周越松，梁 森，王得盼，劉 龍

(青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 山東 青島 266520)

1 引言

高性能纖維復(fù)合材料制成的復(fù)合裝甲具有低面密度、抗侵徹特性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是最具發(fā)展前景的防彈裝甲。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)復(fù)合裝甲的研究主要集中在新型復(fù)合材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)上。周慶等研究了Kevlar/EP復(fù)合材料靶片的防彈性能，分析了靶片的破壞機(jī)制，闡明了復(fù)合材料靶片的主要吸能方式。孫穎等設(shè)計(jì)了5種混雜結(jié)構(gòu)的Kevlar/UHMWPE纖維混雜復(fù)合材料層板，分析了其沖擊損傷破壞機(jī)制，為低速?zèng)_擊防護(hù)產(chǎn)品的研發(fā)提供一定設(shè)計(jì)依據(jù)。陳曉將Kevlar/UHMWPE/玻璃纖維進(jìn)行混雜，并進(jìn)行大量彈擊實(shí)驗(yàn)，說明了纖維的排列次序影響復(fù)合裝甲的抗彈性能，并且在厚度方向采用“弱-較弱-強(qiáng)”的組合方式，可大大提高裝甲防彈效果。Kedar等對(duì)玻璃纖維/碳纖維復(fù)合材料層

合板的沖擊性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，將玻璃纖維層置于外層，碳纖維層置于中間層可提高復(fù)合材料的彈道極限。

應(yīng)用較廣泛的高性能纖維主要有碳纖維和UHMWPE纖維等，它們?cè)诜雷o(hù)領(lǐng)域各有優(yōu)勢(shì)，又各有不足。碳纖維具有高比剛度、高比模量等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但其彈性延伸率較低，耐沖擊性不好，常與其他纖維組合使用；UHMWPE纖維斷裂伸長(zhǎng)率高，但其耐熱穩(wěn)定性差，抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度低。因此，多種纖維的排列組合方式是研究高性能纖維復(fù)合材料靶板的重點(diǎn)。

王玲將Kevlar纖維布嵌入到阻尼材料中，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究其耐沖擊性，結(jié)果表明，阻尼材料的添加可有效提高復(fù)合材料的抗低速?zèng)_擊性能。氫化丁腈橡膠具有強(qiáng)度高、抗撕裂能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，本文通過在復(fù)合材料表面涂刷氫化丁腈橡膠膠漿制作阻尼層。

為滿足靶板輕質(zhì)、抗侵徹性能強(qiáng)的需求，本文建立了阻尼材料/纖維層合板結(jié)構(gòu)靶板抗沖擊的有限元仿真模型，其中，在靶板迎彈面涂刷的阻尼層為面層阻尼，在靶板背面涂刷的阻尼層為背層阻尼，在2種不同纖維層合板之間涂刷的阻尼層為芯層阻尼。將數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，探究靶板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)沖擊結(jié)果的影響規(guī)律和阻尼層的最佳涂刷位置以及最優(yōu)厚度。

2 復(fù)合靶板抗侵徹機(jī)理

2.1 纖維復(fù)合板抗侵徹機(jī)理

纖維復(fù)合板具有多種不同的耗能模式，主要包括剪切沖塞、纖維拉伸斷裂、靶板分層和背凸、基體破碎和摩擦耗能等。纖維復(fù)合板在受到子彈沖擊時(shí)，因子彈速度較高，前幾層主要發(fā)生剪切破壞，待子彈速度降下來后，材料破壞形式以拉伸破壞為主。隨著子彈繼續(xù)侵徹，板材出現(xiàn)分層現(xiàn)象，纖維也被不斷拉長(zhǎng)，如果纖維未被拉斷，會(huì)被不斷拉伸形成背凸，這個(gè)階段，板材的分層和纖維的拉伸破壞是主要的吸能方式。

2.2 阻尼材料抗侵徹機(jī)理

氫化丁腈橡膠用作阻尼材料，密度輕、強(qiáng)度高。當(dāng)子彈侵入阻尼材料時(shí)，其會(huì)吸收并擴(kuò)散子彈的沖擊能，使靶材承受沖擊能范圍增大，更有利于發(fā)揮纖維復(fù)合板優(yōu)異的吸能性能。

3 數(shù)值模擬可行性驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案及結(jié)果

對(duì)7.62×39 mm子彈垂直入射UHMWPE硬質(zhì)防彈板的侵徹能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。防彈板尺寸為300 mm×300 mm×16 mm，由UHMWPE單向預(yù)浸料正交鋪層經(jīng)復(fù)合加工制成，其中，單層預(yù)浸料厚度為0.1 mm。子彈以710 m/s的速度著靶，侵徹深度為12 mm，并未穿透靶板。子彈侵徹速度降為0時(shí)，靶板內(nèi)部與彈芯接觸的UHMWPE纖維有明顯的灼燒痕跡，靶板背部出現(xiàn)凸起，子彈在侵徹過程中被UHMWPE纖維不斷磨蝕，彈芯長(zhǎng)度變短，頭部鐓粗。侵徹結(jié)果如圖1所示。

圖1 靶板侵徹結(jié)果實(shí)物圖

3.2 數(shù)值模擬方案

應(yīng)用LS-DYNA動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行三維建模，有限元模型由子彈和防彈板等2個(gè)部分組成，采用拉格朗日網(wǎng)格建模，見圖2。彈頭為尖頭錐底鋼芯覆銅披甲結(jié)構(gòu)，考慮到覆銅披甲對(duì)侵徹影響較小，彈頭有限元模型表現(xiàn)為鋼芯和鉛套。鋼芯和鉛套材料模型采用Cowper-Symonds模型，材料參數(shù)如表1所示。UHMWPE纖維復(fù)合材料采用帶損傷的復(fù)合模型(composite damage model)，材料參數(shù)如表2所示。

圖2 有限元模型示意圖

表1 鋼芯及鉛套材料模型參數(shù)

表2 UHMWPE纖維復(fù)合材料參數(shù)Table 2 UHMWPE composite material parameters

數(shù)值模擬結(jié)果如圖3所示，子彈侵入靶板深度為12.3 mm，子彈頭部發(fā)生鐓粗，靶板背部出現(xiàn)凸起，與實(shí)際結(jié)果相符，證明了數(shù)值模擬方案的可行性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果圖

4 防彈復(fù)合結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

4.1 幾何模型

子彈仍選用7.62×39 mm鋼芯彈，全彈質(zhì)量16.4 g，彈頭直徑7.92 mm，長(zhǎng)26.8 mm，重8.05 g，子彈初速710 m/s。防彈靶板為碳纖維層合板和UHMWPE層合板以及阻尼材料構(gòu)成，靶板橫向尺寸為60 mm×50 mm，碳纖維層合板和UHMWPE層合板厚度均為3 mm，阻尼層厚度根據(jù)需要設(shè)置，建立沖擊幾何模型如圖4所示。

圖4 沖擊幾何模型示意圖

4.2 有限元模型及參數(shù)選取

子彈材料模型采用Cowper-Symonds模型，該模型可考慮應(yīng)變率效應(yīng)的影響，帶有失效應(yīng)變，屈服應(yīng)力用與應(yīng)變率有關(guān)的因數(shù)表示，二者關(guān)系為：

(1)

56式7.62 mm子彈的鋼芯材料經(jīng)過機(jī)加工和熱處理，其應(yīng)變率效應(yīng)影響小，因此設(shè)置==0，不考慮鋼芯的應(yīng)變率效應(yīng)。鉛的延展性很好，理論應(yīng)變率較高，但因?yàn)槠鋸?qiáng)度低，對(duì)侵徹的影響小，因此忽略應(yīng)變率效應(yīng)的影響。鋼芯和鉛套性能參數(shù)見表1。

碳纖維和UHMWPE纖維復(fù)合材料均采用Composite Damage模型，該模型常用于描述纖維復(fù)合材料在受子彈侵徹時(shí)的響應(yīng)過程，碳纖維復(fù)合材料性能參數(shù)如表3所示，UHMWPE纖維復(fù)合材料性能參數(shù)見表2。阻尼材料采用Mooney-Rivlin不可壓縮橡膠模型，其材料參數(shù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，如表4所示。

5 仿真結(jié)果分析

5.1 改變面層阻尼厚度對(duì)靶板抗侵徹性能的影響

以碳纖維復(fù)合材料作面板，UHMWPE纖維復(fù)合材料作背板的靶板，分析添加不同厚度的面層阻尼對(duì)靶板抗侵徹性能的影響，其抗侵徹性能分析結(jié)果如圖5所示。

表3 碳纖維復(fù)合材料參數(shù)

表4 阻尼材料參數(shù)Table 4 Damping material parameters

圖5 不同面層阻尼厚度的靶板抗侵徹性能曲線

圖5中彈道性能指數(shù)是指單位面密度的靶板吸收的能量。由曲線變化趨勢(shì)分析得知，隨面層阻尼厚度增加，靶板吸收能量呈遞增趨勢(shì)，當(dāng)阻尼厚度達(dá)到一定程度，吸收能量的增勢(shì)變緩，并趨于穩(wěn)定；彈道性能指數(shù)呈先增后減的趨勢(shì)，且當(dāng)面層阻尼厚度為0.5 mm時(shí)達(dá)到峰值。面層阻尼有吸收、擴(kuò)散沖擊能量的作用，隨阻尼厚度增加，其將子彈沖擊動(dòng)能盡可能多地分散到靶板迎彈面上，來提高靶板的吸能效果。面層阻尼繼續(xù)增加厚度，其擴(kuò)散沖擊能量的效果減弱，對(duì)靶板抗沖擊性能提升有限，導(dǎo)致單位面密度內(nèi)吸收子彈沖擊能量減少，因此彈道性能指數(shù)呈下降趨勢(shì)。

5.2 改變芯層阻尼厚度對(duì)靶板抗侵徹性能的影響

以碳纖維復(fù)合材料作面板，UHMWPE纖維復(fù)合材料作背板的靶板，分析添加不同厚度的芯層阻尼對(duì)靶板抗侵徹性能的影響。其抗侵徹性能分析結(jié)果如圖6所示，靶板最高吸收能量為1 071 J。而由圖5可知，未涂刷阻尼層的靶板吸收子彈動(dòng)能值為1 143 J。芯層阻尼的添加降低了靶板抗侵徹能力。這是因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料屬于脆性材料，將其作為面板時(shí)，需要背板提供足夠的剛度支撐，而阻尼材料較柔軟，降低了背板對(duì)面板的支撐效果。芯層阻尼涂刷完成后，因?yàn)樽枘岜旧頃?huì)吸收子彈的沖擊能量，所以隨阻尼厚度增加，靶板吸收子彈動(dòng)能呈遞增趨勢(shì)。彈道性能指數(shù)呈先增后減的趨勢(shì)，說明當(dāng)芯層阻尼厚度較大時(shí)，增加其厚度對(duì)靶板抗侵徹性能提升效果減弱。

圖6 不同芯層阻尼厚度的靶板抗侵徹性能曲線

5.3 改變背層阻尼厚度對(duì)靶板抗侵徹性能的影響

以碳纖維復(fù)合材料作面板，UHMWPE纖維復(fù)合材料作背板的靶板，分析添加不同厚度的背層阻尼對(duì)靶板抗侵徹性能的影響，其抗侵徹性能分析結(jié)果如圖7所示。隨背層阻尼厚度的增加，靶板吸收能量和彈道性能指數(shù)都呈先增后減的趨勢(shì)。阻尼材料具有優(yōu)異的吸能性能，阻尼厚度越大，其吸能效果越強(qiáng)，但當(dāng)背層阻尼達(dá)到一定厚度時(shí)，其作為背板的一部分，降低了背板的剛度，使背板對(duì)碳纖維面板的剛性支撐作用減弱，碳纖維復(fù)合材料吸收子彈動(dòng)能逐漸減少，靶板抗子彈侵徹能力逐漸降低。

圖7 不同背層阻尼厚度的靶板抗侵徹性能曲線

5.4 最佳靶板結(jié)構(gòu)

由5.3節(jié)知，涂刷芯層阻尼時(shí)，靶板吸收能量和彈道性能指數(shù)較無阻尼靶板出現(xiàn)明顯下降；涂刷0.5 mm厚背層阻尼時(shí)，靶板吸收能量和彈道性能指數(shù)達(dá)到峰值，較無阻尼靶板分別提升15.9%和10.5%；涂刷0.5 mm厚面層阻尼時(shí)，靶板吸收能量和彈道性能指數(shù)較無阻尼靶板分別提升26.9%和19.8%。因此，在靶板迎彈面涂刷面層阻尼會(huì)顯著提高靶板的抗侵徹能力。

探究同等面密度條件下，結(jié)構(gòu)Ⅰ(3.2 mm厚碳纖維層合板+3 mm厚UHMWPE層合板)、結(jié)構(gòu)Ⅱ(3 mm厚碳纖維層合板+3.5 mm厚UHMWPE層合板)以及結(jié)構(gòu)Ⅲ(0.5 mm厚面層阻尼+3 mm厚碳纖維層合板+3 mm厚UHMWPE層合板)等3種結(jié)構(gòu)的抗侵徹性能，結(jié)果如圖8所示。由子彈侵徹速度曲線知，Ⅲ結(jié)構(gòu)靶板抗侵徹能力最強(qiáng)，Ⅰ結(jié)構(gòu)靶板次之。同理說明，在靶板完全吸收子彈動(dòng)能情況下，添加一定厚度面層阻尼可有效降低靶板面密度，進(jìn)而滿足防護(hù)裝甲輕質(zhì)、抗沖擊性能強(qiáng)的需求。

圖8 不同靶板侵徹速度曲線圖

6 結(jié)論

本文提出一種由阻尼材料、碳纖維層合板、UHMWPE纖維層合板構(gòu)成的防彈結(jié)構(gòu)。應(yīng)用LS-DYNA軟件進(jìn)行有限元分析，研究該結(jié)構(gòu)抗7.62 mm子彈侵徹性能，通過改變結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，研究其對(duì)沖擊結(jié)果的影響規(guī)律，進(jìn)一步探究阻尼層的最佳涂刷位置和最優(yōu)厚度。結(jié)果表明：

1) 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，說明數(shù)值模擬中所用的材料參數(shù)是可靠的。

2) 涂刷一定厚度的背層阻尼或面層阻尼，都能有效提高靶板的抗侵徹能力，其中涂刷面層阻尼對(duì)靶板抗侵徹性能提升最為顯著，涂刷芯層阻尼會(huì)降低靶板抗沖擊性能。阻尼層的最佳分布位置為靶板迎彈面。

3) 同等面密度條件下，與增加碳纖維層合板或UHMWPE纖維層合板的厚度相比，添加0.5 mm厚的面層阻尼材料對(duì)靶板抗沖擊性能提升更為顯著。