張明 原梅妮 史明東

1、銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2、中北大學(xué)

基于破片長徑比的Kevlar纖維復(fù)合材料抗侵徹性能研究

張明1原梅妮2史明東2

1、銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2、中北大學(xué)

采用AUTODYN有限元軟件，數(shù)值模擬不同長徑比的破片對10mm厚Kevlar纖維復(fù)合材料的侵徹過程，獲取了不同長徑比的破片侵徹靶板的時間、剩余速度、侵徹方式以及應(yīng)力分布，該結(jié)果對進(jìn)一步開展研究具有較好的指導(dǎo)意義。

有限元；抗侵徹性能；長徑比

1 引言

Kevlar纖維符合材料具有優(yōu)良的抗沖擊性能、抗疲勞性能、動能吸收性以及低密度等特點，并且沒有“二次毀傷效應(yīng)”，因而被廣泛應(yīng)用于裝甲防護(hù)、車輛防護(hù)、人體防護(hù)以及其他工程防護(hù)領(lǐng)域，其動態(tài)力學(xué)行為和抗侵徹性能引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-5]。

采用有限元模擬了Kevlar纖維復(fù)合材料靶板在不同長徑比破片沖擊下的抗侵徹性能，破片初速度取值346m/s[6]，重點對破片侵徹靶板的時間、剩余速度、侵徹方式以及應(yīng)力分布等進(jìn)行了研究。

2 侵徹模型

2.1 幾何模型

靶板為Kevlar纖維復(fù)合材料，長、寬、厚為120×120× 10mm；破片材料采用35CrMnSi鋼板，質(zhì)量為10g，形狀采用圓柱形，長徑比λ分別取值1、2、4、6、8、10，形狀如圖1。

圖1 不同長徑比的圓柱形破片

2.2 有限元計算模型

因為模型的對稱性，靶板與破片均取1/2結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計算。實際建模時靶板的尺寸為120×60×10mm。靶板與破片均采用8節(jié)點實體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，為了提高模擬計算的效率，在破片與靶板撞擊點附近采用致密的網(wǎng)格劃分，其余部分采用稀疏的網(wǎng)格劃分方式，如圖2所示。在對稱面上施加對稱約束，在靶板側(cè)面施加固定約束。計算過程中采用等效失效應(yīng)變描述網(wǎng)格的扭曲和侵徹，Kevlar纖維復(fù)合靶板采用Puff狀態(tài)模型描述材料狀態(tài)的變化，選用Von Miss強度模型進(jìn)行強度分析；破片采用線性模型描述材料狀態(tài)的變化，選用Von Miss模型進(jìn)行強度分析。

圖2 彈靶結(jié)構(gòu)有限元模型

3 結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

通過數(shù)值模擬計算，改變圓柱形破片的長徑比，得到了Kevlar復(fù)合材料靶板在不同長徑比圓柱形破片沖擊下的抗侵徹數(shù)據(jù)，見表1。

表1 不同長徑比破片侵徹靶板貫穿時間與破片剩余速度

3.1 不同長徑比破片貫穿靶板的時間和剩余速度

破片在質(zhì)量相同的情況下，長徑比的不同，會導(dǎo)致其在侵徹過程中與靶板的接觸面積不同，長徑比越大，接觸面積越小，這就使得靶板上與破片接觸處受到的單位面積力越大，從而更容易貫穿靶板，破片貫穿靶板后的剩余速度也越大。表1列出了六組不同長徑比破片貫穿靶板后的時間和剩余速度，為了更好地找到其中的規(guī)律，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)作長徑比與貫穿時間關(guān)系圖3和長徑比λ與剩余速度關(guān)系圖4。從圖3中可以清晰地看出，隨著破片長徑比的增大，破片貫穿10mm厚Kevlar129復(fù)合材料靶板需要的時間越短，但時間減少幅度越來越??；而從圖4可以看出，隨著破片長徑比的增大，破片貫穿靶板后的剩余速度也越來越大，但增加幅度越來越小。

圖3 破片長徑比與貫穿靶板時間的關(guān)系

圖4 破片長徑比與剩余速度的關(guān)系

3.2 破片侵徹方式和應(yīng)力分布

圖5為六種不同長徑比的破片貫穿10mm厚Kevlar129復(fù)合材料靶板時的狀況圖。從圖中可以看出：①長徑比λ=1、2、4、6、8、10的六組模擬中，圓柱形平頭破片對靶板的侵徹是一個剪切碰撞過程，破片長徑比越小，破片侵徹靶板過程中塞塊需要克服的剪切抗力則越小于靶板剩余厚度材料的侵徹抗力，形成的塞塊則越大；反之，破片的長徑比越大，塞塊的剪切抗力卻大，形成的塞塊則越小，越不明顯；②在破片侵徹靶板的過程中，破片不斷地擠壓靶板，產(chǎn)生了向靶板和破片兩個方向傳播的沖擊波，從圖5中破片的應(yīng)力狀況可以看出，傳向破片的沖擊波在破片的中部容易形成應(yīng)力集中，并且這種現(xiàn)象隨著破片的長徑比的增大而變得越來越明顯。

圖5 不同長徑比破片貫穿靶板瞬間

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代武器的發(fā)展，對裝甲防護(hù)提出了更高的要求，Kevlar纖維復(fù)合材料因其優(yōu)越的防護(hù)性能，被廣泛地用作防彈衣、防彈頭盔以及裝甲車輛等的防護(hù)材料。文中對Kevlar纖維復(fù)合材料在不同長徑比的破片沖擊下的抗侵徹性能的侵徹方式、貫穿時間、剩余速度以及應(yīng)力分布的分析對今后進(jìn)一步研究具有重要的意義。

[1]虢忠仁,杜文澤,鐘蔚華等.芳綸復(fù)合材料對球形彈丸的抗貫穿性能研究[J].兵工學(xué)報,2010,（04）：458-463.

[2]彭剛,馮家臣,劉原棟等.纖維增強復(fù)合材料抗彈吸能特性研究[J].彈道學(xué)報,2007（03）：10-14.

[3]原梅妮,楊延清,李茂華等.SiC/Ti-6Al-4V復(fù)合材料在橫向拉伸載荷下界面失效行為研究 [J].復(fù)合材料學(xué)報,2012,29(6)：159-163.

[4]史明東,原梅妮,何小晶等.Ti-6Al-4V/Al3Ti金屬間化合物基層狀復(fù)合材料殘余應(yīng)力分析[J].兵器材料科學(xué)與工程,2017,02.

[5]張明,原梅妮,向豐華等.Kevlar-129纖維復(fù)合材料的彈道性能數(shù)值仿真[J].測試科學(xué)與儀器（英文版）,2015,03(6)：286-290.

[6]張明.Kevlar129/EVA復(fù)合材料抗彈性能數(shù)值模擬研究[D].中北大學(xué),2016.06.

張明，男，貴州銅仁人，碩士，講師，研究方向：復(fù)合材料力學(xué)性能研究。

原梅妮，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：復(fù)合材料力學(xué)性能研究。