雙層串聯(lián)蜂窩夾芯復(fù)合材料板的抗高速?zèng)_擊性能研究

楊 中 陳 濤 徐志洪

（南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210000）

0 引言

天線罩作為雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，是雷達(dá)的電磁窗口，也是用于保護(hù)天線或雷達(dá)系統(tǒng)的“防護(hù)眼鏡”。普通天線罩能為雷達(dá)提供環(huán)境適應(yīng)性保障，因其制造材料不具備防彈能力，隨著戰(zhàn)場武器威力的不斷升級，天線罩防彈功能的需求越來越迫切［1］。因此，對天線罩抗高速?zèng)_擊性能研究很有必要。

NOMEX 紙蜂窩是由芳綸紙制成的輕質(zhì)芯材，因此其作為芯子的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)具有出色的能量吸收能力，被廣泛用作緩沖吸能結(jié)構(gòu)［2］。受蜂窩制造工藝的限制，單塊蜂窩的高度方向長度往往受限，吸收能量有限，當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能較大時(shí)，必須使用多塊串聯(lián)蜂窩［3］。

國內(nèi)外學(xué)者對復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，但大多局限在研究蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的面內(nèi)面外壓縮性能和低速?zèng)_擊及剩余強(qiáng)度分析，對雙層串聯(lián)蜂窩結(jié)構(gòu)的高速?zèng)_擊鮮有研究。筆者主要研究GFRP 靶板和Kevlar 靶板的抗高速?zèng)_擊性能，得到不同材料的雙層蜂窩夾芯板的彈道極限速度V50和吸能情況，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對。

1 試驗(yàn)結(jié)果及討論

1.1 試件介紹

靶板尺寸為150 mm×150 mm。靶板材料分為兩種，一種蒙皮以Kevlar 纖維、NOMEX 為蜂窩芯的雙層夾芯蜂窩的靶板，另一種蒙皮以玻璃纖維的靶板。單個(gè)蜂窩孔為正六邊形，邊長為3 mm，單層蜂窩壁厚為0.1 mm，雙層壁厚為0.2 mm，高度h為19 mm。上下蒙皮厚度均為1 mm，中間層厚度為1.5 mm，靶板總厚度為41.5 mm，破片尺寸為4.76 mm立方塊，質(zhì)量為0.84 g，雙層串聯(lián)蜂窩夾芯復(fù)合材料靶板試樣如圖1所示。

圖1 靶板試樣

1.2 破壞防護(hù)能力評估試驗(yàn)方法參考標(biāo)準(zhǔn)

①M(fèi)IL-STD-662F 1997 V50 Ballistic Test for Armor；②GJB 4300—2002 軍用防彈衣安全技術(shù)性能要求；③GJB 3196.30A—2005槍彈試驗(yàn)方法。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

4.76 mm 立方塊破片后普通靶板和防彈靶板毀傷試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 靶板破片毀傷試驗(yàn)結(jié)果

通過對天線罩GFRP 板、Kevlar 板進(jìn)行4.76 mm立方塊破片毀傷試驗(yàn)可知，GFRP 板毀傷速度為240 m/s，Kevlar 板毀傷速度為331 m/s，Kevlar 板比GFRP板防彈能力提升38%。從吸能角度看，Kevlar板比GFRP板防彈能力提升90%。

2 有限元模擬

2.1 模型建立

將4.76 mm 立方塊沖擊GFRP 材料作為L4G組；Kevlar 纖維材料作為L4K 組。以第L4G 組為例，迎彈面和背彈面蒙皮的厚度為1 mm，間層蒙皮的厚度為1.5 mm，每層鋪層厚度為0.1 mm。迎彈面和背彈面鋪層角度為［45,90,-45,-90,45］S，中間層角度為［45,90,-45,-90,45,90,-45,-90］S，將子彈設(shè)為剛體。為有效模擬高速?zèng)_擊下復(fù)合材料層板的層間分層，建模過程中在復(fù)合材料層合板各單層之間引入Cohesive單元［4］，單元厚度為0.01 mm。NOMEX 蜂窩被定義為理想彈塑性型。考慮到高速?zèng)_擊問題的影響區(qū)主要集中在彈靶接觸區(qū)（一般為子彈橫截面邊長的4 倍左右），因此，選取中心點(diǎn)為圓心、半徑為15 mm 的范圍進(jìn)行網(wǎng)格加密，這樣既保證了分析結(jié)果的精度，又提高了計(jì)算效率。網(wǎng)格劃分如圖2 所示。對有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格相關(guān)性分析，當(dāng)計(jì)算網(wǎng)格達(dá)到約500 000 個(gè)單元時(shí)即可滿足計(jì)算精度的要求［5］。該工況的有限元模型的網(wǎng)格達(dá)到959 359個(gè)，可以滿足精度要求。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.2 失效準(zhǔn)則

復(fù)合材料層合板的層內(nèi)損傷失效判定采用三維Hashin［6］失效準(zhǔn)則。

纖維拉伸失效(σ11≥0 )見式（1）。

纖維壓縮失效(σ11≤0 )見式（2）。

基體拉伸失效(σ22+σ33≥0 )見式（3）。

基體壓縮失效(σ22+σ33≤0 )見式（4）。

其中，σ11、σ22、τ12分別為縱向主應(yīng)力、橫向主應(yīng)力和剪切應(yīng)力；S12、S13、S23分別代表12 面內(nèi)的剪切強(qiáng)度、13面內(nèi)的剪切強(qiáng)度、23面內(nèi)的剪切強(qiáng)度；Xt表示1 方向纖維的拉伸強(qiáng)度，XC表示1 方向纖維的壓縮強(qiáng)度；Yt表示垂直于纖維方向上的拉伸強(qiáng)度，YC表示垂直于纖維方向上的壓縮強(qiáng)度。

復(fù)合材料層合板的層間損傷失效準(zhǔn)則采用二次名義應(yīng)力準(zhǔn)則，當(dāng)各方向名義應(yīng)力比的平方等于1時(shí)，損傷開始，具體見式（5）。

式中：σn、τs、τt分別代表層間正應(yīng)力和層間剪應(yīng)力；σ0n、τ0s、τ0t分別代表純Ⅰ型、純Ⅱ型和純Ⅲ型破壞的最大名義應(yīng)力。

對于ABAQUS 中的損傷演化（Damage Evolution），本研究使用基于能量的二次能量釋放率準(zhǔn)則來進(jìn)行損傷演化規(guī)律描述，見式（6）。

式中：GⅠC、GⅡC和GⅢC分別對應(yīng)內(nèi)聚力單元在純Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型載荷下的臨界斷裂能量釋放率，GⅠC、GⅡC和GⅢC為對應(yīng)的斷裂能。當(dāng)式（6）成立時(shí)，內(nèi)聚力單元失效，裂紋開始擴(kuò)展。

2.3 材料屬性

蜂窩芯的力學(xué)性能參數(shù)見表2，Cohesive 單元樹脂材料的力學(xué)性能參數(shù)見表3，蒙皮的力學(xué)性能參數(shù)見表4。

表2 蜂窩芯材料的力學(xué)性能參數(shù)

表3 Cohesive單元樹脂材料的力學(xué)性能參數(shù)

表4 蒙皮材料的力學(xué)性能參數(shù)

2.4 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對比

彈道極限速度V50 是高速?zèng)_擊的一個(gè)重要表征參數(shù)，本節(jié)主要通過彈道極限速度V50 對模型進(jìn)行有效性驗(yàn)證。立方塊沖擊GFRP板和Kevlar板穿透與未穿透的速度位移曲線如圖3、圖4所示。

圖3 L4G組破片毀傷V50模擬結(jié)果

圖4 L4K組破片毀傷V50模擬結(jié)果

靶板的總厚度為41.5 mm，當(dāng)子彈的位移大于41.5 mm時(shí)，可以確定靶板被穿透。

由表5可知，兩種靶板模擬的V50分別為235 m/s和323 m/s。現(xiàn)將其與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，見表6。

表5 靶板破片毀傷模擬結(jié)果

表6 破片沖擊兩種板的V50結(jié)果

由表6 可知，V50 的模擬值與試驗(yàn)值的誤差均超過3%。從速度角度分析，GFRP 靶板彈道極限速度的模擬值為235 m/s，Kevlar 靶板彈道極限速度為323 m/s，Kevlar 靶板比GFRP 靶板防彈能力提升37.4%。而表1 中試驗(yàn)結(jié)果V50 提升了38%。從吸能角度分析，GFRP靶板毀傷動(dòng)模擬值為23 195 mJ；Kevlar 靶板毀傷動(dòng)能為43 818 mJ，Kevlar 靶板比GFRP 靶板防彈能力提升88.9%，而試驗(yàn)結(jié)果提升了90%。綜上證明了該有限元模型的可靠性。

2.5 沖擊速度分析

本節(jié)主要探究子彈在穿透不同靶板時(shí)速度隨位移變化之間的關(guān)系。4.76 mm 立方塊正好穿透GFRP靶板和Kevlar靶板的速度—位移曲線如圖5、圖6 所示。子彈沖擊靶板各個(gè)部分的速度變化情況分別見表7、表8。

表7 子彈沖擊GFRP板各部分速度變化單位：m/s

表8 子彈沖擊Kevlar板各部分速度變化單位：m/s

圖5 破片穿透GFRP板速度—位移曲線

圖6 破片穿透防彈板速度—位移曲線

①由圖5 和圖6 可知，當(dāng)子彈沖擊靶板的迎彈面和中間層蒙皮時(shí)，速度和位移基本上呈線性關(guān)系，但迎彈面的斜率要比中間層的斜率大一些。由表7 和表8 可知，子彈沖擊迎彈面時(shí)速度下降量比中間層蒙皮大，而迎彈面在厚度較小時(shí)，其抗沖擊能力比厚度較大的中間層蒙皮還要好，說明迎彈面的防彈性能比中間層蒙皮更強(qiáng)。因此在實(shí)際應(yīng)用中，在進(jìn)行高速?zèng)_擊的防彈設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)纖維總厚度一定，可以適當(dāng)增加迎彈面蒙皮的厚度，以此使靶板獲得更高的抗沖擊性能。

②由圖5 和圖6 可知，在子彈沖擊第一層蜂窩芯時(shí)，曲線基本保持直線，而在沖擊第二層蜂窩芯時(shí)，速度和位移不再保持線性關(guān)系。由表7 和表8可知，子彈在穿透第二層蜂窩芯時(shí)速度比第一層下降較多。這是因?yàn)樵跊_擊第二層蜂窩芯時(shí)，子彈的姿態(tài)發(fā)生了較大傾斜。當(dāng)子彈以高速?zèng)_擊蜂窩芯時(shí)，子彈的能量和動(dòng)能較大，侵徹能力強(qiáng)。在沖擊第一層蜂窩芯時(shí)，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)不會(huì)發(fā)生太大變化，在這個(gè)階段子彈的傾斜角度很小，子彈基本上沿著入射角為0°方向沖擊。當(dāng)子彈在沖擊第二層蜂窩芯時(shí)，子彈速度小，侵徹能力降低，子彈的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)發(fā)生變化，子彈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了較大傾斜，導(dǎo)致子彈在穿透兩層蜂窩芯時(shí)速度變化的差別較大。

2.6 各部分吸能分析

本節(jié)主要探究子彈穿透GFRP 板和Kevlar板時(shí)各部分的吸能大小與占比。子彈沖擊GFRP 板和Kevlar板各部分的吸能值如圖7所示。各部分能量吸收百分比見表9。

表9 各部分能量吸收百分比單位：%

圖7 各部分吸能值

①由圖7 可知，Kevlar 板迎彈面蒙皮的能量吸收量比GFRP 板能量吸收量多16 418 mJ，而比中間層蒙皮的能量吸收量只多2 838 mJ。

②由表9 可知，吸能占比迎彈面最大，占50%以上；其次是中間層蒙皮，占20%左右；再次是第一層蜂窩芯，占12%左右；之后是第二層蜂窩芯，占7%，最后是背彈面蒙皮，不到1%。

③在實(shí)際應(yīng)用中，在進(jìn)行高速?zèng)_擊的防彈設(shè)計(jì)時(shí)，迎彈面蒙皮盡量選用防彈性能好的Kevlar 材料，并且適當(dāng)增加迎彈面蒙皮的厚度，這樣更能發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢。

3 結(jié)論

①從速度角度看，Kevlar 板比GFRP 板的防彈能力提升37.4%；從吸能角度看，Kevlar 板比GFRP板的防彈能力提升90%。

②對于吸能占比，迎彈面最大，占50%以上，其次是中間層蒙皮，再次是第一層蜂窩芯，之后是第二層蜂窩芯，最后是背彈面蒙皮。

③破片在沖擊第一層蜂窩時(shí)速度下降比第二層的大，主要是因?yàn)樵谄破瑳_擊第二層蜂窩芯時(shí)，破片的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生了較大傾斜。