UHMWPE夾芯層合板抗侵徹性能研究

王 朝，張?zhí)镆唬瑓螏浽跤理槪跛射h，杜詠崢

（西藏大學(xué)工學(xué)院 西藏拉薩 850000）

0 引 言

防護(hù)裝甲的作用主要是抵抗高速彈體、彈片和射流等高速物體的沖擊，其材料的選取和結(jié)構(gòu)型式是影響抗侵徹性能的關(guān)鍵因素［1-3］。金屬板作為防護(hù)材料應(yīng)用較為普遍，單層金屬板可提高抗侵徹性能，增加厚度后重量也會隨之增大，且金屬片受到彈片沖擊容易發(fā)生較大變形，不符合現(xiàn)代防護(hù)裝甲的制備要求。復(fù)合裝甲多為層合板結(jié)構(gòu)，平面層壓層合板在受到?jīng)_擊載荷作用時，各層材料之間會因?qū)娱g正應(yīng)力和切應(yīng)力而出現(xiàn)分層現(xiàn)象［4-5］，雖說這也是一種吸能方式，但遠(yuǎn)不及纖維斷裂所吸收的能量。因此，三維編織復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生，其依賴于三維編織技術(shù)，可被編織為任意厚度的整體性的纖維復(fù)合材料。彈體在沖擊靶板的過程中會遇到平行與垂直彈道方向的增強(qiáng)纖維，故三維編織復(fù)合材料在防止彈速較高時的沖塞破壞和中等彈速時的分層破壞方面有明顯優(yōu)勢，可以提高防護(hù)等級［6］。

綜合考慮現(xiàn)有防彈材料及裝甲存在的問題，兼顧低成本、耐腐蝕、輕質(zhì)高強(qiáng)等諸多需求因素，本文擬基于高性能纖維復(fù)合材料與高強(qiáng)鋁合金設(shè)計具有優(yōu)良抗侵徹性能的層合板，并利用數(shù)值仿真技術(shù)模擬彈體的侵徹過程，分析其抗侵徹性能與材料厚度比、纖維層數(shù)之間的關(guān)系，揭示該復(fù)合材料層合板的抗侵徹機(jī)理，從而選出該層合板的最優(yōu)結(jié)構(gòu)型式，為工程應(yīng)用及后續(xù)相關(guān)研究提供參考，對促進(jìn)纖維增強(qiáng)層合板在防彈領(lǐng)域的應(yīng)用具有現(xiàn)實意義。

1 層合板與數(shù)值模擬

1.1 層合板設(shè)計

結(jié)合典型層合板結(jié)構(gòu)，本文中層合板初步設(shè)計思路為：①由較薄的金屬板作為面板，材料選取為7075超強(qiáng)鋁合金，比鋼板密度更低，強(qiáng)度更高，耐腐蝕效果強(qiáng)，抗氧化性好，易于加工，兩層厚度均為2 mm；②纖維芯材為兩層，上層為無緯布，下層為立體織物，均為超高分子量聚乙烯纖維制品，厚度分別為20、8 mm。初步設(shè)計模型如圖1所示。

圖1 層合靶板模型圖Fig.1 Model of laminated target plate

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1 基本假設(shè)

沖擊動力學(xué)問題，尤其是侵徹問題的研究，始終是軍事領(lǐng)域的重要研究課題［7］。基于模型逼真、計算精度高、預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)勢，有限元數(shù)值模擬是侵徹理論研究中主要的、也是被廣泛認(rèn)同的一種分析方法。現(xiàn)對仿真過程做如下假定［8］。

①層合靶板在被侵徹的過程中，彈體始終垂直作用于靶板，不產(chǎn)生偏移。

②彈體體積較小，與空氣摩擦產(chǎn)生的阻力可忽略不計，耗損的能量也可忽略不計。

③彈體在侵徹過程中會有一些熱量損耗，但相對于彈體初始具有的能量，此部分能量可忽略不計，即彈體消耗的能量全部被靶板吸收。

④彈體彈性模量較大，侵徹過程中變形很小，可忽略不計。

1.2.2 算法

彈體與靶板及靶板層間接觸算法采用對稱罰函數(shù)法，將可能相互接觸的2個單元表面分為主片n和從片S，其上節(jié)點(diǎn)稱為主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，在每一時步先核查各從節(jié)點(diǎn)ns是否穿透主片，如果穿透，則在ns與之間引入一個較大的界面接觸力罰函數(shù)值為：

對于彈體材料模型，由于在沖擊時發(fā)生的變形相對于靶板來說可以忽略不計，所以進(jìn)行數(shù)值模擬時，彈體一般采用剛體模型。層合板中的鋁合金板均采用Johnson-Cook材料分析模型和Gruneisen狀態(tài)方程［9］。

①Johnson-Cook材料分析模型假設(shè)材料為各向同性，應(yīng)力表達(dá)式為：

斷裂應(yīng)變參考以下公式：

材料失效發(fā)生在：

即損傷變量D達(dá)到1時，認(rèn)定該材料單元失效，為等效塑性應(yīng)變增量。

②Gruneisen狀態(tài)方程定義材料的壓縮壓力為：

定義材料的膨脹壓力為：

本文中UHMWPE夾心層合靶板材料選取ANSYS/LS-DYNA軟件中MAT-RATE-SENSITIVE-POWERLAWPLASTICITY材料模型進(jìn)行本構(gòu)方程擬合，此模型采用冪函數(shù)的形式來描述應(yīng)變率敏感的彈塑性材料的硬化法則，具體見式（8）：

1.2.3 模型與參數(shù)

模型由彈體和靶板兩部分組成，以Y軸負(fù)方向為彈道方向。彈體使用頭部為半球形的圓柱金屬彈體，彈身縱切面為10 mm×10 mm的正方形，彈頭半徑為5 mm。靶板尺寸為100 mm×100 mm×32 mm，厚度方向由3種材料板層組合而成，從上到下依次為鋁合金板、立體織物、無緯布、鋁合金板，層間用黏合劑黏結(jié)。彈體與靶板接觸區(qū)域附近留有30 mm×30 mm的網(wǎng)格細(xì)化區(qū)，網(wǎng)格采用8結(jié)點(diǎn)六面體Solid164動態(tài)顯示實體單元。模型、載荷設(shè)置和邊界條件均具有對稱性。因此，只建立1/4模型即可滿足計算精度，網(wǎng)格細(xì)分區(qū)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格細(xì)分區(qū)Fig.2 Grid fine partitioning

彈體密度為7 800 kg/m3,彈性模量為200 GPa，泊松比為0.33，保持質(zhì)量為8.16 g。仿真模擬時，輸入的參數(shù)均為實驗數(shù)據(jù)的平均值。由靜態(tài)力學(xué)實驗測得的材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

2 材料厚度比對層合板抗侵徹性能的影響

為研究層合板材料厚度比對層合板抗侵徹性能的影響，設(shè)計出3種材料厚度比（鋁合金:無緯布:立體織物）的仿真模型，具體厚度見如表2所示，并在731 m/s的高速沖擊下研究彈體剩余速度和層合板吸能的變化規(guī)律。圖3為不同厚度比的仿真模型侵徹過程圖（從左往右的厚度比依次為1:5:2、1:2:1、2:5:1）。

表2 不同厚度比時各板材厚度Tab.2 Thickness of each sheet with different thickness ratios

圖3 不同厚度比的仿真模型在731 m/s速度下的侵徹過程圖Fig.3 Penetration process diagram of simulation models with different thickness ratios at 731 m/s

侵徹過程大致可分為3個階段。

第一階段，彈體首先與鋁合金上面板接觸。鋁合金的脆性較大，在高速沖擊下會發(fā)生充塞，主要承受拉伸應(yīng)力，不會有碎片產(chǎn)生，但從仿真系統(tǒng)來看，這部分材料單元已經(jīng)失去承載能力而被刪除。

第二階段，彈體接觸芯材，芯材均為弱界面材料，層間用黏結(jié)劑黏合，芯材受壓而出現(xiàn)分層，并由彈體接觸點(diǎn)逐漸向外擴(kuò)大。由圖4可以看出，芯材各單層出現(xiàn)波動，這是因為有應(yīng)力波存在，應(yīng)力波是應(yīng)力和應(yīng)變擾動的傳播形式，在可變形固體中的擾動形式為機(jī)械擾動［10］。在彈體侵徹過程中，應(yīng)力波在靶板中有2個傳播方向：沿纖維軸向傳播、沿靶板縱向傳播。有研究表明，應(yīng)力波在2種不同的材料中傳播時，在接觸界面產(chǎn)生的入射波和反射波會相互疊加或相互抵消。

第三階段，貫穿層合板。

2.1 厚度比對彈體剩余速度的影響

由表3中仿真數(shù)據(jù)可以看出，“鋁合金:無緯布:立體織物”的厚度比為1:5:2時，彈體的剩余速度最小；厚度比為2:5:1時，彈體的剩余速度最大。對比第一組數(shù)據(jù)和第三組仿真數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，纖維芯材所占比例由87.5%下降到75%，但彈體的剩余速度反而增大了12.5%，這表明在層合板抗侵徹過程中，纖維芯材所做的“貢獻(xiàn)”要大于鋁合金。對比第二組和第三組仿真數(shù)據(jù)可知，模型中鋁合金所占比例相同，立體織物所占比例由25%下降到12.5%，彈體的剩余速度上升了4.3%，這表明立體織物的抗侵徹性能要優(yōu)于無緯布，這與材料的結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系。立體織物在空間任意方向均有纖維貫穿，在抵抗彈體等侵徹時各個方向的纖維絲均可以提供抗拉應(yīng)力，整體性更好，且結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。無緯布是經(jīng)纖維鋪絲后層壓而成，厚度方向只有樹脂基體承受拉力，沒有纖維絲，整體性不如立體織物穩(wěn)定。

表3 彈體剩余速度Tab.3 Residual velocity of projectile body

由圖5彈體速度時間曲線可以看出，厚度比為1:5:2的層合板在侵徹初期與其他2組相比彈體速度下降平緩，中期速度迅速下降至其他2組以下。這是因為厚度比為1:5:2的層合板中纖維芯材占比較大，受到侵徹時，會先發(fā)生塑性變形，此階段對彈體速度的影響要比材料斷裂破壞的影響小，反映在速度時間曲線上即為斜率絕對值要小。

圖5 不同厚度比下彈體速度時間曲線Fig.5 Velocity time curve of projectile body under different thickness ratios

從表3中3組數(shù)據(jù)可以看出，彈體剩余速度的大致規(guī)律為：彈體的剩余速度隨著纖維芯材的比重增加而減小；纖維芯材所占比例不變時，適當(dāng)增加立體織物的厚度后，彈體剩余速度會減小。

2.2 厚度比對層合板吸能的影響

圖6給出了層合板的能量曲線，可以看出，厚度比1:5:2的層合板能量各時間段均高于其他2組。表4給出了不同厚度比下層合板吸能最大值，對比表4中第一列數(shù)據(jù)和第三列數(shù)據(jù)可以看出，鋁合金所占比例從12.5%增加到25%，層合板吸收能量最大值呈下降趨勢，這與材料在承受沖擊載荷時的力學(xué)行為有關(guān)。鋁合金在承受速度大于彈道極限的撞擊時表現(xiàn)為剪切充塞破壞，且通過該材料的延性較小，在高速沖擊下，其由于變形所吸收的彈體能量較小。纖維芯材在承受沖擊載荷時，首先表現(xiàn)出的是大變形，這會吸收一部分能量，能起到“緩沖”作用，然后是基體開裂和纖維斷裂，會吸收大部分沖擊動能，如果纖維芯材有多層，則還會因?qū)娱g剪切破壞而吸收一部分能量。

表4 層合板吸收最大能量Tab.4 Maximum energy absorbed by laminates

圖6 不同厚度比下層合板的能量變化曲線Fig.6 Energy variation curves of lower composite plate with different thickness ratios

綜上所述，纖維芯材的吸能方式較鋁合金更加多樣，且纖維斷裂是纖維增強(qiáng)層合板在抗侵徹過程中的主要吸能方式。在鋁合金所占比例不變的情況下，適當(dāng)提高纖維芯材的比例可以增強(qiáng)層合板的抗侵徹性能。

3 結(jié) 論

本文主要利用非線性有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對UHMWPE夾芯層合板進(jìn)行了侵徹仿真實驗，并對結(jié)果進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論。

①較高速侵徹下，纖維芯材占比由87.5%下降到75%時，彈體剩余速度增大12.5%，層合板吸能減少57 J；纖維芯材所占比例不變時，立體織物占比下降12.5%，彈體剩余速度上升4.3%，層合板吸能減少14 J。

②應(yīng)力波在纖維芯材中的傳播尤其明顯，當(dāng)在2種不同的材料中傳播時，接觸表面會同時出現(xiàn)入射波和反射波，芯材厚度減小時，這種現(xiàn)象更為明顯。立體織物由于存在厚度方向的增強(qiáng)纖維，在抵抗應(yīng)力波傳播方面效果較無緯布更好。