Поверхностная обработка арамидной ткани и ее влияние на механику фрикционного взаимодействия нитей

Поверхностная обработка арамидной ткани и ее влияние на механику фрикционного взаимодействия нитей

Автор: Игнатова А.В., Долганина Н.Ю., Сапожников С.Б., Шаблей А.А.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2017 года.

Бесплатный доступ

Арамидные ткани широко применяются в защитных бронеструктурах (бронежилеты, каски и др.). Наиболее важной задачей при разработке таких структур является уменьшение доли кинетической энергии пули, передаваемой объекту, расположенному за бронепанелью, и выражающейся в снижении величины динамического прогиба тыльной стороны бронепанели. Литературные источники связывают значительную часть энергии, поглощаемой бронепанелью, с работой сил трения вытягиваемых нитей. В данной работе представлен технологичный способ управления процессом сухого трения между нитями - поверхностная обработка различными составами (суспензия ПВА, канифоль, силиконовая смазка) с незначительным утяжелением ткани. В экспериментальной части статьи представлены результаты квазистатических испытаний на вытягивание нити из арамидной ткани полотняного переплетения P110 с разными типами поверхностной обработки, получены зависимости «нагрузка - перемещение». Для примера поверхностная обработка тканей ПВА с утяжелением до 6% позволяет увеличить фрикционное взаимодействие между нитями в четыре раза. Упругие и прочностные характеристики арамидных нитей были определены при квазистатическом нагружении. Коэффициент трения между нитями в сухой ткани был определен экспериментально. В расчетной части статьи была разработана малопараметрическая численная модель вытягивания нити из ткани Р110 в пакете программ LS-DYNA, реализующем метод конечных элементов в явной постановке. Показано, что поверхностную обработку ткани (и повышение/понижение усилий вытягивания) в численной модели можно адекватно описать изменением коэффициента сухого трения. Были получены расчетные зависимости нагрузки от перемещения при вытягивании нити из ткани с поверхностными обработками и без нее, которые лежат в соответствующих полосах разброса экспериментальных данных.

Еще

Арамидная ткань, вытягивание нити из ткани, поверхностная обработка, механические свойства, предел прочности, коэффициент трения, эксперимент, конечно-элементный анализ, суперкомпьютерное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/146211696

IDR: 146211696   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2017.4.09

Список литературы Поверхностная обработка арамидной ткани и ее влияние на механику фрикционного взаимодействия нитей

  • Lightweight ballistic composites/ed. A. Bhatnagar. -Cambridge: Woodhead publishing limited, 2006. -429 p.
  • Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования/В.А. Григорян, И.Ф. Кобылкин, В.М. Маринин, Е.Н. Чистяков. -М.: РадиоСофт, 2008. -406 с.
  • Харченко Е.Ф., Ермоленко А.Ф. Композитные, текстильные и комбинированные бронематериалы/ОАО «ЦНИИСМ». -М., 2013. -294 с.
  • Кобылкин И.Ф., Селиванов В.В. Материалы и структуры легкой бронезащиты: учебник. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. -191 с.
  • Харченко Е.Ф. Закономерности и парадоксы разрушения текстильных бронематериалов при осколочном воздействии//Вопросы оборонной техники. Сер. 15. -2008. -Вып. 1(148)-2(149). -С. 3-6.
  • Experimental study and modeling of single yarn pull-out behavior of Kevlar®49 fabric/D. Zhu, C. Soranakom, B. Mobasher, S.D. Rajan//Composites: Part A. -2011. -Vol. 42. -P. 868-879 DOI: 10.1016/j.compositesa.2011.03.017
  • Experimental investigation of the role of frictional yarn pull-out and windowing on the probabilistic impact response of Kevlar fabrics/G. Nilakantan, R.L. Merrill, M. Keefe, J.W. Gillespie Jr., E.D. Wetzel//Composites: Part B. -2015. -Vol. 68. -P. 215-229 DOI: 10.1016/j.compositesb.2014.08.033
  • Determination of inter-yarn friction and its effect on ballistic response of para-aramid woven fabric under low velocity impact/S. Das, S. Jagan, A. Shaw, A. Pal//Composite Structures. -2015. -Vol. 120. -P. 129-140 DOI: 10.1016/j.compstruct.2014.09.063
  • Пат. 2100748 Российская Федерация, МПК6 F 41 H 1/02, B 32 B 27/04. Композиционный пулезащитный материал/Сапожников С.Б., Понькин А.В., Шульженко С.И.; заявитель и патентообладатель С.Б. Сапожников, А.В. Понькин, С.И. Шульженко. -№ 93042738/02; заявл. 26.08.93, опубл. 27.12.97. Бюл. № 36. -6 с.
  • Долганина Н.Ю. Деформирование и разрушение слоистых тканевых пластин при локальном ударе: дис.. канд. техн. наук: 01.02.06. -Челябинск, 2010. -128 с.
  • Пат. 2175035 Российская Федерация, МПК7 D 03 D 15/00, F 41 H 1/02. Ткань для баллистической защиты и баллистический защитный тканевой пакет на ее основе/Бова В.Г., Федоров В.А., Тихонов И.В., Бащенко А.П., Слугин И.В., Ситуха В.Н., Лебедева Н.А., Львов В.В., Анилионис Г.П., Васильев Ю.Л., Карусевич А.С.; заявитель и патентообладатель НПП «Термостойкий текстиль». -№ 99127977; заяв. 30.12.1999; опубл. 20.10.2001. Бюл. № 29. -8 с.
  • Effect of fabric stitching on ballistic impact resistance of natural rubber coated fabric systems/M.R. Ahmad, W.Y.W. Ahmad, J. Salleh, A. Samsuri//Materials and Design. -2008. -Vol. 29. -P. 1353-1358 DOI: 10.1016/j.matdes.2007.06.007
  • Karahan M., Kus A., Eren R. An investigation into ballistic performance and energy absorption capabilities of woven aramid fabrics//International Journal of Impact Engineering. -2008. -Vol. 35. -P. 499-510 DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2007.04.003
  • Kang T.J., Lee S.H. Effect of stitching on the mechanical and impact properties of woven laminate composite//Journal of Composite Materials. -1994. -Vol. 28. -No. 16. -P. 1574-1587 DOI: 10.1177/002199839402801604
  • Ballistic performance of p-aramid fabrics impregnated with shear thickening fluid; Part I -Effect of laminating sequence/J.L. Park, B. II Yoon, J.G. Paik, T.J. Kang//Textile Research Journal. -2012. -Vol. 82. -No. 6. -P. 527-541 DOI: 10.1177/0040517511420753
  • Blunt trauma performance of fabric systems utilizing natural rubber coated high strength fabrics/M.R. Ahmad, W.Y.W. Ahmad, A. Samsuri, J. Salleh, M.H. Abidin//Proceeding of the International Conference on Advancement of Materials and Nanotechnology (ICAMN 2007, 29 May -1 June 2007). -Langkawi, 2010. -Vol. 1217. -No. 1. -P. 328-334 DOI: 10.1063/1.3377838
  • Gawandi A., Thostenson E.T., Gilllespie J.W. Jr. Tow pullout behavior of polymer-coated Kevlar fabric//Journal of Materials Science. -2011. -Vol. 46. -No. 1. -P. 77-89 DOI: 10.1007/s10853-010-4819-3
  • Majumdar A., Butola B.S., Srivastava A. Development of soft composite materials with improved impact resistance using Kevlar fabric and nano-silica based shear thickening fluid//Materials and Design. -2014. -Vol. 54. -P. 295-300 DOI: 10.1016/j.matdes.2013.07.086
  • Моссаковский П.А., Колотников М.Е., Антонов Ф.К. Исследование процесса пробивания многослойной преграды из тканевого композита с нанокомпозитной пропиткой//Авиационно-космическая техника и технология. -2009. -Т. 10, № 67. -С. 151-155.
  • Lee B.-W., Kim I.-J., Kim Ch.-G. The Influence of the Particle Size of Silica on the Ballistic Performance of Fabrics Impregnated with Silica Colloidal Suspension//Journal of Composite Materials. -2009. -Vol. 43. -No. 23. -P. 2679-2698 DOI: 10.1177/0021998309345292
  • Lee B.-W., Kim C.-G. Computational analysis of shear thickening fluid impregnated fabrics subjected to ballistic impacts//Advanced Composite Materials. -2012. -Vol. 21. -No. 2. -P. 177-192 DOI: 10.1080/09243046.2012.690298
  • Hassan T.A., Rangari V.K., Jeelani S. Synthesis, processing and characterization of shear thickening fluid (STF) impregnated fabric composites//Materials Science and Engineering A. -2010. -Vol. 527. -P. 2892-2899 DOI: 10.1016/j.msea.2010.01.018
  • Stab and puncture characterization of thermoplastic-impregnated aramid fabrics/J.B. Mayo Jr., E.D. Wetzel, M.V. Hosur, S. Jeelani//International Journal of Impact Engineering -2009. -Vol. 36. -P. 1095-1105 DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2009.03.006
  • Харченко Е.Ф., Заикин С.В. Материалы на основе арамидных волокон для защиты от холодного оружия//Вопросы оборонной техники. Сер. 15. -2000. -№ 1(122). -С. 28-29.
  • Соловьева Е.А., Курмашова И.А. Исследование механизма взаимодействия колющего оружия с защитными структурами на основе высокопрочных волокон//Вопросы оборонной техники. Сер. 15. Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. -2015. -Вып. 4(179). -С. 60-65.
  • Пат. 2206858 Российская Федерация, МПК7 F 41 H 1/02, 5/04. Защитная одежда от колющего удара и пули/Фельс А., Беттгер К., Поллигкайт В., Ной Ш., Клингспор К.; заявитель и патентообладатель «Тварон ПРОДАКТС ГМБХ». -№ 2000122093/02; заявл. 18.01.1999; опубл. 20.06.2003, Бюл. № 17. -13 с.
  • Баженов С.Л., Гончарук Г.П. Исследование трения нитей в арамидных тканях//Высокомолекулярные соединения. Сер. А. -2012. -Т. 54, № 10. -С. 1532-1538.
  • A method for inter-yarn friction coefficient calculation for plain wave of aramid fibers/H. Lopez-Galvez, M. Rodriguez-Millan, N. Feito, H. Miguelez//Mechanics Research Communications. -2016. -Vol. 74. -P. 52-56 DOI: 10.1016/j.mechrescom.2016.04.004
  • Tapie E., Guo Y.B., Shim V.P.W. Yarn mobility in woven fabrics -a computational and experimental study//International Journal of Solids and Structures. -2016. -Vol. 80. -P. 212-226 DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2015.11.005
  • Finite element simulation of a yarn pullout test for plain woven fabrics/M. Valizadeh, S. Lomov, S.A.H. Ravandi, M. Salimi, S. Z. Rad//Textile Research Journal. -2010. -Vol. 80. -No. 10. -P. 892-903 DOI: 10.1177/0040517509346436
  • Dong Z., Sun C.T. Testing and modeling of yarn pull-out in plain woven Kevlar fabrics//Composites: Part A. -2009. -Vol. 40. -P. 1863-1869 DOI: 10.1016/j.compositesa.2009.04.019
  • Lim C.T., Shim V.P.W., Ng Y.H. Finite-element modeling of the ballistic impact of fabric armor//International Journal of Impact Engineering. -2003. -Vol. 28. -P. 13-31 DOI: 10.1016/S0734-743X(02)00031-3
  • Tan V.B.C., Ching T.W. Computational simulation of fabric armour subjected to ballistic impacts//International Journal of Impact Engineering. -2006. -Vol. 32. -No. 11. -P. 1737-1751 DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2005.05.006
  • Barauskasa R., Abraitiene A. Computational analysis of impact of a bullet against the multilayer fabrics in LS-DYNA//International Journal of Impact Engineering. -2007. -Vol. 34. -P. 1286-1305 DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2006.06.002
  • Numerical analysis of a ballistic impact on textile fabric/C. Ha-Minh, A. Imad, T. Kanit, F. Boussu//International Journal of Mechanical Sciences. -2013. -Vol. 69. -P. 32-39 DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2013.01.014
  • Sapozhnikov S.B., Forental M.V., Dolganina N.Yu. Improved methodology for ballistic limit and blunt trauma estimation for use with hybrid metal/textile body armor//Proceeding of conference "Finite element modelling of textiles and textile composites" -St-Petersburg, 2007. -1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
  • Meso modelling for composite preform shaping -Simulation of the loss of cohesion of the woven fibre network/S. Gatouillat, A. Bareggi, E. Vidal-Sallé, P. Boisse//Composites: Part A. -2013. -Vol. 54. -P. 135-144 DOI: 10.1016/j.compositesa.2013.07.010
  • Игнатова А.В., Сапожников С.Б. Обработка поверхности арамидной ткани для управления поглощением энергии удара в слоистых композитах//Композиты и наностуктуры. -2015. -Т. 7, № 4. -С. 231-240.
  • Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики: в 2 т. -М.: Наука, 1979. -Т. 1. -272 с.
  • Nikonova E.A., Pakshver A.B. The friction properties of textile yarns//Fibre Chemistry. -1973. -Vol. 4. -No. 6. -P. 657-660.
  • LS-DYNA R7.0 Keyword user's manual/LSTC, 2013. -URL: http://www.lstc.com
  • Nilakantan G., Nutt, S. Effects of clamping design on the ballistic impact response of soft body armor//Composite Structures. -2014. -Vol. 108. -P. 137-150 DOI: 10.1016/j.compstruct.2013.09.017
  • Finite element analysis of projectile size and shape effects on the probabilistic penetration response of high strength fabrics/G. Nilakantan, E.D. Wetzel, T. Bogetti, J.W. Gillespie//Composite Structures. -2012. -Vol. 94. -No. 5. -P. 1846-1854 DOI: 10.1016/j.compstruct.2011.12.028
  • Effect of statistical yarn tensile strength on the probabilistic impact response of woven fabrics/G. Nilakantan, M. Keefe, E.D. Wetzel, T.A. Bogetti, J.W. Gillespie//Composites Science and Technology. -2012. -Vol. 72. -No. 2. -P. 320-329 DOI: 10.1016/j.compscitech.2011.11.021
  • Костенецкий П.С., Сафонов А.Ю. Суперкомпьютерный комплекс ЮУрГУ//Параллельные вычислительные технологии (ПаВТ’2016): сб. ст. 10-й Междунар. науч. конф. (28 марта -1 апреля 2016 г.). -Архангельск, 2016. -С. 561-573.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp