PROTHEIS 2014

1

Universitatea POLITEHNICA din BUCURETI

Agenia de Cercetare pentru Tehnica i Tehnologii Militare (ACTTM)

STIMPEX S.A.

SISTEME DE PROTECTIE IMPOTRIVA IMPACTURILOR DE

ENERGIE MARE SI A EXPLOZIILOR FOLOSIND MATERIALE

POROASE IMBIBATE CU LICHIDE

Contract PN-II- Nr. 287

Faza 2014

Raport tiinific i tehnic

DIRECTOR: Prof. dr. ing. Traian CICONE

PROTHEIS 2014

2

Cuprins

1. SOLUII CONCEPT PENTRU SAC ........................................................................................... 4 2. IDENTIFICAREA MATERIALE POROASE CANDIDATE .................................................. 5

2.1. DEFINIREA CERINELOR MATERIALELEOR ........................................................................... 5 2.2. CARACTERIZAREA MATERIALELOR CANDIDATE ................................................................ 7 2.3. DETERMINAREA PROPRIETILOR MATERIALELOR ........................................................... 9

3. IDENTIFICAREA FLUIDELE CANDIDATE ............................................................................ 9

3.1. DEFINIREA CERINTELOR FLUIDELOR CANDIDATE .............................................................. 9 3.2. CARACTERIZAREA FLUIDELOR CANDIDATE ......................................................................... 9 3.3. DETERMINAREA PROPRIETILOR FLUIDELOR CANDIDATE ......................................... 10

4. EVALUAREA EXPERIMENTAL A CAPACITII DE AMORTIZARE LA VITEZ REDUS .........................................................................................................................................................11

4.1. EXPERIMENTE REALIZATE LA COMPRESIUNE CU VITEZ CONSTANT ..................... 11 4.2. EXPERIMENTE LA IMPACT CU ENERGIE REDUS ............................................................... 13

5. SIMULAREA CONDITIILOR EXPERIMENTALE DIN POLIGON ................................... 16 6. CONCLUZII GENERALE .......................................................................................................... 18

BIBLIOGRAFIE ............................................................................................................................................ 18 DISEMINAREA REZULTATELOR ............................................................................................................ 18

Notaii F - fora;

g - acceleraia gravitaional;

h- grosimea materialului;

H - nlimea de cdere a pendulului;

R raza eantionului testat;

v - viteza;

- porozitatea materialului;

viscozitate;

permeabilitatea;

compactitatea;

Indici :

0 iniial;

exp experimental.

PROTHEIS 2014

3

REZUMAT

Aa cum este prevzut n planul de realizare pe anul 2014, activitile din acest an au fost dirijate spre definirea nucleului celulei de amortizare (nucleul SAC). Din acest obiectiv principal, au fost derivate urmtoarele obiective:

1. Definirea unor soluii concept pentru celula de amortizare

2. Identificarea cuplurilor de materiale format din structur solid poroas i fluidul asociat din componena celulei SAC.

3. Definirea unor soluii de capsulare n interiorul celulei SAC;

4. Definirea unor modele de simulare numeric a experimentelor realizate prin impact de mare energie n condiii de poligon ("experimente numerice").

Pentru realizarea acestor obiective, au fost realizate urmtoarele activiti:

a) S-a analizat problematica impactului asupra echipamentelor de protecie (uman i a infrastructurii) definindu-se caracteristicile principale din punct de vedere ale energiei i vitezei la impact al suprafeei impactate precum i standardele de protecie i siguran n vigoare.

b) S-au propus dou soluii concept diferite pentru SAC, pornind de la particularitile diferitelor situaii de protecie balistic; acestea au fost caracterizate i asociate cu aplicaiile posibile.

c) S-au definit i analizat, din punct de vedere funcional i tehnologic soluiile de capsulare propuse, pentru fiecare dintre soluiile concept de SAC.

d) S-au identificat materialele poroase de interes:

S-au definit cerinele pentru materialele cu structur poroas.

S-au identificat i definit structural materialele candidate pentru a fi testate.

S-au analizat materialele candidate din prisma aplicaiilor n protecia balistic.

S-au evaluat experimental principalele proprieti fizico-chimice de interes, respectiv densitatea, porozitatea, compresibilitatea.

e) S-au identificat fluidele de interes:

S-au definit cerinele pentru fluide.

S-au identificat i definit fluidele candidate pentru a fi testate.

S-au analizat fluidele din prisma aplicaiilor n protecia balistic.

S-au evaluat experimental i/sau teoretic principalele proprieti fizico-chimice de interes, respectiv densitatea, vscozitatea, comportamentul reologic i tensiunea superficial.

f) S-au selecionat cupluri de materiale care au fost ulterior evaluate din punct de vedere al capacitii de amortizare prin dou experimente de laborator simple, rapide i nedistructive.

g) S-au efectuat experimente de evaluare a permeabilitii n condiii statice (la presiuni reduse) precum i n condiii dinamice (compresiune la viteze mici); s-a remarcat c porozitatea, i la rndul ei, permeabilitatea, variaz cu compresiunea.

h) S-a evaluat comparativ capacitatea de amortizare a cuplurilor de materiale candidate (structur poroas + fluid) n condiii de vitez constant (1-10 mm/s). Aceste experimente au permis evaluarea ambelor soluii concept de SAC.

i) S-au evaluat cuplurile de materiale n condiii de impact cu viteze i suprafee de contact reduse pe standul de ncercri pendular la impact din Laboratul UPB.

j) S-au dezvoltat i calibrat dou modele de simulare numeric pentru impact cu un corp cilindric, respectiv cu und de oc. Aceast activitate premergtoare testelor finale din poligon a fost absolut necesar pentru reducerea eforturilor i a cheltuielilor n faza de experiment propriu-zis.

Prin aceste activiti au fost ndeplinite n totalitate obiectivele propuse fiind identificate cuplurile de materiale care vor fi testate n continuare, soluiile concept i de capsulare ale SAC, precum i modelele de simulare numeric ale experimentelor din poligon.

PROTHEIS 2014

4

INTRODUCERE

Obiectivul final al proiectului este realizarea unui sistem de protecie suplimentar mpotriv impactului de

mare energie, bazat pe efectul disipativ al structurilor poroase, deformabile, mbibate cu fluide. Absorbia

energiei de impact se datoreaz interaciunii dintre fluidul mbibat n porii structurii. Procesul a fost pus n

eviden recent, att experimental ct i teoretic, n urm unor cercetri fundamentale dezvoltate n cadrul

UPB. Experimentele realizate au demonstrat capacitatea de amortizare n condiii de impact cu fore i

energii reduse, pentru cteva materiale poroase i fluide.

n cadrul prezentului proiect se urmrete evoluia de la stadiul de cercetare fundamental spre cea aplicativ,

prin urmtorii pai:

(i) determinarea unor cupluri de materiale (structur poroas + fluid) care s asigure condiii de

disipare maxim a energiei n condiiile cerinelor tehnologice, economice i de compatibilitate cu

aplicaiile speciale;

(ii) stabilirea unor soluii de capsulare a cuplului structur poroas + fluid, compatibile cu

diferitele aplicaii, realizabile tehnologic n condiii de eficien economic.

1. SOLUII CONCEPT PENTRU SAC

Sistemul de protecie suplimentar pentru atenuarea efectelor impactului de mare energie trebuie s rspund

unui numr mare de cerine printre care: adaptarea la orice suprafaa (conformabilitate), posibilitatea "croirii"

n orice form, rezistent mecanic, stabilitate termic i temporal etc. Multe alte cerine sunt analizate

separat la alegerea materialelor componente (structur poroas + fluid).

Abordarea problematicii impactului de mare energie este extrem de divers i cuprinde diverse forme de

impactori, precum: gloanele i schijele, und de oc sau lovituri cu obiecte contondente. Dac primele dou

forme au efect asupra personalului i infrastructurii, cea din urm este specific doar personalului. Din punct

de vedere al formei impactului, distingem dou cazuri diferite: contact dispersat pe o suprafa de impact

relativ extins i contact concentrat. Primul caz este caracteristic impactului cu und de oc, iar cel de-al

doilea este tipic impactului cu glon, schij sau obiect contondent.

Modul de evaluare a efectului de amortizare difer de la o aplicaie la alta, ca de exemplu:

amprentarea - soluie utilizat la evaluarea proteciei asupra corpului uman;

msurarea forei i acceleraiei la nivelul corpului impactat.

Clasele de testare a efectului amortizrii pot fi definite n funcie de viteza de impact; se disting:

(a) v ~ 1 m/s -impact de energie redus ("soft") realizat pe standul de ncercri la impact din UPB;

(b) v~ 10 m/s -impact de energie medie ("medium") realizat n UPB cu bile n cdere liber;

(c) v~ 100 m/s -impact de energie mare ("mild") realizat cu tunul Taylor sau bar Hopkinson;

(d) v> 100 m/s - impact de energie foarte mare ("extreme") realizat n poligon cu muniie real.

Dup o analiz de amploare a unui set de soluii concept posibile, pentru prezentul proiect s-au reinut dou

dintre acestea, ambele bazate pe realizarea unui strat protector deformabil (comformabil) de grosime redus

(3-6 mm) format din asamblarea a mai multor celule elementare de amortizare (SAC) cu form geometric

regulat (hexagon, ptrat, etc.) prezentat n Fig. 1. Fiecare SAC este format din trei componente:

(a) structur poroas foarte deformabil; (b) fluid; (c) membran de protecie a celor dou componente.

Soluia V1 : SAC cu structur omogen n care materialul poros este complet mbibat cu lichid. n

aceast variant, n timpul procesului de amortizare, comprimarea structurii n timpul impactului necesit

expulzarea fluidului mbibat n exteriorul acesteia n trei variante posibile:

V1-a - Fluidul expulzat produce deformarea membranei care este elastic i rezistent;

V1-b - Fluidul expulzat este acumulat ntr-o zon tampon prevzut la extremitatea SAC (Fig. 2)

V1-c - Fluidul este expulzat n exterior printr-o serie de micro-supape prevzute pe suprafaa

membranei.

PROTHEIS 2014

5

n timp ce primele dou variante pot fi utilizate repetat, cea de-a treia este o soluie de "unic folosin".

Fig. 1 Matricea SAC Fig. 2 ncapsularea SAC folosind zona tampon

Soluia V2 : SAC cu structur format din materialul poros uscat i un rezervor de fluid plasat n

poziie central. n aceast variant de structur ne-omogen la nivel macro (Fig. 3), fluidul folosit trebuie

s-i menin poziia central ceea ce presupune dou soluii de principiu:

V2-a - Fluidul este sub form de past sau gel cu prag de curgere care asigur portan static

ridicat;

V2-b - Fluidul este meninut n zona central cu ajutorul unei membrane sensibile, care se distruge la

iniierea impactului elibernd fluidul coninut. Fluidul poate fi introdus n zona central mbibat n

corpuri sau discuri dintr-un alt material poros.

Menionam c cele dou soluii de principiu (V1 i V2) sunt utilizabile n funcie de particularitile

aplicaiei dorite. De exemplu, n cazul unui impact cu o suprafaa de contact redus, variant V2 necesit

plasarea SAC ntre dou suprafee rigide care s asigure distribuia forei de impact pe o suprafaa extins,

compensnd ne-omogenitatea structural.

2. IDENTIFICAREA MATERIALE POROASE CANDIDATE

Echipamentele de protecie balistic sunt purtate de militari, politiiti, personalul care intervine n caz de

urgen (ex: pompieri, personal ambulant) sau personal civil precum ageni de paz. n contextul militar

modern, echipamentul de protecie individual include: veste antiglon (care n principal protejeaz toracele),

cti balistice (acoper craniul), protecie pentru fa i ochi sub form de ochelari sau vizoare, costume EOD

pentru echipe de dezamorsare bombe sau scuturi balistice.

2.1. DEFINIREA CERINELOR MATERIALELEOR

Materialele utilizate pentru amortizarea suplimetar a ocurilor n cazul unei veste antiglon i a ctilor

pentru protecie trebuie s posede urmtoarele proprieti:

o Pori deschii (comunicani); o Maleabilitate (deformabile) - uor de adaptat la suprafee complexe; o Greutate redus; o Asigurarea unei amortizri bune n cazul ocurilor; o Neimflamabilitate; o Rezisten mecanic a structurii , astfel nct expulzarea fluidului sa nu distrug structura poroas;

Fig. 3- SAC V2 - Material poros cu rezervoare de fluid

zona tampon

Matrice SAC

SAC

PROTHEIS 2014

6

o Stabilitate n timp; o Asigurarea unui confort termic optim pentru utilizator; o Pre redus

Funcie de utilizare, pentru personalul uman sau vehicule militare, selecia materialelor utilizate n fabricarea

echipamentelor ia n considerare o serie de proprieti care trebuie s asigure mobilitate, durat de via

crescut, supravieuire i capacitate ridicat de lupt n medii ostile. Echipamentele de protecie balisitic

trebuie s fie uoare, compacte, durabile i performante. Cerinele pentru materialele de protecie balistic

sunt complexe i prin urmare apar o serie de imcompatibiliti pe care cercetrile n domeniu ncearc s le

rezolve.

O CARACTERISTICI FIZICE

Caracteristicile fizice ale materialului fac referire la o list de proprieti selectate din punctul de vedere al

echipamentelor de protecie balistic individuale sau pentru vehicule. Pentru c orice sistem de protecie

nseamn o greutate suplimentar pentru lupttor/vehicul militar, masa materialelor mbibate influeneaz

direct mobilitatea i poate duce la reducerea capacitii de lupt. Deoaerce echipamentele intr n echiparea

unui lupttor, exist limitri i asupra volumului.

Pentru echipamentele care intr n contact cu corpul uman este important ca acestea s fie confortabile i s

nu limiteze micrile lupttorului. Confortul trebuie asigurat i din punctul de vedere al transferului

umiditii i cldurii cu mediu nconjurtor. Definirea acestor parametrii se face n funcie de clima i

domeniul de temperaturi n care se desfoar misiunea de lupt. Legat de faptul c echipamentul se poate

afla n contact intim cu pielea uman, este obligatoriu ca toate substanele din compunere s nu fie toxice,

nocive sau s pericliteze n orice fel sntatea corpului uman.

Deoarece n echiparea lupttorilor sau a vehiculelor militare se gsesc sisteme care conin substane

inflamabile i explozive, foarte sensibile la descrcri electrice, materialele trebuie s fie antistatice i s fie

conductoare slabe de curent electric.

O CARACTERISTICI DE MEDIU

Operaiunile de lupt, se pot desfura n cele mai diferite locaii, de la deert uscat pn n zone umede

tropicale, i ntr-o palet larg de temperaturi. Prin urmare, materialul trebuie s fie stabil dimensional i

rezistent. Variaia temperaturii poate afecta proprietile balistice ale materialului prin variaia densitii i

modificarea formei, permanent sau nu, prin dilatare sau contractare. Materialele necapsulate, expuse n

atmosf cu vapori de ap pot suferi modificari ale structurii chimice prin intermediul proceselor de oxidare,

iar prezena apei poate altera modul de desfurare al fenomenelor care stau la baza amortizrii impactului

sau a undei de oc. Pentru c aceste materiale, de obicei, intr n structura straturilor exterioare, expunerea la

lumina solar poate duce la modificri fizico-chimice.

Pentru toate materialele utilizate, este necesar analizarea impactului asupra mediului. Tendinele actuale

conduc la utilizarea de materiale biodegradabile. Acestea permit scoaterea din uz cu efecte nocive minime

asupra mediului nconjurtor dac sunt ngropate sau aruncate pe cmpul de lupt.

O CARACTERISTICI DE CAMUFLARE

n contextul actual exist o mulime de sisteme de observare i detecie a inamicului care folosesc diferii

senzori capabili s capteze radiaia electromagnetic pentru un domeniu larg. Materialele utilizate nu trebuie

s produc zgomote att pentru urechea inamicului ct i n faa sistemelor de detecie cu microfoane. n

spectrul vizibil, problemele legate de camuflaj pot fi rezolvate prin vopsire. Totui n spectru termal,

emisivitatea materialelor trebuie s fie ct mai apropiat de a elementelor din fundal. Cerine suplimentare

pot fi emise pentru sisteme care intr n dotarea vehiculelor militare privind spectrul radar.

O CARACTERISTICI DE PROTECIE LA FOC, CLDUR I ALTE PERICOLE

Ameninrile de tip balistic nu sunt singurele de pe cmpul de lupt. Lupttorul poate fi supus la atacuri

chimice, cu flacr deschis sau cldur intens. Este de dorit ca sistemul de protecie s reprezinte un fel de

scut n faa substanei chimice atacatoare sau a flcrilor deschise. Materialul trebuie s fie neinflamabil i

termo-izolant. Pentru materialele n contact cu pielea, aceste trebuie s fie rezistente la topire. Aceast

proprietate se poate defini ca o rezisten la temperaturi nalte. Pentru echipamentele care se folosesc n spaii

PROTHEIS 2014

7

nguste, trebuie analizat emisiile de fum i toxicitatea produilor de combustie. Suplimentar se mai poate

solicita protecie la sisteme de arme cu energie direcionat sau radiaie nuclear.

O CARACTERISTICI ECONOMICE

Deoarece pe lng performane, un alt criteriu care este determinant n selectarea unui sistem de protecie

balistic este reprezentat de costuri, este necesar definirea caracteristicilor care care influeneaz costul de

achiziie i ntreinere. Materialele trebuiesc s fie uor de ntreinut i reparat. Echipamentele aflate n

dotarea forelor armate trebuie s ndeplineasc cerine legate de stocarea pe termen lung i pregtire minim

nainte de utilizare.

O CARACTERISTICI SPECIFICE PROTECIEI BALISTICE

Un material utilizat n protecia balistic trebuie s fie capabil s opreasc atacul unui fragment care se

deplaseaz cu vitez mare, de tip schij sau glon, sau s reduc efectele distructive ale suprapresiunii

generate de trecerea unei unde de oc. Fragmentele se mpart n trei categorii: fragmente balistice care rezult

din explozia bombelor, grenadelor, i a altor dispozitive explozive; gloane cu vitez mare trase de arme cu

calibru cuprins ntre 5,56mm i 12,7 mm; gloane cu vitez mic trase de pistoale, revolvere sau puti de

vntoare. Suplimentar, echipamentele de protecie balistic individuale de tipul vestelor trebuie s asigure

protecie i mpotriva lamelor de cuit, sabie i alte arme sau proiectile ascuite. Sistemele care asigur

protecie ridicat la toate categoriile de proiectile n general nu sunt performante din punctul de vedere al

proteciei la unde de oc. Mecanismele implicate n oprirea fragmentelor i n atenuarea undelor de oc sunt

diferite i prin urmare este foarte dificil de proiectat un material care s fie capabil s funcioneze n ambele

cazuri. Materialele pentru protecia balistic la unda de oc sunt capabile s atenueze unda de oc prin

intermediul unor mecanisme care convertesc energia undei de oc n cldur prin frecare vscoas sau

deformare.

n acest context, partenerul P1 a analizat materialele candidate n raport cu caracteristicile precedente i le-a

sintetizat comportamentul sub form tabelar exprimate prin atribute/calificative.

2.2. CARACTERIZAREA MATERIALELOR CANDIDATE

O MATERIALE TEXTILE ESUTE

estura este un produs textil, realizat prin mbinarea n unghi drept a cel puin dou sisteme de fire: un

sistem dispus longitudinal denumit urzeal i un sistem dispus transversal denumit bttur (Fig. 4: T01 -

T04. Acestea sunt caracterizate de structuri ordonate.

O MATERIALE TEXTILE NEESUTE

Metodele clasice de obinere a produselor textile neesute sunt tricotajul, brodarea sau mpslirea. Acestea

au ca suport un strat format din fibre scurte, filamente sau fire filamentare continue, consolidate prin diverse

procedee mecanice, fizico-chimice sau o combinaie a celor dou. Consolidarea termic se aplic straturilor

fibroase cu coninut de fibre termoadezive, care formeaz puncte de sudur ntre ele, precum i puncte de

sudur ntre ele i celelalte fibre. Consolidarea prin cureni de nalt frecvent se aplic straturilor fibroase cu

coninut de fibre cu proprieti dielectrice. Materialele alese sunt obinute prin presarea fibrelor de celuloz

(Fig. 4: NT01-NT04).

O SPUME POLIURETANICE RETICULATE

Dintre spumele poliuretanice de interes sunt prezentate mai jos spumele poliuretanice pentru filtrare fluide

comercializate de firma EUROFOAM (Fig. 4: F133, F280, F450). Familia FILTREN cuprinde spume

poliuretanice reticulate, pe baz de polieteri, cu pori deschisi. Aceast structur este obinut printr-un proces

de reticulare termic, prin care orice membran care rmne n urma formrii spumei este topit. Obinut

din polieteri, spumele din familia FILTREN rmn stabile n ap i nu sunt toxice. Proprietile acestora sunt

prezentate in Tabelul 1.

PROTHEIS 2014

8

Tabel 1: Caracteristicile spumelor conform caracteristicilor productorului Eurofoam Romnia

Tip Spum SIMBOL Densitate

[Kg/m]

Rezistena la

compresiune

[kPa]

Alungirea la

rupere

[%]

Rezistenta

la rupere

[kPa]

Dimensiunea

porilor

[micron]

FILTREN TM 25133 F133 20-24 2,5-4,5 100 80 1060-1600

FILTREN TM 25280 F280 20-24 2,5-4,5 90 70 2200-3400

FILTREN TM 25450 F450 20-24 2,5-4,5 70 60 3400-5600

O MATERIALE SANDWICH

Materialele denumite Sandwich (Fig. 4: SW01-03) sunt formate din combinaii de materiale esute, neesute

i spume i au fost eliminate din studiile ulterioare datorit dificultii stabilirii unor parametrii globali ai

structurii.

O ESTUR DIN MICROFIBR POLIARAMIDIC TWARON CT

Acest tip de estur produs din microfibre poliaramidice este larg utilizat n protecia balistic pentru

producerea ctilor i a plcilor de protecie balistic. De obicei este mbibat cu rini organice i supus la

presiune i temperatur n scopul rigidizrii. Structura de microfibre permite nglobarea de fluide i

deplasarea acestora n cazul impacturilor mecanice. Exist semnalri n literatura de specialitate privind

cercetarea sistemelor din estur poliaramidic, lichid i pulbere micronizat la vestele antiglon.

O SPACER 3D

Materialele de acest tip sunt folosite ca i cptueal la diverse articole de mbrcminte, ajutnd la

eliminarea transpiraiei produs de corp. Acestea sunt formate din 3 straturi diferite, stratul mijlociu avnd o

porozitate mare (Fig. 4: S3D).

Fig. 4 Materiale poroase utilizate n experimente

Materiale

esute

Materiale

neesute

Materiale

sandwich

NT 01 NT 02 NT 03 NT 04

T 01 T 02

T 03 T 04

SW 01 SW 02 SW 03

F133 F450 Spume

poliuretanice

Spacer

3D

F280

S3D

PROTHEIS 2014

9

2.3. DETERMINAREA PROPRIETILOR MATERIALELOR

n urma experimentelor preliminare la impact, n care s-au testat un spectru larg de materiale de acest tip, s-

au evideniat cateva materiale ce au prezentat caracteristici bune de amortizare la oc. Din cele prezentate,

numai cateva au fost selecionate pentru caracterizarea acestora.

DETERMINAREA POROZITII MATERIALELOR POROASE

La baza experimentului de msurare a porozitii materialelor candidate st ipoteza c porii materialului vor

fi complet umplui de fluidul mbibat n acesta. Volumul poate fi determinat direct cu vase gradate de

precizie, sau n cazul apa carei densitate este cunoscut, prin cntrire. Apa este folosit ca fluid dedicat

acestei operaiuni deoarece materialele sunt usor de imbibat complet cu apa, iar proprietatile acesteia sunt

cunoscute.

Avnd n vedere caracterul subiectiv al gradului de mbibare, aceste msurtori pot fi afectate de erori de

aproximativ 5%. Rezultate msuratorilor sunt prezentate n Tabelul 2.

DETERMINAREA DENSITII MATERIALELOR POROASE

n cadrul UPB, au fost msurate densitile materialelor testate prin cntrire. Rezultate msuratorilor sunt

prezentate n Tabelul 2.

Tabel 2: Caracteristicile materialelor poroase testate

Material Densitate material

uscat [kg/m3]

Densitate material

imbibat cu apa

[kg/m3]

Greutate specific a

materialului imbibat

cu ap [kg/m2]

Grosime

material

imbibat

h0 [mm]

Porozitate

0[-]

T03 67 884 2,7 2,95 0,81

T04 118 1040 2,4 2,3 0,91

NT01 95 1015 5,2 5 0,92

NT03 141 1116 1,4 1,2 0,95

NT04 137 1121 1,4 1,3 0,98

F133 22 1001 11,8 11,75 0,96

F280 24 998 10,5 10,5 0,97

F450 23 1019 10,2 10 0,96

S3D 113 1018 4,7 4,7 0,99

3. IDENTIFICAREA FLUIDELE CANDIDATE

3.1. DEFINIREA CERINTELOR FLUIDELOR CANDIDATE

Ca i n cazul materialelor poroase, fluidele candidate au fost evaluate n raport cu caracteristicile impuse de

aplicaiile balistice, definite n Capitolul precedent.

3.2. CARACTERIZAREA FLUIDELOR CANDIDATE

Fluidele candidate trebuie alese n compatibilitate cu un material anume, curgerea depinznd de conexiunea

dintre mrimea porilor i vscozitatea fluidului ce curge prin acetia. Aceste fluide trebuie caracterizate din

punct de vedere reologic (Newtonian/ne-Newtonian), definind vscozitatea, densitatea, tensiunea

superficial, stabilitatea n timp etc. De asemenea, pentru fluidele candidate se va stabili disponibilitatea,

preul i adaptarea la procesul de fabricaie.

Dintre fluidele evaluate, urmtoarele merit menionate n cele ce urmeaz.

O POLIETILEN GLICOLUL (GLICERIN)

Polietilen glicolul (PEG) este un polieter cu formula chimic H-(O-CH2-CH2)n-OH, cunoscut i ca polietilen

oxid (PEO) sau polioxi etilen n funcie de masa molecular. PEG este solubil n ap i practic lipsit de

toxicitate. Poate fi utilizat pentru a crea presiuni osmotice foarte mari de pn la 10 atmosfere. Este folosit ca

PROTHEIS 2014

10

dispersant pentru mai multe paste de dini. Caracterul polar al moleculelor de PEG permite o bun nglobare

a microparticulelor oxidice.

O ULEIUL SILICONIC

Prin ulei siliconic se nelege un polimer lichid pe baz de siloxan. Cel mai cunoscut este

polidimetilsiloxanul. Aceti polimeri sunt remarcabili prin stabilitatea termic relativ ridicat i proprietile

de lubrifiere.

Pentru modificarea comportamentului reologic al glicerinei se pot folosi diverse micropulberi:

Aerosil (pulberi de bixid de siliciu) este caracterizat de densitatea aparent foarte mic de 50 g/l i de

suprafaa specific relativ mare a granulelor 110 m2/g. Dimensiunea medie a particulelor este de 16

nm. Aerosilul este compatibil cu polietilenul glicol ct i cu uleiul siliconic.

Alumina (trioxidul de aluminiu) are masa molar 102 g/mol i densitatea de 3,94 g/cm3. Este un

material cunoscut ca refractar i foarte dur.

Talcul (silicatul de magneziu- Mg3Si4O10(OH)2) este un material larg disponibil i uor de prelucrat

i micronizat avnd n vedere duritatea foarte redus.

Cenua de termocentral este un deeu pulverulent cu compoziie i granulometrie variabile.

Datorit cantitilor mari disponibile i a preului redus merit s fie testat n fazele iniiale ale

proiectului.

3.3. DETERMINAREA PROPRIETILOR FLUIDELOR CANDIDATE

Pentru aceast faz a proiectului au fost evaluate caracteristicile materialelor uleiului siliconic, a unei paste, a

unui gel cosmetic i a glicerinei n Tabelul 3. Glicerina a fost testat att n varianta pura dar i cu zeosil, cu

talc i cu cenu rezidual de central termic. Prin amestecarea cu aceste particule, se obin fluide ne-

Newtoniene.

DETERMINAREA VSCOZITAII

Determinrile au fost efectuate n labortaul de Lubrificaie din UPB cu un vscozimetru BROOKFIELD CAP

2000+. Avnd n vedere caracterul ne-Newtonian al unor fluide utilizate, pe lng variaia vscozitii cu

temperatura, a fost determinat i variaia eforturilor de forfecare cu viteza de forfecare (pentru definirea

comportrii reologice). Rezultatele sunt prezentate n Tabelul 3.

Tabel 3: Lista de lichide testate

DENUMIRE COMPOZITIE SIMBOL Densitate

[kg/m3]

Viscozitate [Pas] Tensiune

superficiala

[N/m}

MA

TE

RIA

LE

LIC

HID

E

AP - APA 1000 1.005 10-3 @ 20C GLICERIN H-(O-CH2-CH2)n-OH GLIC 1261 1.24@ 20C 0.064ULEI

SILICONIC - USIL 800 10.24 @ 20C 0.0221

GEL

ap, PVP/VA copolimer, carbomel, 2-

bromo-2-nitropropan-1, 3-diol+, CI

19140, CI 42053, CI 16035, parfum

GEL 1040 0.545@ 20C

PAST

ap, silice hidratat, sorbitol,

propilenglicol, pirofosfat tetrapotasic,

C14-16 de sodiu Olefin, sulfonat,

gum xantam, arom, oxid de titan,

fluorura de sodiu, zaharin sodic,

allatoin, gel, clorur de zinc, limonen,

CI 74160

PASTA 1540 0.835@ 20C

0.072

PROTHEIS 2014

11

4. EVALUAREA EXPERIMENTAL A CAPACITII DE AMORTIZARE LA VITEZ

REDUS

4.1. EXPERIMENTE REALIZATE LA COMPRESIUNE CU VITEZ CONSTANT

Obiectivul acestor experimente este orientat n dou direcii:

Determinarea permeabilitii dinamice a spumelor poliuretanice;

Determinarea performanelor cuplului material poros - fluid.

Experimentele au fost realizate pe un stand UMT2 (Universal Material Tester - CETR BRUKER) [1], cu

soft performant de achiziie a datelor (Fig. 5).

Fig.5 Standul UMT2 Fig.6 Detaliu al dispozitivului experimental

Au fost realizate testele de expulzare cu vitez constant conform schemei din Fig. 6, pe dou configuraii

geometrice de materiale poroase (spume reticulate), de form cilindric (plin sau inelar Fig. 7),

corespunztoare celor dou soluii concept propuse:

- Disc plin mersat n cilindrul de lucru

- Disc inelar cu rezervor central de fluid (n acest caz au fost folosite fluide cu comportament ne-Newtonian cu prag de curgere ridicat care au permis meninerea fluidului n zona central.

a) b) c)

Fig.7 Geometria i aspectul materialelor poroase, a) F133, b) F280, c) F450

n timpul testelor au fost nregistrai trei parametri: fora pe direcie vertical, pozitia dispozitivului care

asigur deplasarea (rezultnd implicit grosimea materialului poros) i implicit timpul.

Pentru cele trei configuraii au fost selectate cinci viteze, ale cror valori au fost limitate de domeniul de

reglare al aparatului, i anume: v=1;2;4;8;10 mm/s.

Testele preliminare s-au realizat cu ulei siliconic, pe o configuraie geometric fr rezervor, deoarece

fluiditatea acestuia nu permitea retenia n rezervor. Cunoscnd vscozitatea fluidului, rezultatele obinute

PROTHEIS 2014

12

permit determinarea preliminar a permeabilitii dinamice a materialelor testate. Rezultatele sunt prezentate

n Fig. 8. Pentru o reprezentare mai clar s-a adoptat un cod al vitezelor v1v10, unde cifrele arat viteza n

mm/s.

n setul urmtor de ncercri s-au utilizat spumele poliuretanice imbibate cu pasta, ale crei caracteristici

sunt prezentate in Tabelul 3, iar geometria a fost de tip disc inelar (cu rezervor). Viteza utilizat a fost de

v=4mm/s iar materialul folosit a fost F450. Pentru comparaie s-au fcut i ncercri cu materialul nembibat

(uscat).

n al doilea set de ncercri s-a dublat valoarea vitezei i s-au ncercat succesiv cele trei materiale F133,

F280, F450. Rezultatele n acest caz mult mai concludente, fiind prezentate n Fig. 9.

Se poate observa c materialul cu rezervor F133 are cea mai mare rezisten la expulzare, existnd i rezerv

n acest sens, deoarece la valoarea maxim a forei suportat de traductor (200N), pasta nu a traversat

ntreaga lime a inelului. Asemenea rezultate vor permite configurarea optimal a celulelor pentru aplicaia

dat.

EVALUAREA PERMEABILITII DINAMICE

Intenia noastr a fost de a achiziiona un permeametru performant - soluie abandonat din lips finanrii

suficiente. n consecin, s-a recurs la utilizarea unor soluii alternative:

(i) msurare direct cu permeametrul axial construit n Laboratorul de Lubrificaie din UPB care poate

fi folosit doar cu ap sau soluii apoase i doar la diferene mici de presiune (sub 0.3 bar); dac

presiunea redus nu e un impediment serios, tiind c permeabilitatea nu variaz mult cu diferena de

presiune, n schimb limitarea la fluide de vscozitate redus reduce mult din utilitatea dispozitivului.

Experimentele pe acest dispozitiv au fost realizate doar cu ap.

(ii) msurare indirect prin adaptarea mainii de testare tribologic universal (CETR UMT-2) pentru

efectuarea unor teste de expulzare.

Obiectivul analizei experimentale a constat n determinarea comportamentului unor materiale de poroase, cu

dou configuraii geometrice de baz, supuse la compresiune i mbibate cu mai multe tipuri de fluide. Acest

studiu are la baz mecanismul de lubrificaie autoportant denumit de profesorul Pascovici ex poro-

hidrodinamic (XPHD). Acest mod de lubrificaie este puternic dependent de variaia porozitii i

permeabilitii materialelor testate. Structurile utilizate n cazul de fa, cu valori relative reduse ale

permeabilitii, pot fi aproximate, pentru o modelare matematic, cu medii Darcy [2].

Pentru evaluarea permeabilitii dinamice a materialelor utilizate s-a utilizat ecuaia [3]:

Se utilizeaz valorile compactitilor iniiale i grosimile de material din Tabelul 2, si

Fig. 9 Compresiune la vitez constant pt discuri

inelare+past Fig. 8 Compresiune la vitez constanta pentru

discuri pline spume + ulei siliconic

PROTHEIS 2014

13

valorile determinate experimental i sunt rezultate din experiment (Fig. 8). Rezultatele sunt

prezentate n Fig. 10.

n Fig. 11 sunt prezentate comparativ rezulatele obinute cu cele patru fluide testate, n dou configuraii

geometrice (deoarece aa cum am mai artat uleiul siliconic i PEG nu pot fi meninute n configuraia

inelar). Se remarc performanele spumei reticulare F133, mbibat cu past (V2) sau cu ulei siliconic (V1).

Fig. 10 Valorile permeabilitii dinamice Fig. 11 Analiza comparativ a comportrii fluidelor

4.2. EXPERIMENTE LA IMPACT CU ENERGIE REDUS

Scopul acestor experimente este evaluarea rapid a cuplurilor de materiale solicitate prin oc i determinarea

combinaiilor mai avantajoase dintre materiale poroase + fluide existente. Pentru aceasta, s-au folosit un

numr de materiale cu compoziii i proprieti diferite, mbibate cu diverse fluide, n vederea stabilirii

tipului de cuplu de material ce se comport cel mai bine la impact din punct de vedere al capacitatii de

amortizare.

ncercrile la impact a materialelor SPEC mbibate cu fluide, au fost realizate pe standul experimental

pendular de ncercri la impact existent n laboratorul de Lubrificatie din UPB. Experimentele preliminarii au

fost efectuate pe o configuratie de contact cu doi cilindrii cu axele ncruciate. n a doua serie de

experimente, s-a utilizat configuratiile sfer pe plan (Fig. 12) i cilindru pe plan. n toate configuraiile, piesa

impactat a fost acoperit cu un strat poros mbibat cu un lichid.

Fig. 12 Schem aranjament experiment pentru configuraia sfer / plan

PROTHEIS 2014

14

Experimentul const n msurarea forei de impact i acceleraiei in timpul impactului produs de impactorul

lansat de la o nlime H, reglabil. Traductorul de for, solicitat la compresiune, este montat ntre o prisma

rigid i furca de susinere a corpului impactat. Traductorul de acceleraie poate fi plasat fie pe impactor

(montat perpendicular pe axul pendular deci tangent la traiectoria de cdere), fie pe corpul impactat, centrat

pe placa suport. In cele ce urmeaza vor fi prezentate rezultatele obinute pentru configuraia sfer pe plan.

Scopul fiind acela de protecie al corpului impactat, s-a decis ca parametrii msurai s fie pe corpul

impactat, deci accelerometrul a fost montat, ca i traductorul de for, n spatele plcii. Achiziia de date s-a

fcut n paralel cu filmarea cu o camer rapid, cu posibilitatea de a nregistra cu 5400 fps la o rezoluie

de1024x1024 pixeli. Programul de achiziie a datelor, dezvoltat n LABVIEW, ofer posibilitate de

vizualizare n timp real a parametrilor msurai i scriere acestora n fiier cu o viteza de 80000 nregistrri/s.

Alegerea testelor a fost fcut n funcie de testele preliminare realizate n perioada de raportare. n tabelul 4

sunt bifate experimentele realizate pe standul pendular de impact pentru configuraia cilindric.

Tabel 4: Perechea material-fluid utilizate n experimentele la impact

Fluid

Material far fluid ap glicerin

ulei

siliconic gel past

T03 x

T04 x

NT01 x x x x x

NT03 x

NT04 x

F133 x x

F280 x

F450 x

S3D x

cauciuc x

Materialele au fost mbibate cu o zi nainte pentru a asigura absoria fluidului n pori. Toate testele au fost

efectuate de la inltimea H=200mm, parcurgnd un arc definit de un unghi la centru de 50o. Viteza la impact

este m/s981.120 gHv ,

Procesarea datelor experimentale s-a dovedit a fi un proces ce necesit resurse hardware performante i

totodat laborios datorit numrului mare de date experimentare (160000 citiri).

Impactul rigid, fr nici un fel de strat protector nu poate fi msurat deoarece depete limite maxime ale

ambelor traductoare. Pentru comparaie sunt prezentate rezultate obinute cu spuma F450, uscat (Fig. 13)

pentru care s-au obinut cele mai mari rezultate ale acceleraiei i forei, artnd c un material poros

nembibat nu se comport deloc ca un amortizor de ocuri, rezultatele fiind nefericite.

Pentru exemplificarea capacitii de amortizare, n Fig.14, este prezentat testul realizat cu materialul F133 ce

a nregistrat o amortizare complet a ocului cu o amplitude maxim a acceleraiei de 69m/s2 (aproape

insesizabil) i a forei de 212N.

Fig. 13 Variaia acceleraiei i a forei la impact pentru un plan acoperit de un strat de F450 i impactat de o

sfer ce cade de la H=200 mm

Material F450

PROTHEIS 2014

15

Fig. 14 Variaia acceleraiei i a forei la impact pentru un plan acoperit de un strat de F133 mbibat cu past i

impactat de o sfer ce cade de la H=200 mm

Filmarea rapid ne ofer posibilitatea msurrii parametrilor dimensionali i de timp ce au loc n timpul

impactului, dar ofer i posibilitatea de vizualizare a impactului i evaluarea amortizrii.

Din procesarea filmrilor rapide, spuma F133, mbibat cu past, are un recul semnificativ (Fig. 16).

Compresiunea dureaz aproximativ 7s, iar reculul aproximativ 100ms. Se poate observa cum pasta se lipete

de pendul, fiind extras din material. Materialul se desprinde de pe plac datorit impactului puternic

absorbit.

Fig.15 Poziia iniial a impactorului i reprezentarea unghiului de cdere

Fig. 16 Impactul amortizat folosind materialul F133 mbibat cu past

Testarea unor materiale necunoscute din punct de vedere al porozitii, permeabilitii sau elasticitii s-a

dovedit a fi o abordare cu rezultate rapide privind capacitatea de amortizare a materialelor poroase datorit

simplitii standului experimental i al timpului necesar pentru experimente. Astfel, se poate continua cu

pozitia iniial

pozitia de prim contact

Material F133+ pasta

PROTHEIS 2014

16

studierea mai n detaliu a materialelor esute, neesute i spume ce au prezentat capacitatea cea mai mare de

amortizare.

In Fig. 17 sunt prezentate valorile acceleraiei i forei maxime nregistrate pentru toate testele efectuate.

Pentru a nltura influena grosimii stratului i a porozitii materialului, doi indicatori relativi au fost

propusi, folosind grosimea iniial h0 i poriunea solid h00. Spumele F280 i F450, datorit rezultatelor

proaste au fost scoase din comparaie.n funcie de aceste criterii de selecie, s-au remarcat cupluri materiale -

fluide, n ordinea performanelor:

amax: F133+past, S3D+past, NT01+ulei siliconic;

Fmax: F133+past;

Fmax h00: NT01+ulei siliconic, F133+past, S3D+past, NT01+ap+glicerin;

Fig. 17 Grafic comparativ al valorilor maxime obinute n urma testelor la impact

5. SIMULAREA CONDITIILOR EXPERIMENTALE DIN POLIGON

Deoarece experimentele n condiii reale (n poligon) sunt dificile i foarte costisitoare sunt necesare simulri

numerice pentru definirea unor "experimente numerice" i n vederea dezvoltrii unei metode eficiente

pentru evaluarea performanei. Utilizarea materialelor poroase n sisteme de protecie la unde de oc este o

soluie inovativ a crei potenial va fi evaluat cu ocazia activitilor de cercetare desfurate pe durata

acestui proiect.

Modelul numeric la explozie a fost dezvoltat pentru cazul a dou placi plan paralele de 60mm lime i 2 mm

grosime supuse efectelor unei explozii n aer i este bidimensional. Modelul analizat la impact, inspirat de

standuri de impact de tip tun Taylor sau bar Hopkinson, este compus din dou plci circulare (una incident

i cealalt martor) din Al cu diametrul =200mm si grosimea g=5 mm. Plcile au 3 grade de libertate.

Experimentele numerice la explozie au fost realizate pentru 5 configuraii apropiate de soluiile concept

propuse pentru SAC care prevd includerea unor straturi protectoare formate din medii poroase imbibate cu

fluide, n structuri funcionale de protecie balistic: (i) placi separate doar de un strat de aer model etalon;

(ii) placi separate de un strat de apa; (iii) placi separate de un strat de spuma poliuretanic uscata, (iv) model

cu fire intercalate i aer i (v) model cu fire intercalate i ap. La impact au fost fcute determinri pentru

primele trei configuraii.

Testele au fost realizate n dou variante de impact:

(a) impact cu unda de oc, obinut cu o detonaie produs de 0,1 kg de exploziv plasat la o distan de

D=700 mm de plci; s-a ales explozia n aer pentru a reduce intensitatea presiunii reflectate.

(b) impact pe direcia normal la plac cu impactor cilindric de diametru =60mm si viteza v=30m/s.

PROTHEIS 2014

17

Scopul simulrilor numerice, realizate cu pachetul software AUTODIN este evaluarea capacitii de

amortizare pentru unda incident neperturbat generat de explozie prin intermediul variaiei suprapresiunii

calculate.

Efectul de amortizare al celor dou modele analizate (ii) si (iii) -este pus n eviden prin analiza

comparativ cu modelul etalon -(i). n graficul din Fig. 18 se poate observa unda de supapresiune incident

msurat n placa martor n zona central i la extremitate pentru interstiiu de aer Aceste determinri vor fi

folosite ca referin.

(a) (b)

Fig. 18 Rezultate numerice la explozie - placi parale cu strat de aer, (a)- placa incident (b)placa martor

Fig. 19 prezint variaia suprapresiunii generat de unda de soc asupra plcii martor, n condiiile unui strat

de amortizare plasat ntre plci din (a) apa, respectiv (b) spum poliuretanic. Rezultatele arat c aceste

materiale au proprieti intrinseci de amortizare, care conduc la reducerea presiunii maxime de 50 de ori (n

cazul apei) respectiv de circa 100 de ori n cazul spumei. Pentru spuma poroas, valoarea maxim a

suprapresiunii la impact a suferit o amplificarea comparativ cu valorile etalon.

(a) (b)

Fig. 19 Suprapresiune la explozie determinat pentru placa martor pentru ap (a) i spum (b)

innd cond de rezultatele prezentate mai sus, se poate intui c o combinaie de material poros i ap poate

diminua cumulat intensitatea suprapresiunii la explozie. n acest sens a fost construit un model cu interstiiu

din straturi succesive de fire intercalate [4] care simuleaz un model simplu de material poros imbibat cu aer

i altul cu ap. Rezultatele sunt prezentate n Fig. 20. Se observa atenuarea suplimentara a presiunii maxime.

Din analiza rezultatelor experimentelor numerice se pot extrage urmatoarele concluzii. Materialul poros de

tip spum a modificat att valoarea maxim a suprapresiunii ct i durata impulsului. Pentru comportamentul

undei de suprapresiune la trecerea prin ap s-a putut observa c efectele sunt asemntoare. Rezultatele

determinate pentru modelul cu straturi de fire i ap, reprezentativ pentru un metrial poros mbibat cu lichid,

evideniaz rezultatul efectelor cumulate pentru spum poroas i ap. Suprapresiunea msurat n placa

martor sufer atenuri att n intensitate ct i n durata impulsului. Simularea numeric a evideniat o

modificare a profilului curbei suprapresiunii funcie de tipul materialului plasat n interstiiul dintre placi.

Modelul numeric necesit mbuntiri n zona de modelare a mediului poros imbibat prin folosirea datelor

PROTHEIS 2014

18

experimentale obinute n condiii de laborator n cadrul UPB. Puterea redus de calcul a sistemelor hardware

utilizate necesit identificarea de noi soluii n cea ce privete construcia mediului poros utiliznd modele

bidimensionale cu structuri simplificate de tip canale de diametre mici sau microsfere.

(a) (b)

Fig. 20 Suprapresiunea determinat la explozie pentru strat de fire cu aer (a) i cu ap (b)

6. CONCLUZII GENERALE

1) Materialele selecionate pentru experimentele viitoare sunt spumele reticulate cu permeabilitate redus.

2) Fluidele cu vscozitate ridicat, precum uleiul siliconic, pot fi utilizate pentru soluiile SAC-V1.

3) Fluidele utilizabile la soluiile SAC-V2 (cu rezervor) trebuie s fie de tip viscoplastic (past sau gel) cu valoare ridicat a pragului de curgere.

BIBLIOGRAFIE

[1] *** UMT Users Manual, Center For Tribology 1715 Dell Ave, Campbell CA 95008, USA

[2] Scheidegger A.E., 1974, The physics of flow through porous media, a 3-a editie, University ofToronto Press;

[3] Ilie, M., B., Capacitatea de amortizare a straturilor poroase, foarte compresibile, mbibate cu lichide, pentru configuraii cilindrice, tez de doctorat, Bucureti, 2011.

[4] Dawson, M.A., 2009, Composite plates with a layer of fluid-filled, reticulated foam for blast protecion of infrastructure, Int. J. of Impact Engng., 36, 1288-1295;

DISEMINAREA REZULTATELOR

O parte din rezultatele experimentale realizate pe standul pendular de impact au fost diseminate n cadrul a

celei de a 8-a Conferine de Tribologie BALKANTRIB '14, ce a avut loc n perioada 30.10-1.11.2014 la

Sinaia, Romnia, prin lucrarea "Experimental determination of the damping capacity of highly compressible

porous materials imbibed with water" (Determinarea experimental a capacitii de amortizare a materialelor

poroase extrem de compresibile mbibate cu ap), autori - Mihaela Radu i Traian Cicone.