu formare de bioxid de carbon iar fluorurile pot fi toxice, alegerea cloruri de sodiu , ieftina si larg disponibila, reprezinta o


solutie convenabila. Dezavantajul evident este însa ca aceasta substanta se topeste la putin peste 800 C0 , pâna la aceasta temperatura consumând caldura numai pentru încalzirea sa Un exemplu este US Global Nanospace Inc, care a dezvoltat un strat de protectie Blast-X. O componenta a solutiei consta intr-un material compozit care contine si materiale ce atenueaza explozia. Aceste particule, atunci cand sunt eliberate racesc gazele fierbinti din frontul undei de soc si reduc energia exploziei. Nu exista informatii disponibile cu privire la natura acestui material. O alta companie din SUA, Blastgard Intl a dezvoltat o captusala flexibila constand in buzunarele ce contin un amestec de doua substante: perlit si acid boric. Captusala poate fi atasata la orice fel de perete pe fata expusa la amenintarea exploziei. In timp ce perlitul este un material granular foarte poros, care are abilitatea de a atenua explozia prin strivirea si pulverizarea sa, acidul boric este utilizat in stare de pudra deoarece este capabil sa raceasca gazele fierbinti prin capacitatea sa de a se recombina la temperaturi mai ridicate. Posibilitatea de a racii gazele fierbinti obtinute din primele etape ale procesului de detonatiei, si nu din momentul contactului dintre structura si unda de soc, asa cum sunt proiectate solutiile anterior prezentate, poate fi o modalitate ieftina pentru a reduce impulsul transferat structurii. In cadrul proiectului aceasta va fi o directie principala de studiu.

Figura. I.1.6 Imagini la 0,2, 0,4 si 1 ms de la momentul detonatiei unei incarcaturi de exploziv plastic de

200 grame dispus intr-un recipient cu 200 grame de acid boric

La nivel national s-au efectuat studii privind efectul prezentei unui invelis de acid boric aflat in contact cu incarcatura exploziva. In Figura I.1.6 sunt reprezentate atenuarile suprapresiunilor iar in Figura I.1.7 atenuarile impulsurilor,masurate pentru diferite valori ale lui Z. In primul rand, chiar daca atenuarile suprapresiunilor prezinta o imprastiere mai mare, pe ambele grafice se observa o tendinta de disparitie a atenuarii pe masura ce numarul Z creste. Astfel, daca pentru valoarea lui Z de 1, avem atenuari in jur de 60%, pentru valori mai mari, de la 2 pana la 3, atenuarea are valori in jur de 80%.

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

100 g

200 g

300 g

100 g NP

100 g NP

Figura. I.1.6 Atenuarea suprapresiunii obtinuta cu un invelis de acid boric


0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

100 g

200 g

300 g

100 g NP

100 g NP

Figura I.1.7. Atenuarea impulsului obtinuta cu un invelis de acid boric

O cercetare bibliografica pe aceasta tema a condus la identificarea unor alte materiale posibile candidate. Un material care prezinta interes este sulfatul de aluminiu [A12 (SO 4) 3 -18 H20], care s-a dovedit a fi la fel de eficient precum apa ca mediu de racire. Caldura necesara pentru deshidratarea sulfatului (la aproximativ 87 °C), plus caldura necesara evaporarii apei dau o caldura totala consumata de 387 cal/g (vaporizarea apei consuma 587 cal/g). Racirea timpurie a gazelor poate avea un alt efect benefic secundar, prin reducerea riscului de aparitie a incendiilor secundare. Poliurea este un alt material care a captat interesul cercetatorilor din domeniul militar datorita proprietatilor sale mecanice, metodei inovatoare si simpla de a fi depusa pe structurile existente, prin pulverizare si pretul de cost redus. Un exemplu de utilizare a acesteia in protectia vehiculelor este kit-ul Dragonshield.

Poliurea este un elastomer rezistent care se obtine in urma reactiei dintre un component izocianat si un component sintetic de rasina prin polimerizare “step-growth”. Izocianatul poate avea o natura aromatica sau alifatica. Acesta poate fi monomer, polimer, sau orice varianta de reactii de izocianati, cvasi-prepolimer sau un prepolimer. Numeroasele studii cu privire la comportamentul poliureei sunt justificate de cresterea interesului in utilizarea poliureei la cresterea rezistentei la explozie si la impact a structurilor. Comportamentul poliurei in tensiune uniaxiala sau compresiune a fost studiat de multi cercetatori pentru un interval lar al vitezelor de deformare: 10-3 - 6000 s-1. Fig. I.1.8 Comportamentul viscoelastic al poliureei Prin teste s-a dovedit ca poliurea are un comportament vascoelastic (dependent de viteza de deformare), histerezis important, imuiere la incarcari ciclice proprietati puternic dependente de stoichiometrie. In ultimii ani, numeroase teste de laborator si poligon si simulari numerice au fost efectuate in scopul de a intelege modificarile raspunsului structurilor (otel, tesaturi sau ziduri din materiale de constructii) in prezenta unui strat de poliuree suplimentar. Pentru placi de otel testele balistice indica, in unele cazuri, o crestere a V50 cu peste 40%. Cu sistemul de bare Hopkinson modificat si prin teste la explozie s-a indicat faptul ca prezenta stratului de poliuree este capabil de a imbunatati absorbtia de energie si performantele dinamice ale structurilor, unul dintre principalele motive fiind intarzierea fenomenului de gatuire, un fenomen care este specific placilor metalice ductile supuse la incercari prin explozie. Cercetatorii au studiat si efectul pozitiei stratului de poliuree aplicat pe placa de otel fata de explozie sau impact, rezultatele indicand faptul ca cele mai bune rezultate se obtin atunci cand stratul de poliuree este pulverizat pe partea din spate. O observatie importanta este incapacitatea stratului de poliuree de a ramane lipit de peretele de otel la incarcari dinamice puternice atunci cand este depusa pe partea din spate. De asemenea, din imaginea precedenta, este usor de observat ca, chiar si


pentru viteze ridicate de deformatre curba tensiune-deformatie prezinta o evolutie de intarire puternica, numai dupa ce deformatia ajunge la 100%. La aceasta valoare majoritatea otelurilor sunt deja fracturate, numai otelurile moi, fiind capabile sa ajunga la valori superioare. Posibilitatea utilizarii poliureei fost deja studiata de catre membrii consortiului. Teste de poligon pe o structura de dimensiuni reduse (o placa incastrata cu o masa mare distribuita pe perimetru) arata ca, la nivelul de energie al exploziei care produce fracturi catastrofale in placa de otel de blindaj, placa realizata din otel de blindaj si poliuree rezista exploziei, fara nici o fracturare a otelului, desi structurii i s-a adaugat mai putin de 10% masa suplimentara. iar stratul de poliuree fost pulverizata pe fata supusa exploziei, vezi figura urmatoare.

Fig. I.1.9 Configuratie de testare(st) placa de otel post-test (cen), poliuree/otel post-test (dr)

Cu toate acestea, exista loc pentru imbunatatiri, deoarece materialul trebuie sa asigure protectie atat impotriva undei de soc cat si a schijelor. Proprietatile mecanice bune ale poliureei trebuie adaptate eficient, pentru a oferi o imbunatatire maxima a raspunsului stratului de baza (placa de otel). Pentru a atinge acest obiectiv una din solutii este obtinerea de nanocompozite. Un nanocompozit este un material solid multifazic in care una din faze are una, doua sau trei dimensiuni mai mici de 100 nanometri (nm), sau materiale cu structuri ce contin faze diferite, ce se repeta la distante la nano-scara. In prezent, materiale nanocompozite cu matrice din poliuree nu au fost abordate suficient in literatura de specialitate si acest lucru va reprezenta unul dintre obiectivele acestui proiect.

Recent, silicati stratificati, nanotuburile de carbon si nanostructurile de grafen au atras interesul atat a mediului academic cat si industrial, datorita capacitatii lor de a produce o imbunatatire dramatica a proprietatilor mecanice la un continut foarte scazut de umplere. În literatura de specialitate au apaut studii care vizeaza compozitele cu matrice de poliuree ranforsata cu nanotuburi de carbon. Din fig. I.1.10 se poate observa ca pentru un compozit cu matrice de poliuree si 0.35% MWCNT valoarea tensiunii este cu pâna la 20% mai mare, însa se rupe ceva mai repede, dupa cum se poate observa în Tabelul I.1.2 I.1.2.

Fig. I.1.10- Grafic comparativ efort - deformare PU / compozite cu PU [21]

Tabelul I.1.2 - Proprietati mecanice PU / compozit PU+MWCNT

In aceasta propunere de proiect, ne vom concentra pe studii experimentale si modelarea computationala

a nanocompozitelor polimerice destinate pentru protectia pasiva a structurilor de podea a vehiculelor. Materialul analizat in acest proiect va consta intr-o matrice de poliuree imbunatatita prin diferite cantitati de nanoparticule.


Diferite tipuri de ranforsari vor fi utilizate pentru a fabrica nanocompozitele polimerice printr-o serie de diverse metode. Mai multe teste de tractiune vor fi efectuate in regim cvasi-static si dinamic pentru a evalua si a caracteriza comportamentul materialelor studiate pentru a alege protocolul de fabricatie corespunzator si imbunatatirea adecvata. Daca modificarile mentionate mai inainte nu vor reduce considerabil zona in care se produce delaminarea dintre otel si poliuree in timpul incarcarii prin exploziei, chiar si dupa o pregatire corespunzatoare a suprafetei otelului, ca un plan de rezerva va fi testata o solutie, care va presupune sudarea unei retele de grinzi de placa de otel si de pulverizare de poliuree peste ea. Metode de testare si evaluare

La detonatia unei incarcaturi explozive aflata pe sol, sub vehicul, energia chimica eliberata se transforma in energie mecanica transportata prin aer sub forma unei unde de soc. Actiunea presiunii pe podeaua vehiculului are ca efect atat deformarea acestei, prin bombare, cat si accelerarea intregului vehicul datorita reactiunilor care apar intre podea si restul structurii. Gazele aflate intre sol si podeaua vehiculului nu se evacueaza imediat, continuand sa actioneze asupra acestuia inca o perioada pana ajung la presiunea mediului ambiant. Acest fenomen duce la marirea impulsului transmis vehiculului. Accelerarea initiala a podelei, insotita de deformarea acesteia, induce o crestere a presiunii in interiorul vehiculului datorita undei ce apare prin accelerarea aerului in contact cu podeaua.

Complexitatea fenomenului descris mai sus face imposibila o abordare strict analitica in procesul de stabilire a nivelului de protectie oferit de un vehicul ocupantilor sai, fapt ce a condus in primul rand la stabilirea unor standarde de testare practice [STANAG 4965 "Protection Levels for Occupants of Logistic and Light Armored Vehicles"] si la o abordare numerica pe baza simularilor acestor fenomene cu ajutorul unor software de elemente finite cu solvere explicite: Ls-Dyna, Autodyn sau Abaqus.

Fig. I.1.11 Modelul geometric şi discretizat în ICEM CFD pentru Nivelul 3a/3b

Fig. I.1.12 Poziţionarea explozivului conform AEP-55 Vol. 2


Fig. I.1.13 Testarea nivelului 3b de protecţie la acţiunea minelor Testarea completa a unui vehicul, asa cum se prevede in standardul NATO, este o operatiune costisitoare

implicand resurse materiale si echipamente scumpe (vehicul in forma finala, manechine si senzoristica) fapt ce a impus introducerea in practica a unor pasi intermediari, constand in teste simple si la scara redusa pentru studiul fenomenului si a noilor solutii analizate , in care, pentru masurarea deplasarilor si deformatiilor, se folosesc solutii de masurare simple de tipul structurilor “crushable”.

Realizarea la scara a testelor este posibila in primul rand datorita faptului ca studiile experimentale au demonstrat ca fenomenul de generare si propagare a undelor de soc in aer prin detonatia explozivilor permite utilizarea unui factor de scalare Z, reprezentad raportul dintre distanta fata de centrul exploziei si radicalul de ordinul trei din masa explozivului. Astfel toti parametrii importanti, suprapresiunea, impulsul specific, timpul de ajungere (de sosire), durata fazei pozitive si forma pulsului pentru un punct aflat la o anumita distanta de explozie pot fi calculati cu ajutorul acestui factor si a exploziei de referinta (1 kg de TNT). Mai mult, teste la scara cu actiunea undei de soc produse la explozie, cu incarcatura burata sau nu, pe structuri simple de tip placa demonstraza potentialul metodei de scalare. O concluzie finala cu privire la analiza state-of-the-art a subiectului proiectului este existenta a mai multe directii de cercetare prin care se cauta de catre comunitatea de specialisti metode de imbunatatire a nivelului de protectie a vehiculelor si a ocupantilor sai. Nu exista o singura cale pentru o solutie optima, numeroase initiative si solutii inovatoare propuse fiind studiate in ultimii ani, aratand rezultate promitatoare, dar, de asemenea, dezavantaje. In cdrul studiului s-au identificat principalele categori de materiale ce se preteaza a fi folosite in protectia la explozii. De asemenea se remarca faptul ca procesul de testare a solutiilor este unul complex care implica teste de laborator, teste la scara redusa si simulari numerice cu soft-uri profesionale.

• Activitatea I.2 Preparari preliminare ale noilor retete de poliuree - Partea I Acest prim studiu experimental a vizat efectuarea unor teste preliminare în vederea stabilirii unei retete

pentru poliuree. Au fost preparate mai multe retete de poliuree, dintre care, una a fost aleasa pentru a fi supusa unor încercari

de tractiune. Pentru aceeasi reteta de poliuree s-a încercat si obtinerea unui compozit cu particule core-shell de tip Fe3O4/Nylon, care a fost deasemenea supus unor încercari de tractiune.

Materiale: Poly(propylene glycol) bis(2-aminopropyl ether), Mw≈ 2000g/mol, Sigma-Aldrich; polyisocyanate MDI Desmodur® (31,5-32,5% grupari NCO); benzidina; acetona; pilitura de fier; FeCl2; HCl conc.; sol. NH3 (25%);apa distilata; metanol; eter etilic.

Sinteza 1: Obtinerea poliureei

Poliuree Compozitia A Compozitia B

1,1 g Poli(propilen glicol) bis(2-aminopropil eter) – (PPG) 0,45 g metilen diizocianat – (MDI) 0,4 g benzidina 7 ml acetona 7 ml acetona


Reactivi: Mod de lucru: Se solubilizeaza PPG si benzidina în acetona iar într-un alt recipient se solubilizeaza si MDI, tot în acetona.

Se toarna apoi Compozitia A peste Compozitia B, se amesteca energic câteva secunde apoi solutia rezultata este transvazata într-un vas Petri. Dupa finalizarea reactiei si evaporarea completa a solventului se obtine un film omogen de poliuree (Fig. I.2.1).

Fig. I.2.1– Film poliuree

Sinteza 2: Obtinerea particulelor core-shell Fe3O4/nylon 2.1. Obtinerea nanoparticulelor de magnetita (Fe3O4) Reactivi:

Fe3O4

1 g pilitura de fier 10 ml apa distilata

5 ml HCl conc. 2 g FeCl2

50ml apa distilata 10 ml NH3 (25%)

Mod de lucru: Pilitura de fier împreuna cu apa si HCl conc. se mentin sub agitare timp de 10 min. Într-un alt vas se

solubilizeaza FeCl2 în apa. Dupa ce sunt filtrate, cele doua solutii sunt amestecate prin sonicare, timp în care se adauga si amoniacul. Precipitatul se spala cu apa distilata.

2.2. Obtinerea particulelor core-shell Reactivi:

Fe3O4/nylon 0,5 g Fe3O4

500 ml apa distilata 50 ml solutie 2% nylon în acid formic

Mod de lucru: Magnetita se disperseaza în apa prin sonicare si în acelasi timp se adauga prin picurare solutia de nylon.

Precipitatul obtinut se spala cu apa distilata, metanol si eter. Sinteza 3: Obtinerea unui compozit poliuree + particule core-shell Fe3O4/nylon Reactivi:

Poliuree + Fe3O4/nylon Compozitia A Compozitia B

1,1 g Poli(propilen glicol) bis(2-aminopropil eter) – (PPG) 0,45 g metilen diizocianat– (MDI) 0,4 g benzidina 7 ml acetona

0,1 g Fe3O4/nylon 7 ml acetona


Mod de lucru: Se solubilizeaza PPG si benzidina în acetona iar apoi în aceasta solutie se disperseaza particulele de

Fe3O4/nylon prin sonicare. Într-un alt recipient se solubilizeaza si MDI, tot în acetona. Se toarna apoi Compozitia A peste Compozitia B, se amesteca energic câteva secunde apoi solutia rezultata este transvazata într-un vas Petri. Dupa finalizarea reactiei si evaporarea completa a solventului se obtine un film de poliuree ranforsata.

Fig. I.2.2 - Poliuree cu particule Fe3O4/nylon Metode de studiu:

ÎNCERCARI MECANICE DE TRACTIUNE Pentru determinarea proprietatilor mecanice ale filmelor de poliuree obtinute acestea au fost supuse unor

încercari la tractiune. Testele au fost realizate în conformitate cu standardul SR ISO 37/2010 – „Cauciuc vulcanizat sau

termoplastic. Determinarea caracteristicilor de efort-deformaţie la tracţiune”. Pentru aceste încercari au fost folosite 5 epruvete dintr-un film de poliuree si 5 epruvete dintr-un film de

poliuree cu particule de Fe3O4/nylon, ilustrate în Fig. I.2.3.

Fig. I.2.3- Epruvete pentru încercari de tractiune (1-5 poliuree si 6-10 poliuree cu Fe3O4/nylon )

Rezultatele obtinute sunt prezentate în Fig. I.2.4 pentru poliuree respectiv în Fig. I.2.5 pentru poliuree cu Fe3O4/nylon.


Fig. I.2.4- Grafic tensiune-deformatie pentru poliuree

Fig. I.2.5- Grafic tensiune-deformatie pentru poliuree cu Fe3O4/nylon Concluzii: Rezistenta mecanica a retetei simple de poliuree, studiata, este una comparabila ce cele prezentate [n alte

studii din domeniu. Totusi pentru reteta cu particule Fe3O4, din cauza faptului ca particulele de Fe3O4/nylon nu au putut fi uniform dispersate, acest material compozit are proprietati mecanice mai slabe decât matricea de poliuree. Aglomerarea particulelor de Fe3O4/nylon a dus, de fapt, la aparitia unor micro-defecte în acest material, ceea ce a facut ca acestuia sa îi scada rezistenta mecanica.

Perspective: Pentru îmbunatatirea proprietatilor mecanice ale poliureei se vor cauta atât noi variante de sinteza cât si

noi variante de particule care vor putea fi uniform dispersate în matricea polimerica.

• Activitatea I.3 Caracterizare si Incercari mecanice ale materialelor metalice si a retetelor de poliuree. Modelare comportament mecanic a materialelor testate. Determinare modele constitutive - Partea I

In prezentul studiu am optat pentru o serie de incercari simple folosite pentru evaluarea proprietatilor materialelor de protectie si anume incercarea la tractiune uniaxiala si biaxiala, executate conform standardului ISO 6892-1.

Încercarea la tractiune, prin simplitatea sa de punere în aplicare, este utilizata pe scara larga si permite stabilirea legilor de comportament ale materialelor, prin stabilirea relatiei dintre tensiunile normale σ si deformatiile specifice ε. Testele pot fi executa la viteza de tragere constanta sau viteza de deformare constanta în cazul în care se poate masura variatia geometriei epruvetei.


Din studiul bibliografic efectuat s-a constatat faptul ca mijloacele traditionale de caracterizarea comportamentului mecanic al materialelor, si în special incercarea la tractiune uniaxiala, au multe limitari în acest context particular, al placilor solicitate prin explozie.

Combinatia de sarcini care apare la solicitarea prin explozie duce la crearea unei stari de tensiune biaxiala. Una dintre caracteristicile care se modifica în mod semnificativ odata cu raportul dintre σ1/σ2 este deformaţia la care are loc ruperea. Din acest motiv s-a impus efectuarea unor teste de tractiune biaxiala pe epruvete cruciforme. Testele de tractiune biaxiala directe pe epruvete cruciforme constau in aplicarea unei incarcari pe fiecare brat al epruvetei, o epruveta cruciforma permitand obtinerea unui camp uniform de tensiuni/deformatii pe o mare portiune din zona centrala.

Otelul ales pentru acest studiu este un OL50 ce are o larga aplicabilitate in realizarea de elemente de constructii mecanice supuse la solicitari mecanice ridicate. Compozitia sa chimica este prezentata in tabelul I.3.1 iar caracteristicile sale mecanice la 20°C in tabelul I.3.2:

Tabelul I.3.1 Compozitia chimica a OL50(%)

C Mn P S Clasa de calitate pe otel lichid

pe produs

pe otel lichid

pe produs

pe otel lichid

pe produs

pe otel lichid

pe produs

1a - ≈0,3 0,8 0,85 0,05 0,055 0,05 0,055 Continutul de siliciu este de maxim 0,4%.

Tabelul I.3.2 Caracteristicile mecanice ale OL50 la 20°C in functie de dimensiunea produsului Produse cu grosimea sau diamentru a, in mm

16a ≤ 16 40a< ≤ 40 100a< ≤ 100a ≤ - Clasa de calitate

Rp0,2(N/mm2)min. Rm(N/mm2) A5(%) 1a 290 280 270 490...610 21

Caracteristici importante sunt si: rezistenta la oboseala = 24..29 kgf/mm2, E=20,1*1010N/m2 si G=8,25*1010N/m2 si duritatea dupa tratmentul termic de revenire D=160..200 HB.

Rezultatele prelucrate pentru teste de tractiune uniaxiala este prezentat in figura urmatoare

Fig. I.3.1 Forta vs. deplasare


Fig. I.3.2 Tensiune vs. deformatie

In urma realizarii testului de tractiune biaxiala in regim cvasistatic, informatiile forta-deplasare

inregistrate de masina de incercari sunt redate in fig. I.3.3:

Fig. I.3.3 Evolutia temporala a fortei de tractiune pe fiecare axa a epruvetei

In urma efectuarii experimentelor se observa formarea unui „X” al tensiunilor tangentiale pe cele doua

directii, urmate de fenomenul de „failure” al otelului, insotite de ovalizarea zonei unde solicitarile sunt maxime conform figurii I.3.4.


Fig.I.3.4 Detaliu ruperilor epruvetelor dupa testul de tractiune biaxiala

Identificarea diferitilor parametri introdusi in legea de comportament aleasa a fost realizata pornind de la

rezultatele obtinute din seriile de incercari uniaxiale pe epruvete de sectiune constanta. Pentru materialul testat s-a optat pentru o lege de putere. Legea aleasa prezinta cea mai buna corelatie

intre model si datele experimentale. Legea este de forma:

( ) 130 ( )nx bσ ε= + ⋅

unde valorile parametrilor identificati sunt urmatoarele σ0=130MPa, b=545MPa (constanta numerica), n=0.106(exponentul de intarire). Aceasta lege este valabila doar pentru zona dinaintea gatuirii. Extinderea legii dincolo de zona în care apare gîtuirea gatuirii (εu=0.106) s-a facut prin ponderarea a doua legi, legea de putere şi legea liniara, cu factorul de pondere

w ((1 ) (1 )u

uu u

u

w w ε

εεσ σ ε εε

= + − + −

cu 0 1w≤ ≤

Factorul de pondere este determinat iterativ prin metoda elementelor finite pana cand se obtine o buna

concordanta intre curba de incarcare calculata is experimentala. In fig. urmatoare este prezentata evolutia legii constitutive identificate. Legea de intarire identificata pe

epruvetele uniaxiala va fi folosita ca referinta pentru testele de tractiune biaxiala.

Fig.I.3.5 Legea de material identificata pentru comportamentul materialului de baza


OL50 Modelarea testului de tacţiune biaxiala s-a realizat in programul LsDyna cu elemente tip Shell, tipul de

analiza fiind implicit. În urma discretizarii epruvetei cruciforme folosita in testul de tractiune biaxiala, s-au obţinut 30572 noduri, 29872 elemente solide patratice (de tip quad). Reţeaua rezultata în urma discretizarii structurilor este cea prezentata în fig. urmatoare. Dimensiunea elementelor a fost de 0,5 mm in zona de solicitare maxima si 1mm in celelate zone.

Fig I.3.6 Discretizarea epruvetei cruciforme cu detaliu pe zona afectatata de solicitarea dinamica

Ca si in cazul simularii testelor de tractiune uniaxiala am folosit conditia de ADAPTIVE_MESH pentru

rafinare in zona de interes cu conditia de grosime a elementului shell, iar tipul de model de material utilizat a fost MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY, datele folosite fiind cele validate prin testul uniaxial. O modificare semnificativa faţa de testuluni axial a reprezentat-o stabilirea unei alte limite de rupere. Aceasta a fost stabilita la εr = 0,84.

Pentru definitia miscarii au fost folosite 4 seturi de noduri. In figurile urmatoare sunt prezentate evolutiile campului tensiunilor echivalente Von mises si ale

deformatiilor plastice echivalente pentru diferite momente ale testului cvasistatic. Se poate observa formarea planelor de tensiune tangentiala

Fig. I.3.7 Campul tensiunilor Von mises si campul deformatiilor plastice echivalente la

t=0,0015s


Fig.I.3.8 Campul tensiunilor Von mises si campul deformatiilor plastice echivalente la

t=0,00193s

Fig.I.3.9 Campul tensiunilor Von mises si campul deformatiilor plastice echivalente la

t=0,00273s In figura urmatoare se poate observa ovalizarea similara si ruperea epruvetelor atat in testele

experimentale cat si in simularile numerice, in zona centrala.

Fig.I.3.10 Detaliu in zona ruperii pentru testul la viteza de 1mm/s

Figura urmatoare reprezinta comparatia dintre evolutia temporala a eforturilor masurate pe cele doua axe

si si cea obtinuta prin simulare numerica, similaritatea acestora validand legea constitutiva aleasa.


Fig. I.3.11 Validarea legii de material pentru testele biaxiale in regim cvasistatic

Ca o concluzie pentru activitatea I.3 metoda de lucru stabilita permite, cu ajutorul MEF, identificarea

legilor de material si calibrarea coeficientilor acestora si pentru zona dincolo de momentul gatuirii. Astfel se identifica si valorile deformatiilor pentru care are loc ruperea materialului in functie de starea de triaxialitate. Metoda va fi folosita si in studierea altor metale luate in calcul pentru tema proiectului.

• Activitatea I.4 Testarea mecanica in regim dinamic a mostrelor de poliuree si a materialelor metalice si determinarea modelelor constitutive asociate - Partea I

Pentru a caracteriza comportamentul OL50 la solicitari dinamice, s-au realizat incercari de tractiune uniaxiala pe o singura directie in raport cu directia de laminare (la un unghi de 90°). Incercarile in regim dinamic s-au efectuat la vitezele constante de 1m/s si 2m/s, vitezele de deformare rezultate fiind de 10 s-1, respectiv 20 s-1. Rezultatele experimentale privind forta inregistrata sunt afectate pe prima portiune de efectele de inertie, vezi figura urmatoare, fapt ce a impus o prelucrare matematica a semnalelor.

Fig.I.4.1 Curba experimentala forta deplasare pentru testul la viteza de 1m/s

Rezultatele obtinute dupa prelucrare au permis determinarea evolutiei fortei odata cu deplasarea si

determinarea maximului fortei. Prelucrarea ulterioara a acestor date a condus la obtinerea diagramei σ(ε).


Fig. I.4.2 Forta vs. deplasare

Fig. I.4.3 Tensiune vs. deformatie

Pentru extinderea legii de material dincolo de punctul de gatuire s-a procedat in mod similar cu cazul testelor in domeniul cvazi-static.

Simularea numerica a testului de tractiune uniaxial pentru epruvetele de referinta simple scurte s-a realizat în LsDyna, tipul de analiza fiind unul explicit.

Parametrii de material determinati anterior sunt introdusi in modelul numeric. S-a optat pentru modelul de material: MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY iar ca criteriu de rupere a fost folosit criteriul nr I, criteriul deformatiilor echivalente.

În urma discretizarii epruvetei folosita in testul de tractiune, s-au obţinut 16071 noduri, 15600 elemente solide patratice (de tip quad). Reţeaua rezultata în urma discretizarii structurilor este cea prezentata în fig. urmatoare. O discretizare particulara fina este adoptata in centrul epruvetei unde sunt localizate deformatiile cu conditia ADAPTIVE_MESH. Pentru definitia miscarii a fost folosit 1 set de noduri.

I.4.4 Discretizarea epruvetei uniaxiale cu detaliu pe zona afectatata de solicitarea dinamica


In fig.I.4.5 sunt prezentate modurile de rupere ale epruvetelor pentru cele doua viteze testate. Se observa ruperea ductila la unghi similara cu cea obtinuta in testele experimentale.

a b

Fig. I.4.5 Modelul de rupere pentru elemente de tip shell 2D: a-test la 1m/s, b-test la 2m/s Din simularile efectuate sunt extrase date referitoare la evolutia curbei forta- deplasare, iar in figura I.4.6

sunt prezentate impreuna cu evolutiile curbelor obtinute din testele exprimentale la viteza de 2m/s. Se poate observa similitudinea celor 4 curbe (3 experimentale si 1 numerica), fapt ce valideaza legea de material identificata experimental pentru testele de tractiune uniaxiala.

Fig. I.4.6 Validarea legii de material pentru testele uniaxiale in regim dinamic (la 2m/s)

Ca o concluzie pentru activitatea I.4, metoda de studiu dezvoltata pentru domeniul de incarcare statica

s-a dovedit valabila si pntru domeniul incarcarilor dinamice. Datele obtinute astfel permit abordarea in viitor a modelarii fenomenelor care au loc la momentul detonatiei unei incarcaturi explozive dispusa in proximitatea unor placi metalice.

In cadrul Etape I studiile teoretice si practice au condus la identificarea categoriilor de materiale ce vor fi folosite in continuare in proiect, precum si la definirea unor metode de lucru viabile pentru determinarea caracteristicilor materialelor. Aceste informatii vor fi folosite in etapele urmatoare ale proiectului.

activitatea i.1 si materiale neconventionale. metode de ... - etapa 1.pdf · tehnologii active de...

Documents