Paksuuden ja kuituorientaation vaikutus ballistiseen suorituskykyyn sekä sen simulointi

Abstract

Ballististen suojaustuotteiden tarkoitus on estää tai heikentää niiden käyttäjiin kohdistuvien projektiilien vaikutusta. Suojaustuotteilla pyritään suojaamaan varsinkin kriittisiä elimiä, joiden vaurioituminen lamauttaa ihmisen. Tutkimusten mukaan suurin uhka sotilaille ovat räjähdykset ja muut sirpaleita synnyttävät vaikutukset, joiden osuus kuolemista on 75–80 % toisesta maailmansodasta lähtien. Komposiittilaminaatin paksuus ja kuituorientaatiot vaikuttavat paljon sen kykyyn pysäyttää erilaisia projektiileja, jonka vuoksi niiden vaikutusten selvittäminen on tärkeää suojaustuotteiden optimoinnin kannalta.

Työn tavoitteena oli tutkia paksuuden ja kuituorientaation vaikutusta komposiittisen suojaustuotteen ballistiseen suorituskykyyn. Tavoitteena oli myös tutkia ja rakentaa simulaatiomalli, jonka avulla voidaan simuloida ballistista iskua ultrasuurimolekyyliseen polyeteenilaminaattiin. Työn kokeellisessa osuudessa valmistettiin ammuntalevyjä valituilla paksuuksilla sekä kuituorientaatioilla, joiden käyttäytymistä testattiin sirpaletta sekä käsiaseen luotia vastaan. Kokeellisessa osuudessa rakennettiin ballistista iskua simuloiva malli käyttäen alilaminaattimallia sekä simulointiohjelmaan sisäänrakennettuja materiaalimalleja.

Kerätystä mittausdatasta voitiin havaita, että tutkitulla paksuus-/neliömassa-alueella V50 kasvaa potenssilain funktiona paksuuden/neliömassan kasvaessa kaikilla työssä tutkituilla kerrosrakenteilla. Toisaalta taas trendiä pullistumalle paksuuden/neliömassan kasvaessa ei saatu tarkasti määritettyä. Tämä johtui mittausmenetelmään liittyvistä muuttujista. Mittausdatasta voitiin kuitenkin todeta, että suhde ei ole lineaarinen vaan todennäköisesti logaritminen. Kuituorientaation vaikutusta analysoitaessa voitiin todeta, että laminaatin kerrosrakennetta muutettaessa pois ortogonaalisesta rakenteesta parani sen kyky vastustaa pullistuman muodostumista, mutta samalla sen kyky pysäyttää projektiili huononi. Edellä mainittujen havaintojen perusteella voitiin vetää johtopäätös siitä, että tutkituista kerrosrakenteista ortogonaalinen kerrosrakenne pystyy absorboimaan parhaiten projektiilin energiaa eli pysäyttämään sen, mutta sen kyky vastustaa pullistuman muodostumista on taas huonoin. Simulointimallista saadut tulokset vastasivat suhteellisen hyvin kokeellisesta osuudesta saatuja tuloksia V50 sekä delaminaatioalueen kannalta, vaikka mallissa laminaatin materiaaliparametreinä käytettiin HB30 sijaan HB26 materiaaliparametrejä.