Numerical and Experimental Study of Multi-layer Armors for Personal Protection

А.Е. Джассем; А.Д. Джавад; А.О. Самармад; А.Ф. Хамза

doi:10.15330/pcss.23.3.550-558

Автор(и)

А.Е. Джассем Університет Варіт Аль-Анбія, Кербела, Ірак
А.Д. Джавад Університет Вавилону, Ірак
А.О. Самармад Університет Варіт Аль-Анбія, Карбала, Ірак
А.Ф. Хамза Університет Вавілону, Ірак

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.23.3.550-558

Ключові слова:

захист, композити, ебоніт, рідина для загущення, Ansys

Анотація

На даний час індивідуальна броня розглядається як основна вимога в бою, особливо на Близькому Сході. Поточні дослідження спрямовані на розроблення та виготовлення нових бронежилетів із дешевих і доступних матеріалів. У порівнянні із бронежилетами з традиційних матеріалів, композитні балістичні бронежилети стали чудовою альтернативою для індивідуального захисту. У даному дослідженні запропоновано альтернативні матеріали для розробки броні, що складається з модифікованої гуми та ебоніту, а також керамічних частин на основі оксиду алюмінію шестикутної структури, кевлару та вуглецю та сучасні технології згущувальних рідин. Чисельна оцінка броні здійснювалася за допомогою комерційного програмного забезпечення (ANSYS) із використанням різних швидкостей куль у діапазоні від 740 до 940 м/с та різної кількості вуглецевих і кевларових тканин та згущувальних рідин для досягнення найкращого розташування шарів із максимальною продуктивністю. Виконано порівняння із експериментальними даними. Чисельні результати показали найкращі показники для пластинчастої броні, що складається із 23 шарів, які потім були експериментально перевірені на бойовій гвинтівці типу АК-47 з кулею 7,62*39 мм. Експериментальне випробування показало відсутність повного проникнення із зворотною деформацією 7,5 мм. Удар подвійної кулі в пластину в тому самому місці не показав повного проникнення з задньою деформацією 11,3 мм, бронежилет продемонстрував чудові захисні характеристики та був сумісний зі стандартом NIJ Standard-0101.03.

Посилання

P.V. Cavallaro, Soft Body Armor : An Overview of Materials, Manufacturing, Testing, and Ballistic Impact Dynamics Naval Undersea Warfare Center Division, vol. 12, no. August. Washington, 2011.

M. J. Decker, C. J. Halbach, C. H. Nam, N. J. Wagner, and E. D. Wetzel, Stab resistance of shear thickening fluid (STF)-treated fabrics, Composites Science and Technology, 67(3–4), 565, (2007); https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2006.08.007

Y. Regassa, G. Likeleh, and R. Uppala, Modeling and Simulation of Bullet Resistant Composite Body Armor , International Journal of Research Studies in Science, Engineering and Technology, 1(3), 39 (2014);

D.S. Preece and V.S. Berg, Bullet Impact on Steel and Kevlar®/Steel Armor: Computer Modeling and Experimental Data, ASME Pressure Vessels and Piping Conference (2004).

R.G. Egres Jr., C.J. Halbach, M.J. Decker, E.D. Wetzel, and N.J. Wagner, Ballistic and rheological properties of stfs reinforced by short discontinuous fibers, SAMPE 2005:New Horizons for Materials and Processing Technologies, (2005).

K. Mylvaganam and L.C. Zhang, Ballistic resistance capacity of carbon nanotubes, Nanotechnology, 18(47), 475701 (2007); https://doi.org/10.1088/0957-4484/18/47/475701 .

M.R. Ahmad, W.Y.W. Ahmad, J. Salleh, and A. Samsuri, Effect of fabric stitching on ballistic impact resistance of natural rubber coated fabric systems, Materials and Design, 29(7), 1353 (2008); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2007.06.007 .

M. Grujicic and G. Arakere, A ballistic material model for cross-plied unidirectional ultra-high molecular-weight polyethylene fiber-reinforced armor-grade composites, Materials Science and Engineering, 498(1–2), 231 (2008); https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.07.056 .

X. Teng, T. Wierzbicki, and M. Huang, Ballistic resistance of double-layered armor plates, International Journal of Impact Engineering, 35(8), 870 (2008); https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2008.01.008 .

H.M. El-Fayad, M.M. Abdel-Wahab, A.A. El-Ashaa, and H.M. Farag, Protection of Honeycomb Sandwich Armours Against the Ballistic Attacks, Aerospace Sciences & Aviation Technology, Asat- 13, 1 (2009).

C.M. Roland, D. Fragiadakis, and R.M. Gamache, Composite Structures, 92(5), 1059 (2010); https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2009.09.057 .

Y. Wang, X. Chen, R. Young, I. Kinloch, and G. Wells, Elastomer–steel laminate armor, Composites Part B: Engineering, 68, 259 (2015); https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2014.08.049 .

S.N. Monteiro, L.H.L. Louro, and W. Trindade, Natural curaua fiber-reinforced composites in multilayered ballistic armor, Metallurgical and Materials Transactions A, 46(10), 4567 (2015); https://doi.org/10.1007/s11661-015-3032-z .

A. Fadhil Hamzah, E. Zuheir Fadhel, and M. Baqir Hunain, Experimental and Numerical Investigation of Fatigue Behavior of Chopped GFRP Composite Rod under Rotating Bending Load, International Journal of Engineering and Technology, 6(9), 327 (2016).

J. Pach, D. Pyka, K. Jamroziak, and P. Mayer, The experimental and numerical analysis of the ballistic resistance of polymer composites, Composites Part B: Engineering, 113, 24 (2017); https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.01.006 .

M. Bocian, J. Pach, and K. Jamroziak, Experimental and numerical analysis of aramid fiber laminates with DCPD resin matrix subjected to impact tests, MATEC Web of Conferences, 112, 04013, (2017); https://doi.org/10.1051/matecconf/201711204013 .

H. Cho, J. Lee, S. Hong, and S. Kim, Bulletproof performance of composite plate fabricated using shear thickening fluid and natural fiber paper, Applied Sciences, 10(1), 88 (2019); https://doi.org/10.3390/app10010088 .

B.T. Narendiranath, A.P. Singh, N.S. Reddy, and D. Murpani, Simulation of Ballistic Impact on Different Composite Samples of Bullet Proof Vest, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1123(1), 012030 (2021); https://doi.org/10.1088/1757-899X/1123/1/012030 .

F. Alkhatib, E. Mahdi, and A. Dean, Design and evaluation of hybrid composite plates for ballistic protection: experimental and numerical investigations, Polymers (Basel), 13(9), 1450 (2021); https://doi.org/10.3390/polym13091450

T. Guleria, N. Verma, S. Zafar, and V. Jain, Fabrication of Kevlar®-reinforced ultra-high molecular weight polyethylene composite through microwave-assisted compression molding for body armor applications, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 40(7–8), 307 (2021); https://doi.org/10.1177/0731684420959449 .

Tang, F., Dong, C., Yang, Z., Kang, Y., Huang, X., Li, M., Chen, Y., Cao, W., Huang, C., Guo, Y. and Wei, Y., Protective performance and dynamic behavior of composite body armor with shear stiffening gel as buffer material under ballistic impact, Composites Science and Technology, 218, 109190 (2022); https://doi.org/10.1016/J.COMPSCITECH.2021.109190 .

Shah, I.A., Khan, R., Koloor, S.S.R., Petrů, M., Badshah, S., Ahmad, S. and Amjad, M., Finite Element Analysis of the Ballistic Impact on Auxetic Sandwich Composite Human Body Armor, Materials, 15(6), 2064 (2022); https://doi.org/10.3390/ma15062064 .

W.D. Callister, Fundamentals of Materials Science and Engineering: An Interactive, (Fith. John Wiley & Sons,Inc, 2001).

M.F. Aly, I.G.M. Goda, and G.A. Hassan, Experimental Investigation of the Dynamic Characteristics of Laminated Composite Beams, International Journal of Mechanical & Mechatronics Engineering, 10(3), 59 (2010); https://doi.org/10.1.1.207.5914 .

D.W.H. Michael B. Mukasey, Jeffrey L. Sedgwick, The characteristics of systems and their changes of state disperse, Ballistic Resistance of Body Armor :NIJ Standard-0101.06, (7th ed., no. August. Washington, 2008). https://doi.org/10.1017/CBO9781107415324.004

National Institute of Justice, Ballistic Resistance of Police Body Armor. NIJ Standard 0101.03, 2008.